淺談光能開發史和集群相關性

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地球上的能源均可溯源至光能，光能開發史如人類歷史一樣悠久。光能最早用於取火，例如，用放大鏡匯聚光能至易燃物上點火。直到19世紀，人們開始利用光能發電。

在1839年，法國物理學家Edmond Becquerel發現：某些材料受到光照時，將產生少量電流。

光線由光子組成，其包含多種波長的光能。當光子撞擊由半導體材料構成的光伏面板時，部分光子被折射、部分光子穿透面板、剩餘光子則被半導體材料吸收。這些被吸收的光子驅使半導體材料內的電子運動，產生電流，該過程稱為「光伏效應」。如以下示意圖所示。

隨後，1876年，Grylls Adams和Evans Day發現「硒」受到光照時，可產生電流。硒光伏電池由此誕生，其光電轉換效率約為1%至2%。「光伏」一詞中，前者「光」表示與光照有關，後者「伏」表示產生電壓。

1商用光伏電池

自硒光伏電池後，在1954年，Bell實驗室的研究員 D.M. Chapin, C.S. Fuller 和 G.L. Pearson聯合發明了硅光伏電池。

次年，Hoffman半導體研究室發布了首個商用光伏電池，其效率為2%，每塊售價25美元，功率為14 mW。

在這段時間裡，光伏電池主要應用在居民屋頂或小區內，為常規電網難以觸及的偏遠地區供電。

在之後幾十年間，隨著化石能源危機加劇及環境問題的日益嚴峻，光能開發受到高度重視，各國出台多項扶持政策，鼓勵光伏發電。

德國在1991年發布「再生能源發展法」，規定電力公司須一定的合理價格收購光伏發電；

日本從1992年規定電力公司收購光伏發電和水力發電等分散式能源的具體辦法，其後又在2003年頒布「新能源利用特別措施」，設立清潔能源電力發展基金和市民安裝小型光伏發電裝置的資金補貼；

中國一直大力扶持光伏發電，對光伏上網電價進行補貼。國家發展改革委在2016年發布通知「國家發展改革委關於調整新能源標杆上網電價的通知」，指出：

光伏發電、陸上風電上網電價在當地燃煤機組標杆上網電價（含脫硫、脫硝、除塵電價）以內的部分，由當地省級電網結算；高出部分通過國家可再生能源發展基金予以補貼。光伏電站在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類資源區的上網電價分別定為0.65、0.75和0.85元/kWh。

此外，隨著新型半導體材料的研發，電池的轉換效率也在逐漸提高，下圖為1975至2017年間各類光伏電池的最高效率曲線，可以看到，光伏電池效率一直在提高，其中Fraunhofer光能研究所研製的多節集中式光伏電池的效率達到46%。

光伏電池的成本也在不斷下降，下圖為1977年至今，單位瓦特硅光伏電池的價格。可以看到，單位瓦特的硅光伏電池價格已從數十年前的76$降至0.3$。

2光伏發電站

單個光伏電池輸出功率小、電壓低，不利於光能利用，所以常將多個光伏電池進行串聯、並聯組成光伏面板，提高整體輸出功率和電壓。常見的光伏面板常含有60至80組光伏電池。

然後，再將多個光伏面板串聯在一起形成光伏串。

多個光伏串連接在一起，然後通過直流/交流逆變器，將光伏發出的直流電轉換為交流電，經升壓變壓器升壓後，輸送至外部電網。

除了串型電氣拓撲結構外，也有環型、星型等電氣拓撲結構。但總體上，串型結構用料最省，經濟性較高，現有光伏電站多採用串型結構。

中國光能資源豐富，並且光伏技術成熟、宏觀光伏政策良好。目前，中國光伏裝機容量躍居世界第一，達到約78GW。裝機容量全球前五的光伏電站中，中國佔有三席。

騰格里沙漠光伏電站

該光伏電站位於寧夏中衛騰格里沙漠，總裝機容量約1.5GW，年發電量20多億kWh，利用小時數達1000小時以上，佔地面積約為沙漠面積的3.2%。

大同光伏領跑者電站

該光伏電站利用「大同採煤沉陷區」低價值土地，裝機容量約為1GW，月均發電量1.2億kWh，分別建有8座110kV彙集站和2座220kV升壓送出站。

光伏電站與周圍生態環境和諧相處，開創「林光互補」新模式，一方面生產清潔能源，一方面培育樹苗，解決當地生態問題。

龍羊峽光伏電站

該光伏電站位於青海省海南州共和縣，佔地9.16k㎡，裝機容量0.85GW，可滿足150,000至200,000戶家庭用電需求。

光伏電站旁是承擔西北電網調峰調頻任務的龍羊峽水電站，其裝機容量為4×0.32GW，並且儲有24.7百萬㎡水量，可灌溉一百萬公頃土地。

龍羊峽光伏電站與龍羊峽水電站開創「水光互補」的全新發電模式，即將兩者組合為一組電源，藉助水電的靈活調節特性平抑光伏發電波動：

當正午光照強烈，光伏電站滿發時，水電停發或降出力；

在夜晚或陰雨天氣，光伏電站出力降低時，水電提高出力；

總體上，保持「水光互補」電源的穩定出力，在電源端解決光伏出力不確定性的問題。從下圖看到，通過水電調節，將原本不穩定的鋸齒狀光伏出力，調整為較平滑穩定的電源，減少電網應對新能源不確定性的備用容量，提高新能源消納能力。

此外，「水光互補」發電模式提高了電源穩定性，將水電送出線路的利用小時數由4621小時提高至5019小時。

3影響光伏發電的因素

和眾多新能源一樣，光能也具有較高的不確定性，這體現在不同季節，光照強度及時長的變化。甚至在一天之內，光照的角度和強度也在不斷變化。

為適應光照角度和強度的變化，光伏面板的支架常設有跟蹤裝置，可根據光照的入射角，不斷調整光伏面板與光照的夾角，使其盡量垂直於光照入射角。

雲層的運動及其對光照的遮擋，也將影響光伏發電。特別地，對於光伏面板多、佔地面積大的光伏電站，雲層遮擋對其出力的影響尤為明顯。

光伏電池在使用過程中將逐漸老化，光電轉換效率逐漸降低，其老化速率與環境溫度、光照強度等外部因素有關。

4光伏群的出力相關性

隨著光伏裝機容量的急劇上升，同一地區電網中常接入兩座及以上光伏電站，而相鄰兩光伏電站的出力常呈現正相關性，及兩者的光伏出力呈現相似變化趨勢：其出力同時上升或同時下降。

出力相關性何來？

相鄰兩光伏電站的經緯度相差較小「經緯度小數點的差別」，均位於同一時區。則根據幾何原理「如下圖」，兩相鄰光伏電站處的光照入射角幾乎相同。

如忽略雲層、地形等因素影響，則同一時刻兩相鄰光伏電站處的光照強度幾乎相同。

該相關性有何影響？

這對電力系統靈活性提出了更高要求。如同一地區電網同時接入多個大規模光伏電站，該相關性將導致：

情形1：當正午光照強烈時，多個光伏電站同時滿發；

情形2：在夜晚或陰雨天氣時，多個光伏電站同時降出力；

在情形1中，如當前負荷水平較低且無大規模儲能裝置，則需棄光或降低其餘常規機組出力。

類似地，在情形2中，如當前負荷水平較高，則需緊急調用系統備用滿足負荷需求。

總之，該相關性加劇了電力系統運行難度，需配置儲能設備或增大備用容量，以應對更不確定的光伏出力。

此外，不少學者試圖建立描述光伏出力相關性的數學模型，評估光伏相關性對電力系統的影響。

論文「1」發現光伏相關性對電力系統可靠性具有不利影響。

「1」Qin Z, Li W, Xiong X. Incorporating multiple correlations among wind speeds, photovoltaic powers and bus loads in composite system reliability evaluation. Applied energy, 2013, 110: 285-294.

論文「2」發現光伏相關性對電力系統電壓水平和線路潮流分布有較大影響。

「2」任洲洋, 顏偉, 項波, 等. 考慮光伏和負荷相關性的概率潮流計算. 電工技術學報, 2015, 30(24): 181-187.

論文「3」發現考慮光伏相關性可得出更優的配電網規劃方案。

「3」賈清泉,趙美超,孫玲玲,杜廣玉,范君,孫海東.主動配電網中計及時序性與相關性的分散式光伏併網規劃.中國電機工程學報:1-9.

以上

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