太陽能光伏發(fā)電技術(shù)綜述

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)綜述

0太陽能在綠色可持續(xù)發(fā)展中的應用前景廣闊21世紀，能源和環(huán)境的缺乏是制約人類社會可持續(xù)發(fā)展的兩個主要問題，特別是在中國。這是因為中國人口總數(shù)很大，技術(shù)總落后，人均資源總量無法達到世界平均水平。從世界范圍看,不斷增長的人口需要消費更多資源,常規(guī)化石能源(石油、天然氣和煤炭等)將在100年左右用盡,且不可再生。因此,依靠科技進步節(jié)能減排,開發(fā)利用可再生清潔能源成為一個全球性的緊迫課題。在綠色可再生能源中,太陽能首屈一指,因為太陽能來自太陽輻射,有取之不盡、用之不竭、總量巨大、可直接利用和對環(huán)境無害等顯著優(yōu)點。當然,太陽能也存在分散、不穩(wěn)定、利用效率低和成本高等嚴重缺點。盡管如此,世界上大多數(shù)國家認識到,一個可持續(xù)發(fā)展的社會必須立足于盡可能多地用清潔能源取代礦物能源,盡量減少污染物排放,保護環(huán)境。太陽能光熱利用技術(shù)是目前最成熟、普及率最高的太陽能技術(shù),如常見的太陽能生產(chǎn)熱水,太陽能采暖、制冷以及太陽能熱泵等。因此,從長遠來看,太陽能光熱利用技術(shù)和裝備的研發(fā)必然會越來越受到重視。本文從太陽能光熱利用的基本原理和系統(tǒng)組成的角度予以分析,以期對本領(lǐng)域的工作者有所啟迪。1太陽能熱泵供熱簡介太陽能光熱轉(zhuǎn)換是指特定裝備內(nèi)的工作物質(zhì)通過反射、吸收或其它方式把太陽輻射能集中起來,轉(zhuǎn)換為熱能,獲得足夠高的溫度,以滿足不同的需要。常見的太陽能光熱轉(zhuǎn)換設備有太陽能熱水器、太陽灶、太陽能海水淡化器等,其中以太陽能熱水器最為典型,以下簡要論述之。太陽能熱水器是將太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能,把水從較低溫度加熱到較高溫度的一種光熱轉(zhuǎn)換裝置,是我國光熱利用最成功的領(lǐng)域。太陽能熱水器按集熱器結(jié)構(gòu)不同,分為真空管式和平板式。目前,市面上以真空管式太陽能熱水器為主,約占國內(nèi)市場份額的90%。太陽能熱水器由集熱器、控制器、保溫水箱、連接管路及支架等附件組成。集熱器把太陽能轉(zhuǎn)換成熱量,傳遞給水,水溫升高,熱水儲存到保溫水箱里,達到生產(chǎn)熱水的目的。在太陽能光熱轉(zhuǎn)換設備中,當前應用最廣、技術(shù)最成熟、經(jīng)濟指標最好的就是太陽能熱水器。我國雖已成為世界上最大的光熱產(chǎn)品市場和太陽能集熱器制造中心,但太陽能熱水器普及率還不高,發(fā)展?jié)摿薮蟆?.1太陽能熱泵保溫系統(tǒng)真空管式太陽能熱水器的基本原理是,陽光穿過吸熱管的外層玻璃照到內(nèi)層玻璃的深色吸熱涂層上,將太陽光能吸收并轉(zhuǎn)化成熱量,由于兩層玻璃之間是真空絕熱的,熱量不能向外散失,只能傳給玻璃管里的水,使之加熱,水溫升高,密度變小,沿著玻璃管受熱面向上流動進入保溫水箱,箱內(nèi)溫度較低的水沿著玻璃管背光面進入玻璃管補充,如此不斷循環(huán),使保溫水箱內(nèi)的水溫不斷升高,產(chǎn)生熱水。當前,國內(nèi)市場上最常見的是全玻璃太陽能真空集熱管。其結(jié)構(gòu)分為外管、內(nèi)管,在內(nèi)管外壁鍍有太陽光選擇性吸收涂層,這種涂層的制備是真空集熱管技術(shù)的關(guān)鍵,是獲得較高光熱轉(zhuǎn)換效率的基礎,如清華陽光采用磁控濺射沉積的鋁-氮-氧薄膜,其陽光吸收系數(shù)高達0.93。選擇性吸熱膜的沉積可采用常規(guī)電鍍、磁控濺射、真空蒸發(fā)、等離子噴涂以及溶膠-凝膠等鍍膜工藝。全玻璃太陽能集熱真空管一般用高硼硅3.3特硬玻璃制造。太陽能熱水器保溫水箱由內(nèi)膽、保溫層、外殼3部分組成。水箱內(nèi)膽是儲存熱水的容器,所用材料強度和耐腐蝕性十分重要,市場上有不銹鋼、搪瓷等材質(zhì)。保溫層保溫材料的質(zhì)量直接決定保溫效果,在寒冷季節(jié)尤為突出,較好的保溫措施是聚氨脂整體發(fā)泡工藝保溫。外殼一般為彩鋼板、鍍鋅鋼板或不銹鋼板。通過集熱管采集的熱水經(jīng)過保溫水箱儲存,防止熱量散失。太陽能熱水器的容量是指熱水器中可以使用的水容量,不包括真空管中不能使用的容量。對承壓式太陽能熱水器,其容量是指可發(fā)生熱交換的介質(zhì)容量。保溫水箱要求保溫效果好、耐腐蝕、抗沖擊、水質(zhì)清潔。支撐集熱器與保溫水箱的支架,要求結(jié)構(gòu)牢固、穩(wěn)定性好、抗風雪、耐老化和不易生銹,材質(zhì)一般為不銹鋼、鋁合金或鋼材噴塑。太陽能熱水器里的冷水先進入蓄熱水箱,然后通過集熱器將熱量輸送到保溫水箱。蓄熱水箱與室內(nèi)冷、熱水管路相連,形成一個閉合的循環(huán)回路。設計合理、安裝正確的太陽能管路對系統(tǒng)達到最佳工作狀態(tài)至為關(guān)鍵。在北方寒冷地區(qū),太陽能管路應做保溫處理,一般在管道外壁鋪設伴熱帶,以確保用戶在寒冷冬季用上太陽能熱水。一般家用太陽能熱水器需要自動或半自動運行,控制系統(tǒng)是必不可少的?？刂破鞯某Ｓ霉δ苁亲詣由纤?、水滿斷水并顯示水溫和水位,帶電輔助加熱的太陽能熱水器還有漏電保護、防干燒等功能。近年來,市場上有手機短信控制的智能太陽能熱水器出售,其價格較高,具有水位水溫查詢、故障報警、啟動上水、關(guān)閉上水、啟動輔助電加熱等功能,特別方便用戶使用。圖1是真空管式太陽能集熱器的原理圖和實物圖。真空管式太陽能熱水器的優(yōu)點是安全、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟實惠。帶輔助電加熱的太陽能熱水器,以太陽能光熱轉(zhuǎn)換為主、電加熱為輔,使太陽能熱水器全年全天候運行,環(huán)境溫度低時,效率仍然比較高。其缺點是體積較龐大、玻璃管易碎、管中容易結(jié)水垢、結(jié)冰,不能承高壓運行。1.2平板型太陽能熱泵平板型太陽能熱水器由平板集熱器、銅連接器、水箱、副水箱、支架循環(huán)管道、控制系統(tǒng)、輔助電加熱裝備等組成。平板集熱器是平板型太陽能熱水器的核心部件,它由集熱板熱管、透明蓋板、隔熱層和殼體4部分組成。集熱板熱管是由焊接在金屬管(如銅管等)上的帶深色涂層的吸熱板構(gòu)成,吸收太陽光能,把金屬管里的傳熱介質(zhì)加熱,傳熱介質(zhì)再把熱量傳遞給水。因此,平板型太陽能熱水器比真空管熱水器的熱效率低一些。有些平板型太陽能熱水器系統(tǒng)采用分體雙回路,需要加循環(huán)泵,但平板型太陽能熱水器產(chǎn)生的熱水水質(zhì)比真空管熱水器好,使用壽命更長。平板型太陽能熱水器的優(yōu)點為體積小、質(zhì)量輕、壽命長、故障少、安全性高、能承高壓運行、吸熱體面積大、易于和建筑物結(jié)合、耐無水空曬性強、熱性能穩(wěn)定等。其主要缺點是:由于集熱器內(nèi)部為非真空,保溫性能差,故環(huán)境溫度較低時集熱性能較差,采用輔助電加熱時相對耗電多;環(huán)境溫度低或要求出水溫度高時熱效率較低,如凍壞需更換整個集熱板。研究表明,在冬季不結(jié)冰的南方地區(qū)選用平板型太陽能熱水器,比玻璃真空管式熱水器有更好的熱性能和經(jīng)濟性。近年來,用泵驅(qū)動防凍液在平板集熱器及儲熱水箱的換熱器間循環(huán)換熱技術(shù),解決了平板太陽能熱水器中水的結(jié)冰、結(jié)垢及集熱器凍壞問題,使平板太陽能熱水器在我國北方寒冷地區(qū)也得到了大面積推廣使用。圖2為基于平板集熱器的太陽能熱水系統(tǒng)運行原理圖。平板型太陽能熱水器比真空管熱水器的成本高,目前在我國還不是主流產(chǎn)品,但近幾年市場需求呈現(xiàn)上升趨勢,尤其在高層住宅的陽臺式、壁掛式太陽能熱水器方面有獨特優(yōu)勢。從承壓性能、雙循環(huán)、熱利用效率以及與建筑物結(jié)合的角度,平板型太陽能熱水器均比真空管熱水器優(yōu)越。2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能光熱發(fā)電是利用聚光器(一般是大規(guī)模拋物鏡面或碟形鏡面陣列)把太陽光會聚,照射到接收器上,產(chǎn)生幾百攝氏度甚至上千攝氏度的局部高溫,加熱工作介質(zhì)(如導熱油或熔鹽),再把熱量傳給水,生成高溫高壓的蒸汽,推動汽輪機組運轉(zhuǎn),帶動發(fā)電機組發(fā)電,并入電網(wǎng)。這種發(fā)電技術(shù)不需要任何昂貴的光電轉(zhuǎn)換材料和復雜工藝,極大地降低了太陽能發(fā)電成本。這種發(fā)電形式的一個獨特優(yōu)勢是,太陽能所加熱的水儲存于巨大的蓄熱容器之中,在太陽落山后幾個小時內(nèi)仍可帶動汽輪機組發(fā)電。蓄熱容器和保溫材料是保證光熱發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定輸出電力的關(guān)鍵。太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)由聚光集熱器、傳熱系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、汽輪機組、發(fā)電機組及管道組成。在太陽能光熱發(fā)電中,聚光集熱器是核心部件,它通常有拋物面槽式、旋轉(zhuǎn)拋物面式和定日鏡式3種。對應的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)有塔式、槽式、蝶式和菲涅爾式,這4種發(fā)電系統(tǒng)各有優(yōu)缺點。圖3為在工程實踐中安裝較多的塔式和槽式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)簡圖。當前,塔式和槽式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)了商業(yè)化運營,蝶式系統(tǒng)尚處于示范階段。3種系統(tǒng)可以單獨利用太陽能運行,又可建造成燃料混合(如與天然氣等)互補系統(tǒng)以及與火力發(fā)電廠聯(lián)合運行,電力輸出穩(wěn)定,可調(diào)度性佳,污染物排放極低,這是它們突出的優(yōu)點。在這幾種形式的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)中,槽式熱發(fā)電系統(tǒng)最成熟,具有較高的性價比,塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的成熟度目前不如拋物面槽式熱發(fā)電系統(tǒng),而配以斯特林發(fā)電機的拋物面盤式熱發(fā)電系統(tǒng)雖然有比較優(yōu)良的技術(shù)性能指標,但目前主要用于邊遠地區(qū)的小型獨立供電(分布式供電),大規(guī)模應用的成熟度則稍遜一籌。應該指出,槽式、塔式和盤式太陽能光熱發(fā)電技術(shù)同樣受到世界各國重視,并正在積極開展研發(fā)工作。由中國科學院、皇明和華電集團聯(lián)合投資建設的塔式太陽能光熱電站于2010年8月在北京延慶竣工,這是我國首個具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光熱電站,發(fā)電容量為1MW,屬于示范項目。電站建成后,年發(fā)電量為270萬kWh,相當于1100余噸標準煤的發(fā)電量,可減排CO22300余噸、SO221t、氮氧化合物35t。該光熱電站設備簡潔、安裝方便,運行可靠,設計壽命20年。由于太陽能反射鏡是固定在地面上的,能有效抵御風雨的侵蝕破壞,也大大減少了反射鏡支架的開銷。該電站突破了以往一套控制裝備只能控制一面反射鏡的限制,采用菲涅爾凸透鏡技術(shù)可以對數(shù)百面反射鏡進行同時跟蹤,將數(shù)百或數(shù)千平方米的太陽光聚焦到光能轉(zhuǎn)換部件上(聚光度約50倍,可以產(chǎn)生三四千攝氏度的高溫),改變了以往整個工程造價大部分為跟蹤控制系統(tǒng)成本的困局,使其在總造價中只占很小的一部分。作為集熱核心部件的鏡面反射材料以及太陽能中高溫直通管實現(xiàn)了國產(chǎn)化,在運輸、安裝上節(jié)省了大筆費用,降低了成本。這兩項突破克服了制約太陽能光熱發(fā)電在中高溫領(lǐng)域內(nèi)大規(guī)模應用的技術(shù)障礙,為實現(xiàn)太陽能中高溫設備制造標準化、產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；_辟了廣闊的道路。預計到2020年,我國太陽能光熱發(fā)電裝機容量將達到2000MW,步入光熱發(fā)電強國行列。2013年,全球最大的槽式電站,美國首個熔鹽儲熱的光熱電站,裝機280MW的Solana光熱電站正式運營,超越了此前阿聯(lián)酋投運的100MW的Shams1光熱電站。Solana電站配備兩個各140MW的汽輪發(fā)電機組,刷新了槽式電站裝機容量的新記錄。Solana是全球第二大太陽能光熱電站,在太陽落山后的6h內(nèi)仍可繼續(xù)發(fā)電。Solana光熱電站年發(fā)電量為9.44億kWh,可滿足7萬個家庭的日常用電需求,電站總投資高達20億美元。亞利桑那州的APS電力公司為該項目的PPA簽約方,簽約電價為14美分/(kWh),承購期30年,30年內(nèi)的總售電收入預計可達40億美元。3太陽能熱泵發(fā)電一體化太陽能熱水器已進入我國城鄉(xiāng)的千家萬戶,市場也不斷擴張、壯大,但在平板型太陽能熱水器系統(tǒng)設計、熱利用效率、使用壽命和可靠性等方面與發(fā)達國家尚有不小差距。在安裝施工等方面,有待于完善可操作的統(tǒng)一標準。不規(guī)范、不專業(yè)的安裝可能帶來一些安全隱患,對建筑外貌和城市景觀也有一定影響。在我國房地產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的今天,太陽能熱水器沒有成為建筑物的一個構(gòu)件,很有必要盡快實施太陽能熱水器與建筑物一體化方案,著重解決太陽能集熱器與建筑的匹配以及太陽能熱水系統(tǒng)和建筑物整體的融合問題。現(xiàn)在,太陽能建筑一體化示范點方興未艾,它把太陽房設計、建造、太陽能熱水器和太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的安裝與施工統(tǒng)籌進行,力爭做成不消耗任何常規(guī)能源的宜居房屋。太陽能光熱發(fā)電涉及光、機、電、建筑等行業(yè)。目前,我國存在核心技術(shù)不成熟、部分關(guān)鍵設備靠進口和發(fā)電成本高等問題。光熱電站適合建在人口密度小、日照豐富的地區(qū),其產(chǎn)業(yè)鏈長,建設投資巨大,回收周期長,收益可觀,需要政府和業(yè)界大規(guī)模協(xié)作、合作。在我國,近10年內(nèi),應把全面掌握塔式、槽式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的核心技術(shù)、關(guān)鍵設備以及在中西部人口稀少地區(qū)建造示范電站作為優(yōu)先發(fā)展方向