第一節 碳中和加速新能源快速發展一、碳中和加速新能源快速發展

 

2019年初,在世界范圍的金融危機逐漸消退，哥本哈根會議以及各國能源新政的不斷推出，在經過了2009年下半年的休養生息之后，光伏產業基本恢復了元氣，并在迎接一個更加健康和理性的未來。今年全球太陽能的安裝產值預期增長22%，預計全球太陽能安裝量將達到7107MW。在這樣的大背景下,中國光伏產業在生產制造環節、貿易、統集成環節都出現了更加積極、健康的局面.有關數據現實，2010年中國光伏電站的裝機容量有望實現2～3倍的增長，但是于此同時依然面對瓶頸。

 

1.中國碳中和定義見圖8-1。今年的政府工作報告將“扎實做好碳達峰、碳中和各項工作”列為重點工作之一。報告指出，制定2030年前碳排放達峰行動方案，優化產業結構和能源結構，大力發展新能源。

 

 

圖1 碳中和定義

 

2.國外芬蘭確認在2035年，瑞典、奧地利、冰島等國家在2045年實現凈零排放；英國、挪威、加拿大、日本等將碳中和的時間節點定在2050年。一些發展中國家如智利，也計劃2050年實現碳中和。

 

3.碳中和與新能源的結合在關鍵技術、市場機制、政策保障等方面都將呈現多樣化發展。

 

技術方面。既包括儲能、氫能、CCUS（碳捕集、利用與封存）等關鍵環節技術，也包括高比例新能源下電力系統安全穩定運行、綜合能源耦合互補等系統性技術。

 

市場方面。既包括能夠支撐新能源高效消納的輔助服務市場、現貨市場、容量市場、多能協同交易市場等能源電力市場機制，也包括能夠有效將碳排放外部成本內部化的碳交易市場機制。

 

政策方面。既包括科學有效地將國家的碳達峰與碳中和下沉至各省市、各行業的縱向目標分解政策，也包括統籌規劃新能源、P2X（電轉其他能源或化工產品）、碳循環利用等清潔低碳產業鏈的橫向產業培育政策。

 

二、碳中和全景圖碳中和全景圖見圖8-2，實現碳中和的關鍵在于使占85%碳排放的化石能源實現向清潔能源的轉化。

 

（1）非化石能源的占比將從2020年的16.4%提升至2030年的26%，甚至2060的100%。

 

（2）預計2020至2030年十年間，我國能源消費將增長20%，非化石能源將是增量的主要貢獻。

 

（3）非化石能源中光伏風電潛力最大。

 

（4）煤炭石油天然氣消耗總量將于25年、30年、40年達峰。

 

 

圖2 碳中和全景圖

 

三、碳中和實現路徑碳中和實現路徑見圖8-3，碳中和的實現路徑主要包括：電力生產清潔化、發展氫能源、交通和工業的電動化、氫能化和碳捕捉四個方面。我們預測2060年中國將有以下變革：

 

1）借助光伏風電裝機，電力完全脫碳。

 

2）氫能源實現完全商業化。

 

3）鋼鐵建材交通等行業將大規模電力化和氫能化改造。

 

4）碳捕捉是實現雄為目標的關鍵。

 

 

圖3 碳中和實現路徑

 

四、碳中和加速新能源快速發展，對儲能提出更高的要求1．“可再生能源+儲能”為推動能源革命和清潔低碳發展，“十四五”可再生能源裝機規模將實現跨越式發展，已成為能源行業的共識，成為支撐可再生能源穩定規模化發展的關鍵。

 

2．新能源汽車促進儲能產業迅速發展得益于良好的政策扶持，我國新能源汽車產業發展迅速，也帶動了儲能用電池技術的進步，我國儲能產業化發展基礎也已形成。當前，儲能作為支撐新能源跨越式發展的戰略性新興產業被首次提出，產業配套協同發展的趨勢顯著，新經濟形勢下需要以儲能為支撐構建新經濟增長點，為我國經濟社會發展提供支持

 

3．電力市場化釋放儲能應用空間隨著電力市場化改革深入，市場規則開放了儲能參與市場的身份，相應規則面向儲能予以調整，輔助服務市場內各類服務和需求響應機制成為儲能獲取額外收益的重要平臺

 

五、碳中和加速新能源快速發展，氫能可能是碳中和的最終解決方案碳中和最終解決方案見圖8-4，實現能源最終的能源碳中和必須在非電領域推動新的技術發展和應用，目前來看主要有三個解決方案，分別是氫能源、碳捕捉和生物質。

 

1）氫能與新能源結合位于蘭州新區的全球首個“液態太陽燃料合成示范項目”

 

2）所謂“液態陽光”就是把太陽能和風能發出來的電，通過制氫變成氫，然后氫再跟二氧化碳合成甲醇。

 

3）尤其是對西部地區可再生能源高效利用、儲存消納可再生能源具有重要的現實意義”。

 

 

圖4 碳中和最終解決方案

 

第二節 光伏產業發展現狀中國作為目前世界上經濟發展最迅速的經濟體，在光伏發電領域的技術和應用只是處于世界的下游水平。其中的主要原因是國內還沒有掌握電池所需要的多晶硅提純技術，該技術被國外的大企業所壟斷，因而國內生產太陽能光伏電池的成本很高。光伏發電的成本是一般發電成本的數倍，也因此造成無法廣泛普及。

 

我國光伏產業快速發展，已形成較為完整的光伏制造產業體系。當前的主要問題是：產能嚴重過剩，市場過度依賴外需，企業普遍經營困難。

 

光伏產業是戰略性新興產業。發展光伏產業對調整能源結構、推進能源生產和消費方式變革、促進生態文明建設具有重要意義。我國光伏產業當前遇到的困難，既是產業發展面臨的嚴峻挑戰，也是促進產業調整升級的契機，特別是光伏發電成本大幅下降，為擴大國內市場提供了有利條件。要按照創新體制機制、完善政策措施、擴大消費市場、規范市場秩序、推進產業重組、降低發電成本的思路，統籌兼顧、綜合施策，著力提升產業競爭力。

 

第三節 光伏建筑一體化(BIPV)創新方向一、特點1．優點1）綠色能源

 

太陽能光伏建筑一體化產生的是綠色能源，是應用太陽能發電，不會污染環境。太陽能是最清潔并且是免費的，開發利用過程中不會產生任何生態方面的副作用。它又是一種再生能源，取之不盡，用之不竭。

 

2）不占用土地

 

光伏陣列一般安裝在閑置的屋頂或外墻上，無需額外占用土地，這對于土地昂貴的城市建筑尤其重要；夏天是用電高峰的季節，也正好是日照量最大、光伏系統發電量最多的時期，對電網可以起到調峰作用。

 

3）太陽能光伏建筑一體技術采用并網光伏系統

 

不需要配備蓄電池，既節省投資，又不受蓄電池荷電狀態的限制，可以充分利用光伏系統所發出的電力。

 

4）起到建筑節能作用

 

光伏陣列吸收太陽能轉化為電能，大大降低了室外綜合溫度，減少了墻體得熱和室內空調冷負荷，所以也可以起到建筑節能作用。因此，發展太陽能光伏建筑一體化，可以“節能減排”。

 

2．缺點雖然太陽能光伏建筑一體化有高效、經濟、環保等諸多優點，并已在世博場館和示范工程上得以運用，但光伏建筑還未進入尋常百姓家，成片使用該技術的民宅社區并未出現。這是由于太陽能光伏建筑一體化存有幾大問題

 

1）造價較高

 

太陽能光伏建筑一體化建筑物造價較高。一體化設計建造的帶有光伏發電系統的建筑物造價較高，在科研技術方面還有待提升。

 

2）成本高

 

太陽能發電的成本高。太陽能發電的成本是每度2.5元，比常規發電成本每度1元翻倍。

 

3）不穩定

 

太陽能光伏發電不穩定，受天氣影響大，有波動性。這是由于太陽并不是一天24小時都有，因此如何解決太陽能光伏發電的波動性，如何儲電也是亟待解決的問題。

 

二、建筑設計1．光伏組件性能作為普通光伏組件，只要通過IEC61215的檢測，滿足抗130km/h(2，400Pa)風壓和抗25mm直徑冰雹23m/s的沖擊的要求。用做幕墻面板和采光頂面板的光伏組件，不僅需要滿足光伏組件的性能要求，同時要滿足幕墻的三性實驗要求和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力學性能和采用不同的結構方式。例如尺寸為1200mm×530mm的普通光伏組件一般采用3.2mm厚的鋼化超白玻璃加鋁合金邊框就能達到使用要求。但同樣尺寸的組件用在BIPV建筑中，在不同的地點，不同的樓層高度，以及不同的安裝方式，對它的玻璃力學性能要求就可能是完全不同的。南玻大廈外循環式雙層幕墻采用的組件就是兩塊6mm厚的鋼化超白玻璃夾膠而成的光伏組件，這是通過嚴格的力學計算得到的結果。

 

2．美學要求BIPV建筑首先是一個建筑，它是建筑師的藝術品，就相當于音樂家的音樂，畫家的一幅名畫，而對于建筑物來說光線就是他的靈魂，因此建筑物對光影要求甚高。但普通光伏組件所用的玻璃大多為布紋超白鋼化玻璃，其布紋具有磨砂玻璃阻擋視線的作用。如果BIPV組件安裝在大樓的觀光處，這個位置需要光線通透，這時就要采用光面超白鋼化玻璃制作雙面玻璃組件，用來滿足建筑物的功能。同時為了節約成本，電池板背面的玻璃可以采用普通光面鋼化玻璃。

 

一個建筑物的成功與否，關鍵一點就是建筑物的外觀效果，有時候細微的不協調都是不能容忍。但普通光伏組件的接線盒一般粘在電池板背面，接線盒較大，很容易破壞建筑物的整體協調感，通常不為建筑師所接受，因此BIPV建筑中要求將接線盒省去或隱藏起來，這時的旁路二極管沒有了接線盒的保護，要考慮采用其他方法來保護它，需要將旁路二極管和連接線隱藏在幕墻結構中。比如將旁路二極管放在幕墻骨架結構中，以防陽光直射和雨水侵蝕。

 

普通光伏組件的連接線一般外露在組件下方，BIPV建筑中光伏組件的連接線要求全部隱藏在幕墻結構中。

 

3．結構性能配合在設計BIPV建筑時要考慮電池板本身的電壓、電流是否方便光伏系統設備選型，但是建筑物的外立面有可能是一些大小、形式不一的幾何圖形組成，這會造成組件間的電壓、電流不同，這個時候可以考慮對建筑立面進行分區及調整分格，使BIPV組件接近標準組件電學性能，也可以采用不同尺寸的電池片來滿足分格的要求，以最大限度地滿足建筑物外立面效果。另外，還可以將少數邊角上的電池片不連接入電路，以滿足電學要求。

 

4．利用太陽能太陽能為保護環境創造了有利條件，于是許多建筑學家巧妙利用太陽能建造太陽能建筑。

 

1）太陽能墻

 

美國建筑專家發明太陽能墻，是在建筑物的墻體外側裝一層薄薄的黑色打孔鋁板，能吸收照射到墻體上的80%的太陽能量。被吸入鋁板的空氣經預熱后，通過墻體內的泵抽到建筑物內，從而就能節約中央空調的能耗。

 

2）太陽能窗

 

德國科學家發明了兩種采用光熱調節的玻璃窗。一種是太陽能溫度調節系統，白天采集建筑物窗玻璃表面的暖氣，然后把這種太陽能傳遞到墻和地板的空間存儲，到了晚上再放出來；另一種是自動調整進入房間的陽光量，如同變色太陽鏡一樣，根據房間設定的溫度，窗玻璃或是變成透明或是變成不透明。

 

3）太陽能房屋.

 

德國建筑師塞多。特霍爾斯建造了一座能在基座上轉動跟蹤陽光的太陽能房屋。該房屋安裝在一個圓盤底座上，由一個小型太陽能電動機帶動一組齒輪，使房屋底座在環形軌道上以每分鐘轉動3厘米的速度隨太陽旋轉。這個跟蹤太陽的系統所消耗的電力僅為該房太陽能發電功率的1%，而該房太陽能發電量相當于一般不能轉動的太陽能房屋的兩倍。

 

三、分類根據光伏方陣與建筑結合的方式不同，太陽能光伏建筑一體化可分為兩大類：

 

第一類是光伏方陣與建筑的結合。這種方式是將光伏方陣依附于建筑物上，建筑物作為光伏方陣載體，起支承作用。

 

第二類是光伏方陣與建筑的集成。這種方式是光伏組件以一種建筑材料的形式出現，光伏方陣成為建筑不可分割的一部分。

 

光伏方陣與建筑的結合（即第一類）是一種常用的形式。2008年奧運會體育賽事的國家游泳中心和國家體育館等奧運場館中，采用的就是光伏方陣與建筑結合的太陽能光伏并網發電系統，這些系統年發電量可達70萬千瓦時，相當于節約標煤170噸，減少二氧化碳排放570噸。

 

四、結合方式根據光伏方陣與建筑結合的方式不同，太陽能光伏建筑一體化可分為兩大類：建筑與光伏器件相結合和建筑與光伏系統相結合。

 

1.與建筑結合建筑與光伏的進一步結合是將光伏器件與建筑材料集成化。一般的建筑物外圍護表面采用涂料、裝飾瓷磚或幕墻玻璃，目的是為了保護和裝飾建筑物。如果用光伏器件代替部分建材，即用光伏組件來做建筑物的屋頂、外墻和窗戶，這樣既可用做建材也可用以發電，可謂物盡其美。對于框架結構的建筑物，可把其整個圍護結構做成光伏陣列，選擇適當光伏組件，既可吸收太陽直射光，也可吸收太陽反射光。目前已經研制出大尺度的彩色光伏模塊，可以實現以上目的，使建筑外觀更具魅力.

 

2.與光伏系統與建筑相結合的光伏系統，可以作為獨立電源或者以并網的方式供電當系統參與并網時，可以不需要蓄電池。但需要與電網的裝置，而與并網發電是當今光伏應用的新趨勢。將光伏組件安裝在建筑物的屋頂或外墻，引出端經過控制器與公共電網相連接需要向光伏陣列及電網并聯向用戶供電，這就組成了并網光伏系統。

 

第四節 光伏直流微網一、直流微電網拓撲結構圖8-5示意了一種適用于未來智能家庭、商業樓宇，以及工業園區的典型直流微電網結構，系統內可包含光伏、風電等間歇性分布式電源，微型燃氣輪機和燃料電池等可控型分布式電源，電池儲能、飛輪或超級電容等儲能單元以及本地交/直流負荷。若直流微電網可與外部交流電網互聯，則可通過雙向DC-AC變流器接入交流系統。

 

在未來直流微電網中，為進一步提高直流系統供電靈活性和可靠性，以適應不同電壓等級分布式電源、儲能系統及負荷接入，可采用雙極性三線制結構。根據中線的出線形式不同，雙極性三線制供電系統主要如圖8-6所示，其中直流系統與交流系統互聯端口采用兩個相同容量的雙向DC-AC變流器（如圖8-6a所示），或者直流系統中兩個儲能單元通過DC-DC變流器(如圖8-6b所示)，兩者共用一極直流母線，實際上直流系統內部為兩個獨立供電回路，可靠性較高，但需要兩套全功率電力電子變流裝置，成本更高。圖8-6c中，通過在直流母線電容中點引出中線，在正負極間分布式電源或負荷不平衡的情況下，如果采用具有中點電位平衡功能的三電平中點箱位式DC-AC變流器(neutral point clamped converterNPC尸)]，則可以保證直流正負母線電壓平衡，但對于常規兩電平DC-AC或獨立直流微電網來說，則無法實現直流正負極母線電壓對稱。為解決上述問題，直流微電網可通過如圖圖8-6d所示電壓平衡器構成雙極三線制系統。電壓平衡器的應用不受直流微電網運行模式(并網運行或獨立運行)的限制，可以靈活地并入DC-AC或DC-DC變流器的輸出端口;同時直流微電網的直流母線電壓控制(如并網時由DC-AC來控制，獨立運行時由儲能DC-DC來控制)和正/負極電壓平衡控制(由電壓平衡器來控制)兩者完全解藕，相比圖8-6c所示采用NPC拓撲的直流微電網，控制更加靈活，可靠性更高。

 

 

圖5 典型直流微電網結構圖

 

 

圖6 直流系統雙極性三線制供電結構

 

二、直流微電網應用場景微網應用主要適用海島、偏遠鄉村、經常停電的場景，光儲系統獨立或者光儲系統與柴發共同組成供電系統給負載供電。

 

1.光儲給負載供電光儲給負載供電如圖8-7所示，適用于無電網的場景，PV和電池及負載組成離網微電系統，PV電池發出的能量供給負載使用，余能存儲于電池中，待PV能量不足或夜間時，由儲能給負載供電。

 

 

圖7 光儲給負載供電

 

表1

 

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2.光儲與柴發結合給負載供電光儲與柴發結合給負載供電如圖8-8所示，適用于無電網場景，PV和電池及柴發和負載組成離網微網電網系統，PV發電能量供給負載使用，余能存儲于電池中，待PV能量不足或夜間是，先由電池給負載供電，電池存儲的能量全部放出后，由柴發給負載供電。

 

 

圖8 光儲與柴發結合給負載供電

 

三、直流微電網保護設備熔斷器和直流斷路器是直流微電網中常見的兩種保護設備。其中熔斷器是過電流繼電保護裝置與開斷裝置合為一體的開關設備，根據電流超過規定值一段時間后，以其自身產生的熱量使熔體熔化，從而斷開電路。熔斷器的選擇主要依據負載的保護特性和短路電流的大小選擇熔斷器的類型。熔斷器具有結構簡單、使用方便、價格低廉等優點，在低壓系統中廣泛被應用。

 

直流斷路器根據電流開斷方式不同，主要有機械式直流斷路器、固態直流斷路器和基于二者結合的混合式直流斷路器。機械式直流斷路器主要由交流斷路器和RLC元件構成的輔助振蕩回路組成，借助輔助振蕩回路人為產生過零點。機械式直流斷路器通態損耗低，但快速切斷故障電流能力不強(目前最快仍需要數十毫秒)。近年來，完全由可控型半導體器件構成的直流固態斷路器，以數毫秒級分斷能力、無觸點、分斷不產生電弧等優點受到廣泛關注。與機械式直流斷路器相比，固態直流斷路器切除故障電流速度更快，但通態損耗相對較大、成本較高。混合式直流斷路器用快速機械開關導通正常運行電流，固態電力電子裝置開斷短路電流，有效地結合機械式斷路器通態損耗小、固態斷路器開斷速度快等優點。未來，隨著半導體器件的快速發展和成本的降低，固態直流斷路器和混合式直流斷路器將會在直流微電網和直流配用電系統中得到應用。

 

對于直流微電網，多分段或多端復雜直流微電網來說，具有快速開斷直流故障電流和隔離故障功能的直流斷路器對保證系統的安全可靠運行是至關重要的。因此如何提高直流斷路器的開斷速度和開斷容量是研發直流斷路器所面臨的主要挑戰。

 

直流微電網中直流母線處通常含有較大容量的母線電容。極間故障時，母線電容的瞬時放電造成的瞬態短路沖擊電流可能會導致系統中直流斷路器的誤動作，從而導致保護系統的選擇性喪失、過多分布式電源或負荷等設備的斷電和保護設備相互協調能力的降低等后果。為避免出現過大的瞬時短路電流和減少直流斷路器的誤動作，可采用故障限流裝置與直流斷路器進行配合。

 

四、直流微電網展望未來直流微電網關鍵技術發展方向展望如下：

 

1）目前分布式電源、儲能單元及交直流負荷等均通過常規電力電子裝置接入直流微電網，普遍存在功能單一和不具備即插即用等問題，研發更加高效可靠，以及模塊化、智能化的即插即用型多功能變流器接口或電能交換器[}9}-9a]將是值得工業界和學術界深入探索的研究方法。

 

2）為應對高密度分布式能源和多元負荷接入交直流混合微電網，如何綜合考慮系統網架結構設計、源一網一荷一儲優化配置及運行與規劃緊密藕合等因素，是未來交直流混合微電網優化規劃方向的重要課題。

 

（3）在運行控制方面，如何提高設備級控制系統的魯棒自治性能以及系統級控制系統的可靠性、靈活性和可擴展性，且能綜合協調運行控制技術和智能保護技術，是未來直流微電網能量管理和運行控制系統重要的理論研究和技術發展方向。

 

（4）在直流微電網保護技術方面，研發具備更J決開斷速度、更高開斷容量以及更高效可靠的直流斷路器;基于故障限流的新型直流配用電保護技術等，均是值得探索的前沿課題。

 

第五節 光伏電站投資建設瓶頸規劃中的光伏電站比較多的集中在陽光充沛的西部邊遠地帶,比較容易實現高壓并網之后的跨區電力交易和輸送,也比較容易獲得地方政府支持.但是結合當前大量風電電站因無法并網而限制的現實,今后光伏電站降面臨同樣并網的問題,主要原因有以下幾個方面:

 

各個投資主體計劃中的光伏電站布局規劃不協調,增加并網成本,甚至短期之內無法并網；電網安全問題有待解決,例如電網的調峰\調頻能力；電網企業未能按照第五條要求,建設可再生能源發電項目的接入系統工程,加大了發電企業的建設成本；電網企業在收購電量時,存在減少發電企業的上網電量,壓低上網價格,強行分攤損耗,不按期或者不足額支付電費等問題,嚴重影響電站的運營收益。

 

第六節 光儲技術應用我國光儲項目以技術示范和模式驗證為主。項目應用主要分為：集中式光儲和分布式光儲。

 

一、集中式光儲主要是儲能與”三北”地區的大型光伏電站相結合，實現削峰填谷，跟蹤計劃出力，提供電網支撐和平抑波動等功能，項目主要分布于青海、河北、甘肅、新疆等地區。

 

二、分布式儲能應用場景多樣，儲能主要用于節省用戶電費支出、參與需求響應、提高光伏自發自用水平、替代電纜鋪設/減少柴油發電等。項目主要分布在青海、西藏、甘肅、江蘇、浙江等地區，主要是解決當地用電困難問題。

 

華能集團2017年12月投運的青海格爾木光伏+儲能電站，是中國首座規模最大的商業化光儲電站，采用鉛炭電池、磷酸鐵鋰電池，探索和應用了一種分布式直流側光伏儲能技術。

 

國電投黃河水電公司于2018年6月投資運營的青海共和多能互補驗證項目，采用四種不同電池對儲能系統的電池特性、容量配比、系統匹配以及控制進行研究，并對水光儲互補協調運行模式進行了驗證。國網浙江省電力公司2018年6月投運的南麂島微網示范工程項目，采用磷酸鐵鋰電池和超級電容，該項目是全國建成的首個離網型兆瓦級智能電網項目，為離網型海島供電范本。

 

協合新能源西藏乃東20MW光伏電站+5MWh儲能電站項目順利并網。采用鋰電池技術，海拔最高的容量最大的儲能電站，也是到目前為止海拔最高的梯次利用的儲能電站。

 

湖北棗陽平凡瑞豐10MW光伏+10MW/40MWh全釩液流電池儲能項目首期3MW光伏+3MW/12MWh儲能項目竣工投運，該項目是目前國內最大規模的全釩液流電池光儲用一體化項目。

 

第七節 光儲能未來發展一、光伏+儲能是未來發展趨勢太陽能發電可實現零碳排且沒有附加成本。儲能技術可提供備用電源、調頻和其他電網服務將二者結合可實現夜間的持續供電，增加可用發電時間內的產出，提高電網靈活性。在分布式社區和屋頂系統中，太陽能和儲能技術的結合可減少配電網壓力，推遲或減少基礎設施投資。在宏觀層面上，儲能和太陽能發電可在無需做出重大改變的情況下提高太陽能設施普及率，從而減少碳排放。光伏和儲能構建智能微電網，可以提升新能源滲透率和消納能力，更好的滿足用戶多樣性需求，實現精準供能，還可以減少用電偏差，提高考核收益。而在戶用電站加入儲能，可以減少用戶對電網的依賴，用電更加自由化。

 

二、光儲未來發展光伏+儲能發展將相輔相成，儲能在能源市場的“剛需”身份在逐步的確定，展望光儲未來發展，業界人士認為光儲應用未來可期，預計在光伏+儲能系統應用將大放異彩。大電網中的滲透率將逐漸擴大;多參與電力交易、電網調度、調頻調峰;基于光儲充的家庭智能用電、智慧能源社區將日趨。光伏+儲能應用將在未來能源領域扮演重要的角色，預計未來將有更多的企業布局這一領域。