太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)狀況及發(fā)展趨勢(shì)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，使人們對(duì)能源的需求量不斷增長(zhǎng)。同時(shí)由于化石能源資源的有限性，以及他們?cè)谌紵^(guò)程中對(duì)全球氣候和環(huán)境所產(chǎn)生的影響日益為人們所關(guān)注，因此從資源、環(huán)境、社會(huì)發(fā)展的需求來(lái)看，開(kāi)發(fā)和利用新能源和可再生能源是必然的趨勢(shì)。在新能源和可再生能源家族中，太陽(yáng)能是最引人注目，開(kāi)展研究工作最多，應(yīng)用最廣的成員。

太陽(yáng)能是一種清潔能源，這對(duì)于當(dāng)前人類對(duì)環(huán)境污染的重視尤為重要。太陽(yáng)能還屬于無(wú)限的能源。據(jù)專家預(yù)測(cè)，太陽(yáng)的壽命有600億年，而地球的壽命只有50億年，因此太陽(yáng)能相對(duì)于我們?nèi)祟悂?lái)說(shuō)是無(wú)限的。而且它也不受任何人的控制和壟斷。這些優(yōu)點(diǎn)都是常規(guī)能源所無(wú)法比擬的。當(dāng)然太陽(yáng)能也有不足的地方，比如太陽(yáng)輻射的強(qiáng)度受到氣候、晝夜、緯度、季節(jié)、海拔的影響，往往需要配備儲(chǔ)能設(shè)備。又如它的能流密度低，實(shí)際利用時(shí)需要較大的太陽(yáng)能收集裝置，占地面積大，投資大。

這些因素也都制約了太陽(yáng)能的利用。 到本世紀(jì)以來(lái)，隨著新材料的應(yīng)用、電子技術(shù)等高科技的高速發(fā)展，為太陽(yáng)能的有效利用提供了條件。人們將太陽(yáng)能輻射通過(guò)收集和轉(zhuǎn)換變?yōu)榭芍苯永玫哪茉?，使太?yáng)能的利用得到相當(dāng)大的發(fā)展。其中利用太陽(yáng)能發(fā)電就是對(duì)太陽(yáng)能最好的利用。 目前太陽(yáng)能發(fā)電有兩種方法。一種是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能，然后按常規(guī)方式發(fā)電，稱為太陽(yáng)能熱發(fā)電。另一種是通過(guò)光電器件利用光生伏打原理將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能，稱為太陽(yáng)能光伏發(fā)電。 一、太陽(yáng)能熱發(fā)電 1、太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng) 太陽(yáng)能熱發(fā)電也叫做太陽(yáng)能聚光發(fā)電，是將太陽(yáng)輻射從面積上濃縮產(chǎn)生高溫發(fā)電的裝置。由于太陽(yáng)光聚集后可以產(chǎn)生高溫，因此該技術(shù)用于與熱發(fā)電機(jī)相連來(lái)構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)。

太陽(yáng)能聚光技術(shù)最早可以追溯到140年前(D.Mills,2003),Mouchot和Pifre于1882年在法國(guó)所做的研究工作。其后，在1888年Ericsson，1901年Eneas，1913年Shuman和1968年Francia在該方面也進(jìn)行了大量的研究工作。最值得一提的是在上世紀(jì)80年代，由于70年代的石油危機(jī)，太陽(yáng)能熱發(fā)電得到了重視，一批大規(guī)模的太陽(yáng)聚光器在世界各國(guó)安裝。如發(fā)電總功率354MW的槽式太陽(yáng)能熱電站在美國(guó)加洲建成，在十幾年間已經(jīng)發(fā)電超過(guò)5000GWh。 當(dāng)前太陽(yáng)能熱發(fā)電按照太陽(yáng)能采集方式可劃分為（1）太陽(yáng)能槽式發(fā)電；（2）太陽(yáng)能碟式發(fā)電；（3）太陽(yáng)能塔式發(fā)電； （1）太陽(yáng)能槽式發(fā)電 槽式發(fā)電是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。它采用大面積的單軸槽式太陽(yáng)能追蹤采光板，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)光的聚焦，把太陽(yáng)光聚集到安裝在拋物線形反光鏡焦點(diǎn)上的線形接收器上，并加熱流過(guò)接收器的熱傳導(dǎo)液，使熱傳導(dǎo)液汽化，同時(shí)在能量區(qū)的熱轉(zhuǎn)換設(shè)備中產(chǎn)生高壓、過(guò)熱的蒸汽，然后送入常規(guī)的蒸氣渦輪發(fā)電機(jī)內(nèi)進(jìn)行發(fā)電。通常接收太陽(yáng)光的采光板采用模塊化布局，許多采光板通過(guò)串并聯(lián)的放置，均勻的分布在南北軸線方向。為了保證發(fā)電的穩(wěn)定性，通常在發(fā)電系統(tǒng)中加入化石燃料發(fā)電機(jī)。當(dāng)太陽(yáng)光不穩(wěn)定的時(shí)候，化石燃料發(fā)電機(jī)補(bǔ)充發(fā)電，來(lái)保證發(fā)電的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

一些國(guó)家已經(jīng)建立起示范裝置，對(duì)槽式發(fā)電技術(shù)進(jìn)行深入的研究。到2000年，隨著先進(jìn)技術(shù)和設(shè)計(jì)的提出，減少了槽式發(fā)電在熱收集方面的損耗和電的寄生效應(yīng)，使槽式發(fā)電得到了較大的提高?？墒挂粋€(gè)80MW的發(fā)電站的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12.9%。 當(dāng)前，隨著熱能存儲(chǔ)設(shè)備的加入，可使槽式發(fā)電的效率比最初提高7%。熱能存儲(chǔ)設(shè)備可以存儲(chǔ)剩余的熱量，保證發(fā)電的平穩(wěn)，同時(shí)它也為獨(dú)立的太陽(yáng)能發(fā)電提供了保障。有了熱能存儲(chǔ)設(shè)備的加入，可使一個(gè)80MW的發(fā)電站的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到13.8%。 如表1所示為目前世界上太陽(yáng)能槽式發(fā)電站列表。當(dāng)前正在發(fā)展的技術(shù)方向?yàn)橹闭羝―SG）技術(shù)。典型的PTC發(fā)電廠動(dòng)力范圍為30-150MW，工作溫度約為400°C。 表1 世界太陽(yáng)能槽式熱發(fā)電站列表 （2）太陽(yáng)能碟式發(fā)電 碟式發(fā)電是目前利用太陽(yáng)能發(fā)電效率最高的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，最高可達(dá)到29.4％[1]。因此它有潛力成為最廉價(jià)的利用太陽(yáng)能發(fā)電的系統(tǒng)。

它利用雙軸跟蹤技術(shù)，采用一組反光鏡聚集太陽(yáng)光，同時(shí)利用接收器進(jìn)行有效地?zé)徂D(zhuǎn)變工作，之后利用常規(guī)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。通常接收器的接收面被放置于聚光焦點(diǎn)的后面以減小激烈的高溫熔化。 碟式發(fā)電系統(tǒng)具有高效率、多功能、可和化石燃料混合發(fā)電等特點(diǎn)。高效率來(lái)自于它的低成本和高能量密度。和其它太陽(yáng)能技術(shù)比較依賴場(chǎng)地和高費(fèi)用來(lái)說(shuō),碟式發(fā)電每MW大約需要1.2到1.6公頃的占地。對(duì)于系統(tǒng)的安裝成本，盡管當(dāng)前為＄12000/kW，但是由于它具有的高效率,因此潛力巨大[2]。同時(shí)碟式發(fā)電系統(tǒng)功率較小，一般為5～50kW，因此它即可以單獨(dú)分散發(fā)電，也可以組成較大的發(fā)電系統(tǒng)。研究表明，碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)在空間上的應(yīng)用，與光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，具有氣動(dòng)阻力低、發(fā)射質(zhì)量小和運(yùn)行費(fèi)用便宜等優(yōu)點(diǎn)，因此目前世界各國(guó)也都在對(duì)碟式發(fā)電進(jìn)行積極的研究和利用。

可以一天內(nèi)連續(xù)發(fā)電13小時(shí)。在美國(guó)的西南部，由于充足的日照強(qiáng)度和相對(duì)便宜的土地價(jià)格，使這里成為了建設(shè)塔式發(fā)電站的理想?yún)^(qū)域，同樣北非、墨西哥、南美、中東和印度等地，也都是理想的塔式發(fā)電站建設(shè)地[3]。如表3所示為目前世界上太陽(yáng)能塔式發(fā)電站列表。目前正在發(fā)展的技術(shù)方向?yàn)橹奔訜峥諝獍l(fā)電技術(shù)。 表3 世界太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電站列表 2、太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展與展望 1950年，前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)了世界上第一座太陽(yáng)能塔式電站，建造了一個(gè)小型試驗(yàn)裝置。70年代，太陽(yáng)能電池價(jià)格昂貴，效率較低。相對(duì)而言，太陽(yáng)能熱發(fā)電效率較高，技術(shù)比較成熟，因此當(dāng)時(shí)許多工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家都將太陽(yáng)能熱發(fā)電作為重點(diǎn)，投資興建了一批試驗(yàn)性太陽(yáng)能熱發(fā)電站。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1981～1991年，全世界建造的太陽(yáng)能熱發(fā)電站（500kw以上）約有20余座，發(fā)電功率最大達(dá)80MW。 80年代中期，人們對(duì)建成的太陽(yáng)能熱發(fā)電站進(jìn)行技術(shù)總結(jié)后認(rèn)為，雖然太陽(yáng)能熱發(fā)電在技術(shù)上可行，但投資過(guò)大，且降低造價(jià)十分困難，所以各國(guó)都改變了原來(lái)的計(jì)劃，使太陽(yáng)能熱發(fā)電站的建設(shè)逐漸冷落下來(lái)。正當(dāng)人們懷疑太陽(yáng)能熱發(fā)電的時(shí)候，美國(guó)和以色列聯(lián)合組成的LUZ太陽(yáng)能熱發(fā)電國(guó)際有限公司，自1980年開(kāi)始進(jìn)行太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，并成功地進(jìn)入了商品化階段。于1985年至1991年間在美國(guó)加州沙漠建成了9座槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，總裝機(jī)容量達(dá)到了353.8MW[4]。

并使發(fā)電成本逐漸下降，預(yù)期能達(dá)到5～6美分／kWh。 LUZ熱發(fā)電站的成功實(shí)踐，激發(fā)起人們對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電繼續(xù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)的熱情。為此，以色列、德國(guó)和美國(guó)幾家公司進(jìn)行合作，繼續(xù)推動(dòng)太陽(yáng)能熱發(fā)電的發(fā)展，并成功的在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州建造了兩座80MW槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，兩座100MW太陽(yáng)能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電站，在西班牙和摩洛哥分別建造了135MW和180MW太陽(yáng)能熱發(fā)電站各一座。 我國(guó)對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域的研究也逐漸重視起來(lái)。在“六五”期間建立了一套功率為lkW的太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電模擬裝置和一套功率為lkW的平板式太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電模擬裝置。此外，我國(guó)還與美國(guó)合作設(shè)計(jì)并試制成功功率為5kW的碟式太陽(yáng)能發(fā)電裝置樣機(jī)。并在2005年與以色列合作，在江蘇省南京市建成了第一座功率為75kW的太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電示范電站，并成功運(yùn)行發(fā)電。 太陽(yáng)能熱發(fā)電具有巨大的潛力，因此對(duì)于太陽(yáng)能熱發(fā)電未來(lái)的發(fā)展，應(yīng)著眼于市場(chǎng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，使太陽(yáng)能熱發(fā)電真正溶入到我們的生活當(dāng)中。研究低成本的反射材料、接收器和發(fā)電設(shè)備成為了降低熱發(fā)電成本的關(guān)鍵，也是當(dāng)前熱發(fā)電領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。 二、太陽(yáng)能光伏發(fā)電 太陽(yáng)能光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能光伏電池的光生伏打原理把太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式。（1）太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能光伏電池組、太陽(yáng)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。 　 太陽(yáng)能光伏電池板是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)，或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽(yáng)能光伏電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。

太陽(yáng)能控制器控制著整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過(guò)充電保護(hù)、過(guò)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堋? 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(shí)將太陽(yáng)能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來(lái)，到需要的時(shí)候再釋放出來(lái)。 在很多場(chǎng)合，都需要提供220VAC、110VAC的交流電源。由于太陽(yáng)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(yáng)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(chǎng)合，需要使用多種電壓的負(fù)載時(shí)，也要用到DC-DC逆變器，如將24VDC的電能轉(zhuǎn)換成5VDC的電能。[NextPage] （2）太陽(yáng)能光伏電池的原理 太陽(yáng)能電池內(nèi)部存在P-N結(jié)，當(dāng)P-N結(jié)處于平衡狀態(tài)時(shí)，在P-N結(jié)處形成耗盡層，存在由N區(qū)到P區(qū)的勢(shì)壘電場(chǎng)。當(dāng)太陽(yáng)光入射的能量大于硅禁帶寬度的時(shí)候，射入電池內(nèi)部的太陽(yáng)光子，把電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)。電子-空穴對(duì)隨即被勢(shì)壘電場(chǎng)分離，電子和空穴被分別推向N區(qū)和P區(qū)，并向P-N結(jié)交接面處擴(kuò)散，當(dāng)?shù)竭_(dá)勢(shì)壘電場(chǎng)邊界時(shí)，受勢(shì)壘電場(chǎng)的作用，電子留在N區(qū)，空穴留在P區(qū)，形成內(nèi)建電場(chǎng)。

而由于內(nèi)建電場(chǎng)的作用，N區(qū)中的空穴和P區(qū)中的電子被分別推向?qū)Ψ絽^(qū)域，使N區(qū)積累了過(guò)剩的電子，P區(qū)積累了過(guò)剩的空穴，即在P-N結(jié)兩側(cè)形成了與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)接入負(fù)載后，就會(huì)產(chǎn)生電流流出。 （3）太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類 當(dāng)前太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)大致可分為三類：獨(dú)立蓄電系統(tǒng)、反饋式發(fā)電系統(tǒng)、市電并聯(lián)系統(tǒng)。獨(dú)立蓄電系統(tǒng)(圖4-a)：這是比較原始的一種太陽(yáng)能應(yīng)用方式。在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用已有若干年。系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單、造價(jià)低。只因其一系列的電池維護(hù)困難，而限制了使用范圍。 反饋式發(fā)電系統(tǒng)(圖4-b)：當(dāng)用電負(fù)載較大時(shí)，太陽(yáng)能電力不足就向市電網(wǎng)絡(luò)購(gòu)電，而負(fù)載較小或不使用電器時(shí)，就可以將多余的電力賣給市電。這種方式的實(shí)施意義重大。適用于電網(wǎng)己全面改造的城市。 市電并聯(lián)系統(tǒng)(圖4-c)：這是介于上述兩種方案之間的系統(tǒng)。常常是太陽(yáng)能發(fā)電的中期運(yùn)用形式。由于城市電網(wǎng)改造尚未進(jìn)行，只好采用此靈活的做法。 圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類 （4）太陽(yáng)能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) ①國(guó)外太陽(yáng)能光伏發(fā)電現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)是20世紀(jì)80年代以來(lái)世界上增長(zhǎng)最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。到2004 年, 世界太陽(yáng)能光伏發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到964.9MW,到2006年底,達(dá)到4961.69MW。已經(jīng)商品化、實(shí)用化的太陽(yáng)能光伏電池主要有單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、聚光電池、帶狀硅電池及薄膜電池等幾類。