太陽能發(fā)電技術(shù)綜述

太陽能發(fā)電技術(shù)綜述王彥

(電力學(xué)院電力系統(tǒng)及其自動化20101393)摘要：面對迫在眉睫的能源危機(jī)，太陽能作為新能源和可再生能源的一種，因其清潔、環(huán)保、永不衰竭的特點(diǎn)，受到世界各國的青睞。充分開發(fā)利用太陽能，對于節(jié)約常規(guī)能源、保護(hù)自然環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。文章主要論述了太陽能發(fā)電的技術(shù)與原理，太陽能發(fā)電研究現(xiàn)狀及存在的問題，最后簡要概述了我國及內(nèi)蒙古的太陽能發(fā)電裝機(jī)情況。關(guān)鍵詞：太陽能發(fā)電；光伏發(fā)電；太陽能熱發(fā)電Abstract:inthefaceofimminentenergycrisis,newenergyandrenewableenergy,solarenergyasaclean,environmentalprotection,becauseofitsneverfailurefeatures,populararoundtheworld.Thefulldevelopmentandutilizationofsolarenergy,tosaveenergy,protectthenaturalenvironment,promoteeconomicdevelopmenthasveryimportantrealsignificanceandfar-reachinghistoricalsignificance.Thisarticlemainlydiscussestheprincipleandtechnologyofsolarpower,solarpowerresearchpresentsituationandtheexistencequestion,finallyabriefoverviewofChina'sandInnerMongolia'ssolarpowerinstallation.Keywords:solarenergy;photovoltaicpowergeneration;thermalpowergeneration1引言常規(guī)化石燃料的無節(jié)制使用，化石燃料資源不但遲早會枯竭耗盡，而且化石燃料對環(huán)境的污染所導(dǎo)致的生態(tài)破壞、地球溫室效應(yīng)等正日趨的嚴(yán)重地威脅著人類生存。能源短缺、環(huán)境污染是當(dāng)今世界面臨的兩大問題，制約著人類經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展。太陽能發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)：普遍：太陽光普照大地，沒有地域的限制無論陸地或海洋，無論高山或島嶼，都處處皆有，可直接開發(fā)和利用，且無須開采和運(yùn)輸。無害：開發(fā)利用太陽能不會污染環(huán)境，它是最清潔能源之一，在環(huán)境污染越來越嚴(yán)重的今天，這一點(diǎn)是極其寶貴的。巨大：每年到達(dá)地球表面上的太陽輻射能約相當(dāng)于130萬億噸煤，其總量屬現(xiàn)今世界上可以開發(fā)的最大能源。長久：根據(jù)目前太陽產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個意義上講，可以說太陽的能量是用之不竭的。太陽能發(fā)電的缺點(diǎn)：分散性和不穩(wěn)定性：到達(dá)地球表面的太陽輻射的總量盡管很大，但是能流密度很低。由于受到晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度以及晴、陰、云、雨等因素的影響，所以，到達(dá)某一地面的太陽輻照度既是間斷的，又是極不穩(wěn)定的，這給太陽能的大規(guī)模應(yīng)用增加了難度。效率低和成本高：在今后相當(dāng)一段時期內(nèi)，太陽能利用的進(jìn)一步發(fā)展，主要受到經(jīng)濟(jì)性的制約。這是因為有的太陽能利用裝置，效率偏低，成本較高，總的來說，經(jīng)濟(jì)性還不能與常規(guī)能源相競爭。2太陽能發(fā)電技術(shù)與原理太陽能是最理想的新能源，從太陽能獲得電力，需要通過太陽能電池進(jìn)行光電變換來實(shí)現(xiàn)。太陽能發(fā)電主要有太陽能光發(fā)電和太陽能熱發(fā)電兩種基本方式。不通過熱過程直接將太陽的光能轉(zhuǎn)換成電能的利用方式稱為太陽能光發(fā)電，目前得到實(shí)際應(yīng)用的是光伏電池。太陽能熱發(fā)電是將吸收的太陽輻射熱能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。太陽能熱發(fā)電有多種類型,主要有以下五種:塔式系統(tǒng)、槽式系統(tǒng)、盤式系統(tǒng)、太陽池和太陽能塔熱氣流發(fā)電。前三種是聚光型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，后兩種是非聚光型。一些發(fā)達(dá)國家將太陽能熱發(fā)電技術(shù)作為國家研發(fā)重點(diǎn)，制造了數(shù)十臺各種類型的太陽能熱發(fā)電示范電站，已達(dá)到并網(wǎng)發(fā)電。2.1太陽能光伏發(fā)電2.1.1太陽能光伏發(fā)電原理太陽能光伏發(fā)電的原理主要是利用半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)。太陽能電池實(shí)際上是由若干個p-n結(jié)構(gòu)成。當(dāng)太陽光照射到p-n結(jié)時,一部分被反射，其余部分被p-n結(jié)吸收，被吸收的輻射能有一部分變成熱,另一部分以光子的形式與組成p-n結(jié)的原子價電子碰撞，產(chǎn)生電子空穴對，在p-n結(jié)勢壘區(qū)內(nèi)建電場的作用下,將電子驅(qū)向n區(qū)，空穴驅(qū)向p區(qū)，從而使得n區(qū)有過剩的電子,p區(qū)有過剩的空穴。這樣在p-n結(jié)附近就形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。光生電場除一部分抵消內(nèi)

建電場外，還使p型層帶正電,n型層帶負(fù)電，在n區(qū)和p區(qū)之間的薄層產(chǎn)生光生電動勢，這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。若分別在p型層和n型層焊上金屬引線，接通負(fù)載,在持續(xù)光照下,外電路就有電流通過，如此形成一個電池元件，經(jīng)過串并聯(lián)，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出電能，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。原理如圖2-1所示。太陽光I一電極N內(nèi)電P-結(jié)建場光生電動步I一電極N內(nèi)電P-結(jié)建場光生電動步電流圖2-1單晶硅光伏電池發(fā)電原理CSIA最新研究報告稱，目前太陽能電池主要分為單晶硅電池、多晶硅電池和薄膜電池三種。單晶硅電池技術(shù)成熟，光電轉(zhuǎn)換效率高，但其生產(chǎn)成本較高，技術(shù)要求高；多晶硅電池成本相對較低，技術(shù)成熟，但光電轉(zhuǎn)換效率相對較低;而薄膜電池成本低，發(fā)光效率高，但目前其在技術(shù)穩(wěn)定性和規(guī)模生產(chǎn)上均存在一定的困難。隨著技術(shù)的進(jìn)步，未來薄膜電池會有更好的發(fā)展前景。2.1.2太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池組、太陽能控制器、蓄電池(組)組成。如輸出電源為交流220V或110V,還需要配置逆變器。各部分的作用為：太陽能電池板:太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。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(fù)載工作。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。太陽能控制器:太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其他如光控開關(guān)、時控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的附加功能。蓄電池: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。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，可以平抑太陽能發(fā)電的間歇性。在并網(wǎng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，可不加蓄電池組。逆變器：在很多場合，都需要提供220VAC、110VAC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(fù)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(注意，不是簡單的降壓)。光伏發(fā)電系統(tǒng)分為離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩種類型。離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成及功能獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電是指太陽能光伏發(fā)電不與電網(wǎng)連接的發(fā)電方式，典型特征為需要蓄電池來存儲夜晚用電的能量。獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電在民用范圍內(nèi)主要用于邊遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村，如家庭系統(tǒng)、村級太陽能光伏電站；在工業(yè)范圍內(nèi)主要用于電訊、衛(wèi)星廣播電視、太陽能水泵，在具備風(fēng)力發(fā)電和小水電的地區(qū)還可以組成混合發(fā)電系統(tǒng)，如風(fēng)力發(fā)電/太陽能發(fā)電互補(bǔ)系統(tǒng)等。離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由發(fā)電部件、控制器、蓄電池組成，如負(fù)載為交流負(fù)載，還需要配置獨(dú)立逆變器。離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成如圖2-2所示，其組成部分的作用如下：光伏地件 光伏控制雁 雷電池 逆變器交疑負(fù)教圖2-2太陽能離網(wǎng)發(fā)電儲電系統(tǒng)中小型太陽能離網(wǎng)發(fā)電儲電系統(tǒng)利用取之不盡、用之不竭的自然能源，可有效緩解電力短缺地區(qū)的需求矛盾，解決偏遠(yuǎn)地區(qū)的生活及通訊問題。改善全球生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)人類可持續(xù)發(fā)展。（2）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電是指太陽能光伏發(fā)電連接到國家電網(wǎng)的發(fā)電的方式，成為電網(wǎng)的補(bǔ)充，典型特征為不需要蓄電池。民用太陽能光伏發(fā)電多以家庭為單位，商業(yè)用途主要為企業(yè)、政府大樓、公共設(shè)施、安全設(shè)施、夜景美化景觀照明系統(tǒng)等的供電，工業(yè)用途如太陽能農(nóng)場。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過并網(wǎng)控制逆變器與當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)連接組成的系統(tǒng)，也可以為了調(diào)峰電力通過電網(wǎng)將光伏系統(tǒng)發(fā)電的電能進(jìn)行再分配。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)其所產(chǎn)生的電能能否飯送到電力系統(tǒng)，可以分為逆流型，無逆流型，切換型，直、交流型，混合用型和地域型等。2.2太陽能熱發(fā)電2.2.1太陽能熱發(fā)電原理太陽能熱發(fā)電通常叫做聚光式太陽能發(fā)電，與傳統(tǒng)發(fā)電站不一樣的是，它們是通過聚集太陽輻射獲得熱能，將熱能轉(zhuǎn)化成高溫蒸汽驅(qū)動蒸汽輪機(jī)來發(fā)電的。采用太陽能熱發(fā)電技術(shù)，避免了昂貴的硅晶光電轉(zhuǎn)換工藝，可以大大降低太陽能發(fā)電的成本。而且，這種形式的太陽能利用還有一個其他形式的太陽能轉(zhuǎn)換所無法比擬的優(yōu)勢，即太陽能所燒熱的水可以儲存在巨大的容器中，在太陽落山后幾個小時仍然能夠帶動汽輪發(fā)電。2.2.2太陽能熱發(fā)電分類一般來說，當(dāng)前太陽能熱發(fā)電按照太陽能采集方式可劃分為太陽能槽式發(fā)電、太陽能塔式熱發(fā)電和太陽能碟式熱發(fā)電。另外還有太陽煙囪、太陽池發(fā)電等形式。（1）太陽能塔式熱發(fā)電太陽能塔式發(fā)電是應(yīng)用的塔式系統(tǒng)。塔式系統(tǒng)又稱集中式系統(tǒng)，屬于點(diǎn)聚焦式。它由集中布置的反射鏡陣列、中部高塔上的吸收器以及跟蹤裝置這幾個主要部分組成。吸收器中的介質(zhì)被反射鏡陣列所會聚的陽光加熱，產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電。聚光倍數(shù)1000以上，介質(zhì)溫度多高于350攝氏度，總效率在15%以上，屬于高溫?zé)岚l(fā)電。由于每塊面鏡都隨太陽運(yùn)動而獨(dú)立調(diào)節(jié)方位及朝向，所需的跟蹤定位機(jī)構(gòu)代價高昂，限制了它在發(fā)展中國家的推廣應(yīng)用，主要是10?20MW。（2）太陽能碟式熱發(fā)電太陽能碟式發(fā)電也稱盤式系統(tǒng)，同樣是點(diǎn)聚焦式。由于其聚焦集熱器分散布置，與塔式相比，跟蹤控制代價低。采用拋物面聚焦，吸收器位于各拋物面的焦點(diǎn)處，可產(chǎn)生750攝氏度左右的高溫，效率達(dá)29.4%，發(fā)電率最高。高溫吸收器復(fù)雜，成本高，管道及其豹紋材料的費(fèi)用也很可觀。主要是5?25KW，仍處于試驗?zāi)Ｐ脱兄七^程中。（3）太陽能槽式熱發(fā)電槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)全稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，它的聚焦集熱器也采用分散布置，跟蹤精度低，代價?。慌c蝶式比吸收器簡單，用多個拋物柱面槽式反射鏡將陽光聚焦到管狀的接收器上，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。它是線聚焦，聚光比只有幾十，中溫發(fā)電，投資最少，經(jīng)濟(jì)效益最好，效率達(dá)13%以上，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。3太陽能發(fā)電的研究現(xiàn)狀及存在的問題2009年底哥本哈根會議上使“節(jié)能減排”、“低碳”等字眼深入人心，全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方向和導(dǎo)航標(biāo)也已然轉(zhuǎn)向了低碳經(jīng)濟(jì)。太陽能作為一種清潔的可再生能源，是未來低碳社會的理想能源之一，當(dāng)下正越來越受到世界各國的重視。相比于其他發(fā)達(dá)國家，國內(nèi)新能源產(chǎn)業(yè)的市場占有率還偏低，沒有本土市場的支持，加重了本來就不確定的投資風(fēng)險，這是劣勢。太陽能是否能夠?qū)崿F(xiàn)平價上網(wǎng)，或者在少量補(bǔ)貼的情況下實(shí)現(xiàn)平價上網(wǎng)，是整個行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。3.1能源局:我國太陽能發(fā)電成本三年減半從6月10日國家能源局與亞洲開發(fā)銀行聯(lián)合召開的太陽能發(fā)電規(guī)?；l(fā)展研討會上獲悉，近年來，太陽能發(fā)電技術(shù)取得長足進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)性顯著提高：目前光伏發(fā)電的成本比三年前降低了50%；而中國的太陽能發(fā)電價格，在不考慮土地成本的情況下已降到了每千瓦時1元以下，其中光伏發(fā)電的價格已經(jīng)降到0.73元。國家能源局介紹，目前，太陽能發(fā)電價格仍是燃煤發(fā)電的3—4倍，與風(fēng)電相比也要高50%左右。我國政府對太陽能發(fā)電主要有兩種政策支持措施：對大型并網(wǎng)太陽能電站建設(shè)，采用電價補(bǔ)貼的方式給予支持；對屋頂光伏等分散應(yīng)用，采取對工程初投資給予財政資金補(bǔ)助進(jìn)行支持，總體補(bǔ)助水平約為工程總投資的50%。近年來我國晶體硅光伏電池及組件生產(chǎn)發(fā)展迅速，展望未來,光伏發(fā)電將在我國的能源家族中起著越來越大的作用，因此可再生能源，特別是太陽能將成為未來關(guān)注的重點(diǎn)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)還可以同其他發(fā)電系統(tǒng)組成混合供電系統(tǒng)，如風(fēng)-光混合系統(tǒng)、風(fēng)-光-油混合系統(tǒng)等。最有發(fā)展前景的是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)相連構(gòu)成聯(lián)網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是將太陽能電池發(fā)出的直流電通過并網(wǎng)逆變器饋入電網(wǎng)。實(shí)踐證明，聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏電站可以對電網(wǎng)調(diào)峰、提高電網(wǎng)末端的電壓穩(wěn)定性、改善電網(wǎng)的功率因數(shù)和有效地消除電網(wǎng)雜波,應(yīng)用前景廣闊，是大規(guī)模利用太陽能電池發(fā)電的發(fā)展方向。3.2光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)將迎來快速發(fā)展的“黃金五年”太陽能光熱發(fā)電是繼光伏發(fā)電后的一種新的太陽能發(fā)電方式，是指利用一定數(shù)量的定日鏡或碟形鏡面收集太陽熱能，通過換熱裝置提供蒸汽，結(jié)合傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)的工藝，從而達(dá)到發(fā)電的目的。光熱發(fā)電在我國正處于起步階段，已經(jīng)進(jìn)入國家可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略，是一個新型的朝陽產(chǎn)業(yè)和新能源利用的一個重要方向。我國屬于太陽能資源儲量豐富的國家之一，年日照時數(shù)大于2000小時的地區(qū)面積約占全國總面積的三分之二以上，太陽能發(fā)電在我國發(fā)展?jié)摿薮?。目前我國西部很多城市正在醞釀上馬光熱發(fā)電項目。太陽能熱發(fā)電中槽式是公認(rèn)的最經(jīng)濟(jì)最成熟的技術(shù)。在美國，槽式太陽能熱發(fā)電站已進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行階段。在我國，目前進(jìn)展較快的是由德州華園新能源應(yīng)用技術(shù)研究所掌握核心技術(shù)參與的，位于新疆地區(qū)的，我國首座CSP槽式太陽能示范電站已經(jīng)一次性試車成功，標(biāo)志著國產(chǎn)化技術(shù)和設(shè)備已經(jīng)達(dá)到了熱發(fā)電的要求，并將進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。中電投開建世界最大太陽能聚熱電站和我國首臺10千瓦碟式太陽能聚光發(fā)電機(jī)落戶惠農(nóng)表明了我國太陽能熱發(fā)電的趨勢?！笆濉逼陂g光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)必將迎來一個快速發(fā)展的“黃金五年”，并最終會成長為與光伏產(chǎn)業(yè)比肩的主要清潔能源。光熱發(fā)電有著自己獨(dú)特的優(yōu)勢：一是它通過儲存熱量可以確保熱發(fā)電機(jī)組的電力輸出相對穩(wěn)定，這就決定了它可以根據(jù)負(fù)荷端的需求進(jìn)行有效調(diào)度；二是光熱發(fā)電還可以與傳統(tǒng)能源發(fā)電聯(lián)合利用，比如說與燃?xì)獍l(fā)電、燃煤發(fā)電進(jìn)行循環(huán)，這樣一旦光熱發(fā)電出力受限，就可以通過傳統(tǒng)能源填補(bǔ)上；三是單個光熱發(fā)電電站容量可以做得很大，可以做到100萬千瓦甚至更高。盡管光熱發(fā)電有著諸多的優(yōu)點(diǎn)和美好的前景，但是當(dāng)前我國光熱發(fā)電無論是技術(shù)儲備，還是產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，與西方發(fā)達(dá)國家相比，都還有一定的差距，在推動光熱產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的過程中，還有很多的工作要做，許多的難題要攻克。隨著相關(guān)設(shè)備規(guī)?；a(chǎn)，光熱發(fā)電成本也將在“十二五”期間迅速下降。有關(guān)專家認(rèn)為，在全球低碳經(jīng)濟(jì)與新能源革命的大趨勢下，光熱發(fā)電極有可能成為我國未來份額最大的主導(dǎo)能源。4我國及內(nèi)蒙古太陽能發(fā)電裝機(jī)情況國家能源局透露，“十二五”時期，中國太陽能發(fā)電將進(jìn)入多元化較大規(guī)模應(yīng)用階段。一是在西部太陽能資源豐富地區(qū)，加快并網(wǎng)太陽能電站建設(shè)，重點(diǎn)包括西藏、內(nèi)蒙古、甘肅、寧夏、青海、新疆、云南等地區(qū)，建成并網(wǎng)太陽能電站500萬千瓦。二是大力推廣城市屋頂太陽能分布式發(fā)電，重點(diǎn)在經(jīng)濟(jì)開