太陽能發(fā)電-光伏和光熱

太陽能發(fā)電—光伏和光熱

一、光伏發(fā)電與光熱發(fā)電1、光伏發(fā)電與光熱發(fā)電的定義

光伏發(fā)電是利用太陽能電池技術(shù)，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；而光熱發(fā)電是將太陽能聚集，通過換熱裝置提供蒸汽，進而驅(qū)動汽輪機發(fā)電的技術(shù)。

太陽能發(fā)電利用的兩大技術(shù)流派，引發(fā)了業(yè)界關(guān)于光伏與光熱“孰優(yōu)孰劣〞之爭。光熱派認為，相信光熱發(fā)電甚至事關(guān)“中國崛起〞，光伏派那么堅稱“10年內(nèi)光熱還不具備和光伏競爭的能力〞。

2、光伏發(fā)電與光熱發(fā)電的優(yōu)缺點比較1〕光熱發(fā)電的儲存量和穩(wěn)定性、連續(xù)性以及質(zhì)量都優(yōu)于光伏發(fā)電；2〕光伏發(fā)電雖然是一個新能源產(chǎn)業(yè)，但它的上游如多晶硅的生產(chǎn)卻存在著污染事實；另外，光熱發(fā)電更方便和目前國內(nèi)的電網(wǎng)對接，因為其發(fā)電原理和火力發(fā)電的原理相似，未來將是火電的最正確替代對象，而光伏發(fā)電是利用多晶硅電池等載體把光能轉(zhuǎn)化成電能，這對傳統(tǒng)電網(wǎng)的調(diào)控能力考驗很大。

3〕而在一些“光伏派〞看來，光熱的本錢問題是其致命傷。“搞光熱發(fā)電很難算出它的本錢，首先，光熱發(fā)電站的幾百面甚至上千面聚光鏡，每天沖著太陽轉(zhuǎn)，風吹日曬，要經(jīng)常清洗，否那么反光率會下降；其次，如果其中有聚光鏡壞了，這個本錢不是初期投資的本錢，是運營中算不出來的；第三，光熱發(fā)電燃氣輪機也要進行后期維護，需要大量的水源，如果電站建在沙漠地區(qū)，水源也是一大難題。〞

對此，從長遠來看，光熱發(fā)電無疑是一大開展趨勢，但是由于目前相關(guān)技術(shù)、政策等都無法確切具體地落實，市場也沒有真正規(guī)模化，在相當一段時間內(nèi)還無法與光伏發(fā)電匹敵。

二、光伏發(fā)電

利用太陽光發(fā)電是人類夢寐以求的愿望。從二十世紀五十年代太陽能電池的空間應用到如今的太陽能光伏集成建筑，世界光伏工業(yè)已經(jīng)走過了近半個世紀的歷史。90年代以來，太陽能光伏發(fā)電的開展很快，已廣泛用于航天、通訊、交通，以及偏遠地區(qū)居民的供電等領(lǐng)域，近年來又開辟了太陽能路燈、草坪燈和屋頂太陽能光伏發(fā)電等新的應用領(lǐng)域。1、太陽能光伏發(fā)電的開展歷史

2、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成一套根本的太陽能發(fā)電系統(tǒng)是由太陽電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池構(gòu)成：〔一〕太陽能電池板：太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心局部，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的局部。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。一般根據(jù)用戶需要，將假設干太陽電池板按一定方式連接，組成太陽能電池方陣，再配上適當?shù)闹Ъ芗敖泳€盒組成?！捕程柲芸刂破鳎禾柲芸刂破鞯淖饔檬强刂普麄€系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開關(guān)、時控開關(guān)都應當是控制器的可選項。〔三〕蓄電池：其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。〔四〕逆變器在很多場合，都需要提供220V、110V的交流電源。由于太陽能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220VAC的電器提供電能，需要將太陽能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。

在某些場合，需要使用多種電壓的負載時，也要用到DC-DC逆變器，如將24VDC的電能轉(zhuǎn)換成5VDC的電能。3、太陽能光伏發(fā)電優(yōu)缺點1〕太陽能光伏發(fā)電的主要優(yōu)點：(1)結(jié)構(gòu)簡單．體積小且輕。(2)易安裝，易運輸，建設周期短。(3)容易啟動,維護簡單,隨時使用,保證供給。(4)清潔，平安，無噪聲。(5)可靠件高，壽命長。(6)太陽能無處不有，應用范圍廣。(7)降價速度快，能量歸還時間有可能縮短。。2〕太陽能光伏發(fā)電的主要缺點：(1)能量分散，占地面積大。(2)間歇性大。除了晝夜這種周期變化外，太陽能光伏發(fā)電還常常受云層變化的影響。小功率光伏發(fā)電系統(tǒng)可用蓄電池補充，大功率光伏電站的控制運行比常規(guī)火電廠、水電站、核電廠要復雜。(3)地域性強。4、太陽能電池發(fā)電原理當光線照射太陽能電池外表時，一局部光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在Ｐ－Ｎ結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的的實質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。能產(chǎn)生光伏效應的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。太陽能電池發(fā)電原理圖5、光伏太陽能電池的分類光伏電池其他化合物電池單晶硅電池多晶硅電池非晶硅電池晶體硅電池薄膜電池銅銦鎵硒硫化隔硒銦銅碲化隔砷化鎵6、太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀1〕日本新型太陽能電池—雨天夜間也能發(fā)電日本岡山大學的研究人員最近開發(fā)出一種利用氧化鐵化合物制成的新型太陽能電池。該太陽能電池的吸光率是以往硅酮制太陽能電池的１００多倍。據(jù)岡山大學研究生院教授池田直介紹，除可見光外，這種太陽能電池還能夠吸收以往太陽能電池無法利用的紅外線發(fā)電。因為能夠產(chǎn)生熱量的物體都會發(fā)出紅外線，因此各種發(fā)熱設施都可能成為新型太陽能電池的發(fā)電來源，而且在雨天和夜間也能發(fā)電。制造這種新型太陽能電池的氧化鐵化合物呈粉末狀，可以薄薄地涂抹在作為媒介的金屬上，因此新型電池形狀更加多樣，而不僅是平板狀。池田直說，爭?。玻埃保衬曜屵@種新型電池到達實用水平，并把本錢降至每千瓦１０００日元〔約１３美元〕。2〕GreenSun公司研發(fā)出彩色太陽能電池彩色太陽能電池板是耶路撒冷綠光太陽能公司研發(fā)出的一種太陽能電池板，它能夠吸收太陽光光譜中不同顏色太陽光的光能，因此其在工作的時候可以不用正對太陽。并且能夠到達最高20%的轉(zhuǎn)換率，是目前市場上供給的普通太陽能電池板轉(zhuǎn)換效率的兩倍。它不需要太陽光的直接照射就能發(fā)電，只要整個環(huán)境是明亮的，它被安裝在哪個位置都成，甚至是在多云的天氣里，也能照常工作。英國?經(jīng)濟學家?雜志表示，綠光公司研制的彩色太陽能電池板轉(zhuǎn)換效率高，原因在于其電池板邊緣材料的不同。該雜志表示：“傳統(tǒng)的太陽能電池板首先由原材料制成薄片形狀，然后再在上面覆蓋上玻璃平板；而綠光公司生產(chǎn)的彩色太陽能電池板，只在玻璃平板的邊緣局部才覆蓋有細條形狀的硅材質(zhì)。這種做法能夠使照射到玻璃外表的太陽光擴散到電池板的邊緣局部，硅材料也能夠?qū)⑦@局部光能轉(zhuǎn)換成電能。〞報道還稱，綠光公司是通過在玻璃平板上覆蓋一層染料和某種納米金屬混合物來到達這一目的的，不過該公司不愿透露這種金屬的屬性。彩色太陽能電池板3〕36.9%-夏普創(chuàng)造太陽能電池效率新紀錄

日本夏普公司11月4日宣布，已成功研發(fā)出光電轉(zhuǎn)化率高達36.9%的太陽能電池，刷新了公司2021年創(chuàng)下的35.8%的世界紀錄。新成果可應用于人造衛(wèi)星等，預計2021年后投入實際使用。刷新紀錄的是夏普“化合物太陽能電池〞。該電池的特點是不使用硅，而是以銦、鎵等多種元素為材料，具有三層疊加的光吸收層。研究人員減小了電池各層結(jié)合處的電阻，成功提升了轉(zhuǎn)換率。

三、光熱發(fā)電典型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)由以下4局部組成：聚光集熱子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)、輔助能源子系統(tǒng)和汽輪發(fā)電子系統(tǒng)。(1)聚光集熱子系統(tǒng)

聚光集熱子系統(tǒng)包括聚光器、接收器和跟蹤裝置。聚光器：聚光器用于收集陽光并將其聚集到一個有限尺寸面上，以提高單位面積上的太陽輻照度，從而提高被加熱工質(zhì)的工作溫度。最常用的聚光方式有兩種，即平面反射鏡和曲面反射鏡。1、太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的組成

接收器：通過接收經(jīng)過聚焦的陽光，將太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽鬟f給工質(zhì)的部件。在這里，工質(zhì)被太陽輻射能加熱，變成過熱蒸汽，再經(jīng)管道送往汽輪機。

跟蹤裝置：為了使一天中所有時到的太陽輻射都能通過反射鏡面反射到固定不動的接收器上，反射鏡必須設置跟蹤機構(gòu)。太陽聚光器的跟蹤方式有兩種，即單軸跟蹤和雙軸跟蹤。從實現(xiàn)跟蹤的方式上講，有程序控制方式和傳感器控制方式兩種?！?〕蓄熱子系統(tǒng)

蓄熱系統(tǒng)在集熱器和汽輪發(fā)電機組之間提供一個緩沖環(huán)節(jié)〔蓄熱和放熱作用〕，保證機組穩(wěn)定運行。

因為太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在早晚和白天云逛間歇的時間內(nèi)，都必須依靠儲存的太陽能來維持正常運行。至于夜間和陰雨天，一般考慮采用常規(guī)燃料作輔助能源。目前、可采用的蓄熱方式有3種：顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學儲能。對不同的蓄熱方式，應選用相應不同的蓄熱材料?！?〕輔助能源子系統(tǒng)

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)除要配置蓄熱于系統(tǒng)外，還需配置輔助能源于系以維持電站能夠一直持續(xù)運行。

太陽能系統(tǒng)要求的蓄熱子系統(tǒng)容量太大，以致投資巨大。所以，在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中采用常規(guī)燃料作輔助能源，是個極為可取的方案。〔4〕汽輪發(fā)電子系統(tǒng)

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)用的動力發(fā)電裝置，可選用的有以下幾種：

①現(xiàn)代汽輪機；②燃氣輪機；③低沸點工質(zhì)汽輪機；④斯特林發(fā)動機。

整個系統(tǒng)出4局部構(gòu)成：聚光裝置集熱裝置蓄熱裝置汽輪發(fā)電裝置1〕塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成〔也稱集中型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)〕2、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)塔式太陽能熱動力發(fā)電的示意圖

塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理槽式拋物面反射鏡太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)(SEGS)簡稱槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，也稱分散型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由4局部組成；聚光集熱裝置：輔助能源裝置：蓄熱裝置：汽輪發(fā)電裝置：2〕槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成它是在地面挖一個球形大坑，坑壁貼上許多小反射鏡，使大坑成一個巨大的凹面半球鏡，它將太陽能聚焦到接受器，以獲得高溫蒸氣。試驗證實太陽坑發(fā)電的方案是可行的。3〕太陽坑發(fā)電技術(shù)太陽坑發(fā)電示意圖它是在一大片圓形土地上蓋滿玻璃，圓中心建一高大的煙囪，煙囪底部裝有風力透平機。透明玻璃蓋板下被太陽加熱的空氣通過煙囪被抽走，驅(qū)動風力透平機發(fā)電。4〕太陽能煙囪發(fā)電太陽能煙囪發(fā)電原理1〕西班牙建成年發(fā)電1.1億千瓦時的夜間太陽能發(fā)電站3、太陽能光熱發(fā)電現(xiàn)狀今年7月初，西班牙南部塞維利亞建造的太陽能光熱電站成功實現(xiàn)了24小時不間斷供電。這個太陽能電站擁有2650面定日鏡和185公頃(1.85平方公里)的占地面積，在200多個足球場大的土地上，將兩千多面巨大的鏡子按同心圓狀依次排開。據(jù)稱在夜間或沒有陽光的情況下，這個發(fā)電站儲存在熔鹽罐里的熱量也能持續(xù)發(fā)電15小時，因此每年至少可供電270天。

在此太陽能電站中，日光反射裝置聚焦所獲得的能量可以將熔鹽池加熱到900多攝氏度的高溫，從而產(chǎn)生蒸汽為發(fā)電渦輪機提供動力。不過，與其他所有太陽能電站不同的是，存儲于這些熔鹽池中的熱量持續(xù)釋放的時間可以超過15個小時，從而在整個夜間或沒有陽光的情況下也可以保證電站正常發(fā)電。

西班牙南部充足的光照意味著吉馬太陽能電站可以在大多數(shù)夜間都能夠通宵運轉(zhuǎn)，保證每年最少有270天都能夠全天候發(fā)電，這比其他可再生能源的效率要高出三倍以上。

吉馬太陽能電站工程是由托雷索爾能源公司負責興建，歷經(jīng)兩年時間完成建設任務。該電站預計年發(fā)電量為1.1億千瓦時，足以為安達魯西亞地區(qū)2.5萬個家庭供電。

定日鏡安裝有光線跟蹤系統(tǒng)，能像向日葵一樣跟隨太陽移動，將95%的太陽輻射會聚到位于中心的巨型集熱裝置上。西班牙南部塞維利亞建造的太陽能光熱電站

2〕麻省理工學院研究團隊的光熱發(fā)電思路

一個革命性突破是，麻省理工學院的研究團隊將傳統(tǒng)的聚焦蓄能裝置由高高的塔頂移到了地面，而將原本安裝在地面的反光鏡組轉(zhuǎn)移到了環(huán)形的山坡上。僅此一項，就大大地減少了建造、安裝和長期維護本錢。他們的裝置是將一個地面安裝的聚焦蓄能罐安裝在地下，其暴露在地面上的聚焦蓄能裝置將環(huán)形山坡上反光鏡組反射過來的光能轉(zhuǎn)換成熱能，通過一個狹窄的通道傳導到下面的儲能罐中，融解固態(tài)鹽使其液化。在液態(tài)鹽和固態(tài)鹽之間有一個浮動的格柵將它們分隔開來，有效地起到了保溫隔熱的效果。如果實踐證明它的可行性，它將帶來革命性的變革，它將幫助小的城鎮(zhèn)或社區(qū)供電，提供綠色、清潔、環(huán)保的新型能源。

這一新型創(chuàng)造大大地降低了本錢，使之能夠與傳統(tǒng)的礦物燃料相競爭。在最正確的情況下，麻省理工學院的開發(fā)團隊估計他們的“未來的聚焦太陽能發(fā)電〞系統(tǒng)的發(fā)