第一节 碳中和加速新能源快速发展一、碳中和加速新能源快速发展
2019年初,在世界范围的金融危机逐渐消退，哥本哈根会议以及各国能源新政的不断推出，在经过了2009年下半年的休养生息之后，光伏产业基本恢复了元气，并在迎接一个更加健康和理性的未来。今年全球太阳能的安装产值预期增长22%，预计全球太阳能安装量将达到7107MW。在这样的大背景下,中国光伏产业在生产制造环节、贸易、统集成环节都出现了更加积极、健康的局面.有关数据现实，2010年中国光伏电站的装机容量有望实现2～3倍的增长，但是于此同时依然面对瓶颈。
1.中国碳中和定义见图8-1。今年的政府工作报告将“扎实做好碳达峰、碳中和各项工作”列为重点工作之一。报告指出，制定2030年前碳排放达峰行动方案，优化产业结构和能源结构，大力发展新能源。
图1 碳中和定义
2.国外芬兰确认在2035年，瑞典、奥地利、冰岛等国家在2045年实现净零排放；英国、挪威、加拿大、日本等将碳中和的时间节点定在2050年。一些发展中国家如智利，也计划2050年实现碳中和。
3.碳中和与新能源的结合在关键技术、市场机制、政策保障等方面都将呈现多样化发展。
技术方面。既包括储能、氢能、CCUS（碳捕集、利用与封存）等关键环节技术，也包括高比例新能源下电力系统安全稳定运行、综合能源耦合互补等系统性技术。
市场方面。既包括能够支撑新能源高效消纳的辅助服务市场、现货市场、容量市场、多能协同交易市场等能源电力市场机制，也包括能够有效将碳排放外部成本内部化的碳交易市场机制。
政策方面。既包括科学有效地将国家的碳达峰与碳中和下沉至各省市、各行业的纵向目标分解政策，也包括统筹规划新能源、P2X（电转其他能源或化工产品）、碳循环利用等清洁低碳产业链的横向产业培育政策。
二、碳中和全景图碳中和全景图见图8-2，实现碳中和的关键在于使占85%碳排放的化石能源实现向清洁能源的转化。
（1）非化石能源的占比将从2020年的16.4%提升至2030年的26%，甚至2060的100%。
（2）预计2020至2030年十年间，我国能源消费将增长20%，非化石能源将是增量的主要贡献。
（3）非化石能源中光伏风电潜力最大。
（4）煤炭石油天然气消耗总量将于25年、30年、40年达峰。
图2 碳中和全景图
三、碳中和实现路径碳中和实现路径见图8-3，碳中和的实现路径主要包括：电力生产清洁化、发展氢能源、交通和工业的电动化、氢能化和碳捕捉四个方面。我们预测2060年中国将有以下变革：
1）借助光伏风电装机，电力完全脱碳。
2）氢能源实现完全商业化。
3）钢铁建材交通等行业将大规模电力化和氢能化改造。
4）碳捕捉是实现雄为目标的关键。
图3 碳中和实现路径
四、碳中和加速新能源快速发展，对储能提出更高的要求1．“可再生能源+储能”为推动能源革命和清洁低碳发展，“十四五”可再生能源装机规模将实现跨越式发展，已成为能源行业的共识，成为支撑可再生能源稳定规模化发展的关键。
2．新能源汽车促进储能产业迅速发展得益于良好的政策扶持，我国新能源汽车产业发展迅速，也带动了储能用电池技术的进步，我国储能产业化发展基础也已形成。当前，储能作为支撑新能源跨越式发展的战略性新兴产业被首次提出，产业配套协同发展的趋势显著，新经济形势下需要以储能为支撑构建新经济增长点，为我国经济社会发展提供支持
3．电力市场化释放储能应用空间随着电力市场化改革深入，市场规则开放了储能参与市场的身份，相应规则面向储能予以调整，辅助服务市场内各类服务和需求响应机制成为储能获取额外收益的重要平台
五、碳中和加速新能源快速发展，氢能可能是碳中和的最终解决方案碳中和最终解决方案见图8-4，实现能源最终的能源碳中和必须在非电领域推动新的技术发展和应用，目前来看主要有三个解决方案，分别是氢能源、碳捕捉和生物质。
1）氢能与新能源结合位于兰州新区的全球首个“液态太阳燃料合成示范项目”
2）所谓“液态阳光”就是把太阳能和风能发出来的电，通过制氢变成氢，然后氢再跟二氧化碳合成甲醇。
3）尤其是对西部地区可再生能源高效利用、储存消纳可再生能源具有重要的现实意义”。
图4 碳中和最终解决方案
第二节 光伏产业发展现状中国作为目前世界上经济发展最迅速的经济体，在光伏发电领域的技术和应用只是处于世界的下游水平。其中的主要原因是国内还没有掌握电池所需要的多晶硅提纯技术，该技术被国外的大企业所垄断，因而国内生产太阳能光伏电池的成本很高。光伏发电的成本是一般发电成本的数倍，也因此造成无法广泛普及。
我国光伏产业快速发展，已形成较为完整的光伏制造产业体系。当前的主要问题是：产能严重过剩，市场过度依赖外需，企业普遍经营困难。
光伏产业是战略性新兴产业。发展光伏产业对调整能源结构、推进能源生产和消费方式变革、促进生态文明建设具有重要意义。我国光伏产业当前遇到的困难，既是产业发展面临的严峻挑战，也是促进产业调整升级的契机，特别是光伏发电成本大幅下降，为扩大国内市场提供了有利条件。要按照创新体制机制、完善政策措施、扩大消费市场、规范市场秩序、推进产业重组、降低发电成本的思路，统筹兼顾、综合施策，着力提升产业竞争力。
第三节 光伏建筑一体化(BIPV)创新方向一、特点1．优点1）绿色能源
太阳能光伏建筑一体化产生的是绿色能源，是应用太阳能发电，不会污染环境。太阳能是最清洁并且是免费的，开发利用过程中不会产生任何生态方面的副作用。它又是一种再生能源，取之不尽，用之不竭。
2）不占用土地
光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上，无需额外占用土地，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要；夏天是用电高峰的季节，也正好是日照量最大、光伏系统发电量最多的时期，对电网可以起到调峰作用。
3）太阳能光伏建筑一体技术采用并网光伏系统
不需要配备蓄电池，既节省投资，又不受蓄电池荷电状态的限制，可以充分利用光伏系统所发出的电力。
4）起到建筑节能作用
光伏阵列吸收太阳能转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，所以也可以起到建筑节能作用。因此，发展太阳能光伏建筑一体化，可以“节能减排”。
2．缺点虽然太阳能光伏建筑一体化有高效、经济、环保等诸多优点，并已在世博场馆和示范工程上得以运用，但光伏建筑还未进入寻常百姓家，成片使用该技术的民宅社区并未出现。这是由于太阳能光伏建筑一体化存有几大问题
1）造价较高
太阳能光伏建筑一体化建筑物造价较高。一体化设计建造的带有光伏发电系统的建筑物造价较高，在科研技术方面还有待提升。
2）成本高
太阳能发电的成本高。太阳能发电的成本是每度2.5元，比常规发电成本每度1元翻倍。
3）不稳定
太阳能光伏发电不稳定，受天气影响大，有波动性。这是由于太阳并不是一天24小时都有，因此如何解决太阳能光伏发电的波动性，如何储电也是亟待解决的问题。
二、建筑设计1．光伏组件性能作为普通光伏组件，只要通过IEC61215的检测，满足抗130km/h(2，400Pa)风压和抗25mm直径冰雹23m/s的冲击的要求。用做幕墙面板和采光顶面板的光伏组件，不仅需要满足光伏组件的性能要求，同时要满足幕墙的三性实验要求和建筑物安全性能要求，因此需要有更高的力学性能和采用不同的结构方式。例如尺寸为1200mm×530mm的普通光伏组件一般采用3.2mm厚的钢化超白玻璃加铝合金边框就能达到使用要求。但同样尺寸的组件用在BIPV建筑中，在不同的地点，不同的楼层高度，以及不同的安装方式，对它的玻璃力学性能要求就可能是完全不同的。南玻大厦外循环式双层幕墙采用的组件就是两块6mm厚的钢化超白玻璃夹胶而成的光伏组件，这是通过严格的力学计算得到的结果。
2．美学要求BIPV建筑首先是一个建筑，它是建筑师的艺术品，就相当于音乐家的音乐，画家的一幅名画，而对于建筑物来说光线就是他的灵魂，因此建筑物对光影要求甚高。但普通光伏组件所用的玻璃大多为布纹超白钢化玻璃，其布纹具有磨砂玻璃阻挡视线的作用。如果BIPV组件安装在大楼的观光处，这个位置需要光线通透，这时就要采用光面超白钢化玻璃制作双面玻璃组件，用来满足建筑物的功能。同时为了节约成本，电池板背面的玻璃可以采用普通光面钢化玻璃。
一个建筑物的成功与否，关键一点就是建筑物的外观效果，有时候细微的不协调都是不能容忍。但普通光伏组件的接线盒一般粘在电池板背面，接线盒较大，很容易破坏建筑物的整体协调感，通常不为建筑师所接受，因此BIPV建筑中要求将接线盒省去或隐藏起来，这时的旁路二极管没有了接线盒的保护，要考虑采用其他方法来保护它，需要将旁路二极管和连接线隐藏在幕墙结构中。比如将旁路二极管放在幕墙骨架结构中，以防阳光直射和雨水侵蚀。
普通光伏组件的连接线一般外露在组件下方，BIPV建筑中光伏组件的连接线要求全部隐藏在幕墙结构中。
3．结构性能配合在设计BIPV建筑时要考虑电池板本身的电压、电流是否方便光伏系统设备选型，但是建筑物的外立面有可能是一些大小、形式不一的几何图形组成，这会造成组件间的电压、电流不同，这个时候可以考虑对建筑立面进行分区及调整分格，使BIPV组件接近标准组件电学性能，也可以采用不同尺寸的电池片来满足分格的要求，以最大限度地满足建筑物外立面效果。另外，还可以将少数边角上的电池片不连接入电路，以满足电学要求。
4．利用太阳能太阳能为保护环境创造了有利条件，于是许多建筑学家巧妙利用太阳能建造太阳能建筑。
1）太阳能墙
美国建筑专家发明太阳能墙，是在建筑物的墙体外侧装一层薄薄的黑色打孔铝板，能吸收照射到墙体上的80%的太阳能量。被吸入铝板的空气经预热后，通过墙体内的泵抽到建筑物内，从而就能节约中央空调的能耗。
2）太阳能窗
德国科学家发明了两种采用光热调节的玻璃窗。一种是太阳能温度调节系统，白天采集建筑物窗玻璃表面的暖气，然后把这种太阳能传递到墙和地板的空间存储，到了晚上再放出来；另一种是自动调整进入房间的阳光量，如同变色太阳镜一样，根据房间设定的温度，窗玻璃或是变成透明或是变成不透明。
3）太阳能房屋.
德国建筑师塞多。特霍尔斯建造了一座能在基座上转动跟踪阳光的太阳能房屋。该房屋安装在一个圆盘底座上，由一个小型太阳能电动机带动一组齿轮，使房屋底座在环形轨道上以每分钟转动3厘米的速度随太阳旋转。这个跟踪太阳的系统所消耗的电力仅为该房太阳能发电功率的1%，而该房太阳能发电量相当于一般不能转动的太阳能房屋的两倍。
三、分类根据光伏方阵与建筑结合的方式不同，太阳能光伏建筑一体化可分为两大类：
第一类是光伏方阵与建筑的结合。这种方式是将光伏方阵依附于建筑物上，建筑物作为光伏方阵载体，起支承作用。
第二类是光伏方阵与建筑的集成。这种方式是光伏组件以一种建筑材料的形式出现，光伏方阵成为建筑不可分割的一部分。
光伏方阵与建筑的结合（即第一类）是一种常用的形式。2008年奥运会体育赛事的国家游泳中心和国家体育馆等奥运场馆中，采用的就是光伏方阵与建筑结合的太阳能光伏并网发电系统，这些系统年发电量可达70万千瓦时，相当于节约标煤170吨，减少二氧化碳排放570吨。
四、结合方式根据光伏方阵与建筑结合的方式不同，太阳能光伏建筑一体化可分为两大类：建筑与光伏器件相结合和建筑与光伏系统相结合。
1.与建筑结合建筑与光伏的进一步结合是将光伏器件与建筑材料集成化。一般的建筑物外围护表面采用涂料、装饰瓷砖或幕墙玻璃，目的是为了保护和装饰建筑物。如果用光伏器件代替部分建材，即用光伏组件来做建筑物的屋顶、外墙和窗户，这样既可用做建材也可用以发电，可谓物尽其美。对于框架结构的建筑物，可把其整个围护结构做成光伏阵列，选择适当光伏组件，既可吸收太阳直射光，也可吸收太阳反射光。目前已经研制出大尺度的彩色光伏模块，可以实现以上目的，使建筑外观更具魅力.
2.与光伏系统与建筑相结合的光伏系统，可以作为独立电源或者以并网的方式供电当系统参与并网时，可以不需要蓄电池。但需要与电网的装置，而与并网发电是当今光伏应用的新趋势。将光伏组件安装在建筑物的屋顶或外墙，引出端经过控制器与公共电网相连接需要向光伏阵列及电网并联向用户供电，这就组成了并网光伏系统。
第四节 光伏直流微网一、直流微电网拓扑结构图8-5示意了一种适用于未来智能家庭、商业楼宇，以及工业园区的典型直流微电网结构，系统内可包含光伏、风电等间歇性分布式电源，微型燃气轮机和燃料电池等可控型分布式电源，电池储能、飞轮或超级电容等储能单元以及本地交/直流负荷。若直流微电网可与外部交流电网互联，则可通过双向DC-AC变流器接入交流系统。
在未来直流微电网中，为进一步提高直流系统供电灵活性和可靠性，以适应不同电压等级分布式电源、储能系统及负荷接入，可采用双极性三线制结构。根据中线的出线形式不同，双极性三线制供电系统主要如图8-6所示，其中直流系统与交流系统互联端口采用两个相同容量的双向DC-AC变流器（如图8-6a所示），或者直流系统中两个储能单元通过DC-DC变流器(如图8-6b所示)，两者共用一极直流母线，实际上直流系统内部为两个独立供电回路，可靠性较高，但需要两套全功率电力电子变流装置，成本更高。图8-6c中，通过在直流母线电容中点引出中线，在正负极间分布式电源或负荷不平衡的情况下，如果采用具有中点电位平衡功能的三电平中点箱位式DC-AC变流器(neutral point clamped converterNPC尸)]，则可以保证直流正负母线电压平衡，但对于常规两电平DC-AC或独立直流微电网来说，则无法实现直流正负极母线电压对称。为解决上述问题，直流微电网可通过如图图8-6d所示电压平衡器构成双极三线制系统。电压平衡器的应用不受直流微电网运行模式(并网运行或独立运行)的限制，可以灵活地并入DC-AC或DC-DC变流器的输出端口;同时直流微电网的直流母线电压控制(如并网时由DC-AC来控制，独立运行时由储能DC-DC来控制)和正/负极电压平衡控制(由电压平衡器来控制)两者完全解藕，相比图8-6c所示采用NPC拓扑的直流微电网，控制更加灵活，可靠性更高。
图5 典型直流微电网结构图
图6 直流系统双极性三线制供电结构
二、直流微电网应用场景微网应用主要适用海岛、偏远乡村、经常停电的场景，光储系统独立或者光储系统与柴发共同组成供电系统给负载供电。
1.光储给负载供电光储给负载供电如图8-7所示，适用于无电网的场景，PV和电池及负载组成离网微电系统，PV电池发出的能量供给负载使用，余能存储于电池中，待PV能量不足或夜间时，由储能给负载供电。
图7 光储给负载供电
表1
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2.光储与柴发结合给负载供电光储与柴发结合给负载供电如图8-8所示，适用于无电网场景，PV和电池及柴发和负载组成离网微网电网系统，PV发电能量供给负载使用，余能存储于电池中，待PV能量不足或夜间是，先由电池给负载供电，电池存储的能量全部放出后，由柴发给负载供电。
图8 光储与柴发结合给负载供电
三、直流微电网保护设备熔断器和直流断路器是直流微电网中常见的两种保护设备。其中熔断器是过电流继电保护装置与开断装置合为一体的开关设备，根据电流超过规定值一段时间后，以其自身产生的热量使熔体熔化，从而断开电路。熔断器的选择主要依据负载的保护特性和短路电流的大小选择熔断器的类型。熔断器具有结构简单、使用方便、价格低廉等优点，在低压系统中广泛被应用。
直流断路器根据电流开断方式不同，主要有机械式直流断路器、固态直流断路器和基于二者结合的混合式直流断路器。机械式直流断路器主要由交流断路器和RLC元件构成的辅助振荡回路组成，借助辅助振荡回路人为产生过零点。机械式直流断路器通态损耗低，但快速切断故障电流能力不强(目前最快仍需要数十毫秒)。近年来，完全由可控型半导体器件构成的直流固态断路器，以数毫秒级分断能力、无触点、分断不产生电弧等优点受到广泛关注。与机械式直流断路器相比，固态直流断路器切除故障电流速度更快，但通态损耗相对较大、成本较高。混合式直流断路器用快速机械开关导通正常运行电流，固态电力电子装置开断短路电流，有效地结合机械式断路器通态损耗小、固态断路器开断速度快等优点。未来，随着半导体器件的快速发展和成本的降低，固态直流断路器和混合式直流断路器将会在直流微电网和直流配用电系统中得到应用。
对于直流微电网，多分段或多端复杂直流微电网来说，具有快速开断直流故障电流和隔离故障功能的直流断路器对保证系统的安全可靠运行是至关重要的。因此如何提高直流断路器的开断速度和开断容量是研发直流断路器所面临的主要挑战。
直流微电网中直流母线处通常含有较大容量的母线电容。极间故障时，母线电容的瞬时放电造成的瞬态短路冲击电流可能会导致系统中直流断路器的误动作，从而导致保护系统的选择性丧失、过多分布式电源或负荷等设备的断电和保护设备相互协调能力的降低等后果。为避免出现过大的瞬时短路电流和减少直流断路器的误动作，可采用故障限流装置与直流断路器进行配合。
四、直流微电网展望未来直流微电网关键技术发展方向展望如下：
1）目前分布式电源、储能单元及交直流负荷等均通过常规电力电子装置接入直流微电网，普遍存在功能单一和不具备即插即用等问题，研发更加高效可靠，以及模块化、智能化的即插即用型多功能变流器接口或电能交换器[}9}-9a]将是值得工业界和学术界深入探索的研究方法。
2）为应对高密度分布式能源和多元负荷接入交直流混合微电网，如何综合考虑系统网架结构设计、源一网一荷一储优化配置及运行与规划紧密藕合等因素，是未来交直流混合微电网优化规划方向的重要课题。
（3）在运行控制方面，如何提高设备级控制系统的鲁棒自治性能以及系统级控制系统的可靠性、灵活性和可扩展性，且能综合协调运行控制技术和智能保护技术，是未来直流微电网能量管理和运行控制系统重要的理论研究和技术发展方向。
（4）在直流微电网保护技术方面，研发具备更J决开断速度、更高开断容量以及更高效可靠的直流断路器;基于故障限流的新型直流配用电保护技术等，均是值得探索的前沿课题。
第五节 光伏电站投资建设瓶颈规划中的光伏电站比较多的集中在阳光充沛的西部边远地带,比较容易实现高压并网之后的跨区电力交易和输送,也比较容易获得地方政府支持.但是结合当前大量风电电站因无法并网而限制的现实,今后光伏电站降面临同样并网的问题,主要原因有以下几个方面:
各个投资主体计划中的光伏电站布局规划不协调,增加并网成本,甚至短期之内无法并网；电网安全问题有待解决,例如电网的调峰\调频能力；电网企业未能按照第五条要求,建设可再生能源发电项目的接入系统工程,加大了发电企业的建设成本；电网企业在收购电量时,存在减少发电企业的上网电量,压低上网价格,强行分摊损耗,不按期或者不足额支付电费等问题,严重影响电站的运营收益。
第六节 光储技术应用我国光储项目以技术示范和模式验证为主。项目应用主要分为：集中式光储和分布式光储。
一、集中式光储主要是储能与”三北”地区的大型光伏电站相结合，实现削峰填谷，跟踪计划出力，提供电网支撑和平抑波动等功能，项目主要分布于青海、河北、甘肃、新疆等地区。
二、分布式储能应用场景多样，储能主要用于节省用户电费支出、参与需求响应、提高光伏自发自用水平、替代电缆铺设/减少柴油发电等。项目主要分布在青海、西藏、甘肃、江苏、浙江等地区，主要是解决当地用电困难问题。
华能集团2017年12月投运的青海格尔木光伏+储能电站，是中国首座规模最大的商业化光储电站，采用铅炭电池、磷酸铁锂电池，探索和应用了一种分布式直流侧光伏储能技术。
国电投黄河水电公司于2018年6月投资运营的青海共和多能互补验证项目，采用四种不同电池对储能系统的电池特性、容量配比、系统匹配以及控制进行研究，并对水光储互补协调运行模式进行了验证。国网浙江省电力公司2018年6月投运的南麂岛微网示范工程项目，采用磷酸铁锂电池和超级电容，该项目是全国建成的首个离网型兆瓦级智能电网项目，为离网型海岛供电范本。
协合新能源西藏乃东20MW光伏电站+5MWh储能电站项目顺利并网。采用锂电池技术，海拔最高的容量最大的储能电站，也是到目前为止海拔最高的梯次利用的储能电站。
湖北枣阳平凡瑞丰10MW光伏+10MW/40MWh全钒液流电池储能项目首期3MW光伏+3MW/12MWh储能项目竣工投运，该项目是目前国内最大规模的全钒液流电池光储用一体化项目。
第七节 光储能未来发展一、光伏+储能是未来发展趋势太阳能发电可实现零碳排且没有附加成本。储能技术可提供备用电源、调频和其他电网服务将二者结合可实现夜间的持续供电，增加可用发电时间内的产出，提高电网灵活性。在分布式社区和屋顶系统中，太阳能和储能技术的结合可减少配电网压力，推迟或减少基础设施投资。在宏观层面上，储能和太阳能发电可在无需做出重大改变的情况下提高太阳能设施普及率，从而减少碳排放。光伏和储能构建智能微电网，可以提升新能源渗透率和消纳能力，更好的满足用户多样性需求，实现精准供能，还可以减少用电偏差，提高考核收益。而在户用电站加入储能，可以减少用户对电网的依赖，用电更加自由化。
二、光储未来发展光伏+储能发展将相辅相成，储能在能源市场的“刚需”身份在逐步的确定，展望光储未来发展，业界人士认为光储应用未来可期，预计在光伏+储能系统应用将大放异彩。大电网中的渗透率将逐渐扩大;多参与电力交易、电网调度、调频调峰;基于光储充的家庭智能用电、智慧能源社区将日趋。光伏+储能应用将在未来能源领域扮演重要的角色，预计未来将有更多的企业布局这一领域。
