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摘要：随着科技的不断进步，为了保护不可再生资源以及应对气候变迁给人类带来的警讯，寻求环保、高效的发电方式已经成为当今世界各国能源科技发展的研究方向。其中，利用太阳能产生电力受到了广泛的青睐。光伏发电是利用太阳能发电的主要方式，利用光伏半导体材料将光能转换为电能，分布式光伏系统可以置于建筑物的房顶或外墙上，实现用户的自发自用。同时，采用分布式光伏发电的电场场用电率与传统火力发电以及新型的风力发电相比要低很多，是一种高效、环保的发电方式，随着材料、技术上的不断进步，光伏发电将会在更多地方得到广泛应用。
关键词：分布式；光伏发电；场用电率
在十九世纪后期人类进入电气时代以来，电已经成为人类日常生活必不可少的工具。传统的发电方式为火力发电，但是其所需要的燃料煤、石油、天然气等均为不可再生资源，为了更好的利用可再生资源，涌现出一大部分新型发电方式，包括水力发电、潮汐发电、风力发电以及太阳能发电。其中，太阳能是一种广泛存在的可再生资源，“投射到地面上的太阳能一年中仍高达1.05×10kw/h，相当于1.3×106亿吨标煤，其中我国陆地面积每年接收的太阳辐射能相当于2.4×104亿吨标煤”[1]。太阳能发电包括太阳能光发电和太阳能热发电，其中光发电是直接将太阳辐射能转化为电能，热发电是先将太阳辐射能转化为热能，再将热能转化为电能。光伏发电是太阳能光发电的一种，因其安装容易，维护简单，已经被广泛应用在居民住房、交通照明、通讯通信等领域，同时，采用分布式光伏发电将会使场用电率大大降低。
一.分布式光伏发电的原理及现实生活中的应用
分布式光伏发电，分布式表明这种发电方式不再像火力发电或者水力发电集中于某一地点，而是在用户建筑附近搭建发电系统，采用自用自足、多余电量上网的方式，这种方式可以就地取材、因地制宜，充分利用太阳能量，可以缓解供电紧张、减少不可再生资源的消耗并且减少对环境的污染。光伏发电的基础就是利用半导体等特殊材料，通过光生伏特效应将太阳辐射能转化为可直接使用的电能。接下来以单晶硅为例，介绍光伏发电的原理。
图1 P-N结中光生伏特效应的原理图
如图1所示，在一块完整的单晶硅中掺杂少量的磷元素和硼元素，可以形成P-N结。当P-N结处于热平衡时，在结内形成一个由N指向P的电场，称为内电场。当太阳光照射到P-N结表面时，P-N结会吸收光子并产生光生载流子，P区产生的光生电子以及N区产生的光生空穴会逐渐对向漂移，穿过内电场并积累，将会导致在N区积累光生电子，在P区积累光生空穴，产生一个与内电场方向相反的外电场，于是有结电流产生，实现了将光能转化为电能。
在实际生活中的光伏发电设施按着储电方式分为带蓄电池的和不带蓄电池的发电系统，带有蓄电池的系统可以根据需要决定是否接入到电网，具有储备电能的能力，可以作为备用电源；不带蓄电池的系统只能将电能直接使用或者传输到公共电网中，没有可调度性。不带蓄电池的分布式光伏发电供电系统结构图如图2所示。
图2 不带蓄电池的分布式光伏发电系统结构图
如图2所示，分布式光伏发电系统包括光伏组件、光伏汇流箱、光伏逆变器和光伏并网柜，光伏组件方阵通过光生伏特效应产生电能，产生的电能不经过蓄电池，通过逆变器将产生的直流电转换成交流电，输入到公共电网。
目前，国家大力支持分布式光伏发电系统，“优先支持在电价较高的企业和工业园区建设大型的分布式光伏发电项目，积极支持在党政机关、学校、医院和居民社区等建设小型的分布式光伏发电项目”[2]。由于搭建分布式光伏发电设施话费昂贵，成为阻碍光伏发电产业前行的重要阻力。为了推进节能减排和能源结构优化升级，带动新兴光伏产业发展，各省市纷纷出台补贴政策，例如上海市分布式光伏补贴为工商用户为0.25元/千瓦时，个人用户为0.4元/千瓦时，连续补贴5年；安徽省将享受0.27元/千瓦时的补助，连续补贴15年。仅2017上半年，新增的光伏发电装机2440万千瓦，全国光伏发电电量为518亿千瓦时，同比增长75%。我国光伏产业光伏发电装机量和发电量均居世界第一，是我国新能源发展的重要方向。随着科技的进步，光伏发电系统的生产建设成本将会进一步降低，将会有更多的光伏发电设施走入寻常百姓家中，这对环境保护，改善能源结构实现可持续健康发展具有重要意义。
二.分布式光伏在降低电场场用电率中的作用及影响
（一）影响电场场用电率的主要因素及结果
场用电率是用来表征发电场工程建设的指标，场用电率越小，表明发电场的发电效率越高。在英国、德国等发达国家的场用电率一般要求在5%以下，在我国，由于科技水平以及机器设备相比发达国家还有一定差距，所以电场场用电率在6%左右。在火力发电场中的自用电量主要有：火力发电机的消耗、降温系统的消耗以及防漏电等安全系统的消耗；在风力发电场中的自用电消耗主要有风力发电机自用点、传输线路的消耗以及变压器的消耗；在分布式光伏发电中，自用电消耗主要是光伏逆变器和并网柜上电量消耗，以及散热系统和传输线路的消耗。为了使电场场用电率降低，一般采用下列几种办法：第一，在满足安全运行的原则下，可以适当减少辅助机组的运行，来达到降低场用电率的目的；第二，减少设备的开关次数，延长设备的工作时间，因为在设备开启时消耗的能量远远大于设备正常工作时的耗电量，并且频繁开启设备，会导致设备寿命减少；第三，保证各个设备之间的性能、容量相匹配，使系统处于最佳工作状态，也可以达到减少场用电率的效果。第四，在散热系统方面，采用实时传感技术，使得只有当发电设备需要降温时才开启散热功能，保证物尽其用，减少不必要的消耗。
（二）分析采用分布式光伏发电的电场场用电率
对于分布式光伏发电来说，影响场用电率的主要因素就是光伏逆变器和并网柜的消耗。将光伏发电与传统的火力发电和水力发电相比，光伏发电的发电过程是通过半导体材料自发的吸收光能实现的，光伏组件不需要外加的能量来驱动，这与后两种发电方式相比，省去了驱动发电设备的能量，同时光伏发电也无需散热系统来给发电设备进行散射；另外，光伏发电的传输距离相对较短，且光伏发电产生的电压较低，这就使得光伏发电在传输过程的电量损耗也相对较低。以上几点，使得光伏发电的自用电消耗大大减少，与火力发电和水力发电的自用电消耗相比几乎可以忽略，虽然前者的总发电能量相比后者要小，但是其自用电量更小，这就使得前者的场用电率远小于后者。另外，采用分布式光伏发电带来了一个好处，就是分布式光伏发电一般实现的是自发自用，解决了远距离传输电的难题，大大减少了电量在运输中的消耗。所以，采用分布式光伏发电可大大降低电场场用电率。
结语
随着全球资源压力增大，对清洁能源、节能保护的可持续发展要求越来越高。在这种潮流下，分布式光伏发电被认为是提高电力系统可靠性和灵活性、降低能耗、节省成本的主要方式之一[3]，将会改善现有的能源结构，促进新型光伏产业的发展，同时缓解了偏远地区供电不足和电能远距离传输的问题。同时，分布式光伏发电减少了自用电消耗进而降低了电场场用电率，提高了能量的利用率，将有利于人类社会的长久发展。
参考文献：
[1]于磊,许丽丽,周鑫.分布式光伏发电对配电网的影响及对策[J].华北电力技术,2013(10):13-17.
[2]吴琦.分布式光伏发电:中国光伏产业可持续发展的有效途径[J].中国电力教育,2013(36):197-198.
[3]王宝石,宋颖,陈向羽.分布式光伏发电的应用及影响研究[J].电气开关,2012,50(2):95-98.
论文作者:镇红军
论文发表刊物:《电力设备》2017年第20期
论文发表时间:2017/11/16
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