太陽能發電係統狀況及發展趨勢【圖】zt

太陽能發電係統狀況及發展趨勢

沈陽建築大學交通與機械工程學院 2007-09-24 17:44:10 

摘要：闡述了當前太陽能熱發電係統和太陽能光伏發電係統的結構、原理和特點。同時對太陽能發電的現狀和發展進行了介紹。

關鍵詞：太陽能熱發電  太陽能光伏發電  槽式  碟式  塔式  光伏

   20世紀以來，隨著社會經濟的發展和生活水平的提高，使人們對能源的需求量不斷增長。同時由於化石能源資源的有限性，以及他們在燃燒過程中對全球氣候和環境所產生的影響日益為人們所關注，因此從資源、環境、社會發展的需求來看，開發和利用新能源和可再生能源是必然的趨勢。在新能源和可再生能源家族中，太陽能是最引人注目，開展研究工作最多，應用最廣的成員。

   太陽能是一種清潔能源，這對於當前人類對環境汙染的重視尤為重要。太陽能還屬於無限的能源。據專家預測，太陽的壽命有600億年，而地球的壽命隻有50億年，因此太陽能相對於我們人類來說是無限的。而且它也不受任何人的控製和壟斷。這些優點都是常規能源所無法比擬的。當然太陽能也有不足的地方，比如太陽輻射的強度受到氣候、晝夜、緯度、季節、海拔的影響，往往需要配備儲能設備。又如它的能流密度低，實際利用時需要較大的太陽能收集裝置，占地麵積大，投資大。這些因素也都製約了太陽能的利用。

    到本世紀以來，隨著新材料的應用、電子技術等高科技的高速發展，為太陽能的有效利用提供了條件。人們將太陽能輻射通過收集和轉換變為可直接利用的能源，使太陽能的利用得到相當大的發展。其中利用太陽能發電就是對太陽能最好的利用。

    目前太陽能發電有兩種方法。一種是將太陽能轉換為熱能，然後按常規方式發電，稱為太陽能熱發電。另一種是通過光電器件利用光生伏打原理將太陽能直接轉換為電能，稱為太陽能光伏發電。

一、 太陽能熱發電

1、太陽能熱發電係統

   太陽能熱發電也叫做太陽能聚光發電，是將太陽輻射從麵積上濃縮產生高溫發電的裝置。由於太陽光聚集後可以產生高溫，因此該技術用於與熱發電機相連來構成發電係統。太陽能聚光技術最早可以追溯到140年前(D.Mills,2003),Mouchot和Pifre於1882年在法國所做的研究工作。其後，在1888年Ericsson，1901年Eneas，1913年Shuman和1968年Francia在該方麵也進行了大量的研究工作。最值得一提的是在上世紀80年代，由於70年代的石油危機，太陽能熱發電得到了重視，一批大規模的太陽聚光器在世界各國安裝。如發電總功率354MW的槽式太陽能熱電站在美國加洲建成，在十幾年間已經發電超過5000GWh。

    當前太陽能熱發電按照太陽能采集方式可劃分為（1）太陽能槽式發電；（2）太陽能碟式發電；（3）太陽能塔式發電；

（1） 太陽能槽式發電

   槽式發電是最早實現商業化的太陽能熱發電係統。它采用大麵積的單軸槽式太陽能追蹤采光板，通過對太陽光的聚焦，把太陽光聚集到安裝在拋物線形反光鏡焦點上的線形接收器上，並加熱流過接收器的熱傳導液，使熱傳導液汽化，同時在能量區的熱轉換設備中產生高壓、過熱的蒸汽，然後送入常規的蒸氣渦輪發電機內進行發電。通常接收太陽光的采光板采用模塊化布局，許多采光板通過串並聯的放置，均勻的分布在南北軸線方向。為了保證發電的穩定性，通常在發電係統中加入化石燃料發電機。當太陽光不穩定的時候，化石燃料發電機補充發電，來保證發電的穩定性和實用性。

    一些國家已經建立起示範裝置，對槽式發電技術進行深入的研究。到2000年，隨著先進技術和設計的提出，減少了槽式發電在熱收集方麵的損耗和電的寄生效應，使槽式發電得到了較大的提高。可使一個80MW的發電站的光電轉換效率達到12.9%。

    當前，隨著熱能存儲設備的加入，可使槽式發電的效率比最初提高7%。熱能存儲設備可以存儲剩餘的熱量，保證發電的平穩，同時它也為獨立的太陽能發電提供了保障。有了熱能存儲設備的加入，可使一個80MW的發電站的光電轉換效率達到13.8%。

    如表1所示為目前世界上太陽能槽式發電站列表。當前正在發展的技術方向為直蒸汽（DSG）技術。典型的PTC發電廠動力範圍為30-150MW，工作溫度約為400°C。  

表1     世界太陽能槽式熱發電站列表

（2） 太陽能碟式發電
   碟式發電是目前利用太陽能發電效率最高的太陽能發電係統，最高可達到29.4％[1]。因此它有潛力成為最廉價的利用太陽能發電的係統。它利用雙軸跟蹤技術，采用一組反光鏡聚集太陽光，同時利用接收器進行有效地熱轉變工作，之後利用常規發電機進行發電。通常接收器的接收麵被放置於聚光焦點的後麵以減小激烈的高溫熔化。

   碟式發電係統具有高效率、多功能、可和化石燃料混合發電等特點。高效率來自於它的低成本和高能量密度。和其它太陽能技術比較依賴場地和高費用來說,碟式發電每MW大約需要1.2到1.6公頃的占地。對於係統的安裝成本，盡管當前為＄12000/kW，但是由於它具有的高效率,因此潛力巨大[2]。同時碟式發電係統功率較小，一般為5～50kW，因此它即可以單獨分散發電，也可以組成較大的發電係統。研究表明，碟式太陽能熱發電係統在空間上的應用，與光伏發電係統相比，具有氣動阻力低、發射質量小和運行費用便宜等優點，因此目前世界各國也都在對碟式發電進行積極的研究和利用。如表2所示為目前世界上太陽能碟式發電站列表。[NextPage]

表2     世界太陽能碟式熱發電站列表

(3) 太陽能塔式發電

   太陽能塔式發電又叫做高溫太陽能熱發電，它利用獨立跟蹤太陽光的定日鏡群把太陽光聚集到塔頂的能量轉換器（接收器）上，通過能量的轉換把熱量傳遞給熱傳導液，再由蒸汽發生器產生蒸汽帶動蒸汽渦輪發電機產生電能，同時利用冷卻塔進行冷卻再進入接收器進行循環發電。塔式太陽能發電係統是利用定日鏡來實現對太陽光的反射和聚集，由於塔式發電係統中定日鏡的數量眾多，因此可實現大功率的發電，實際應用上可達到30-400MW之間。而且接收器的散熱麵積相對較小，因而可以得到較高的光電轉換效率。同時由於儲能槽的加入，使係統可以一天內連續發電13小時。
在美國的西南部，由於充足的日照強度和相對便宜的土地價格，使這裏成為了建設塔式發電站的理想區域，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電站建設地[3]。如表3所示為目前世界上太陽能塔式發電站列表。目前正在發展的技術方向為直加熱空氣發電技術。

表3     世界太陽能塔式熱發電站列表

2、太陽能熱發電係統的發展與展望

   1950年，前蘇聯設計了世界上第一座太陽能塔式電站，建造了一個小型試驗裝置。70年代，太陽能電池價格昂貴，效率較低。相對而言，太陽能熱發電效率較高，技術比較成熟，因此當時許多工業發達的國家都將太陽能熱發電作為重點，投資興建了一批試驗性太陽能熱發電站。據不完全統計，從1981～1991年，全世界建造的太陽能熱發電站（500kw以上）約有20餘座，發電功率最大達80MW。

  80年代中期，人們對建成的太陽能熱發電站進行技術總結後認為，雖然太陽能熱發電在技術上可行，但投資過大，且降低造價十分困難，所以各國都改變了原來的計劃，使太陽能熱發電站的建設逐漸冷落下來。正當人們懷疑太陽能熱發電的時候，美國和以色列聯合組成的LUZ太陽能熱發電國際有限公司，自1980年開始進行太陽能熱發電技術研究，開發槽式太陽能熱發電係統，並成功地進入了商品化階段。於1985年至1991年間在美國加州沙漠建成了9座槽式太陽能熱發電站，總裝機容量達到了353.8MW[4]。並使發電成本逐漸下降，預期能達到5～6美分／kWh。

   LUZ熱發電站的成功實踐，激發起人們對太陽能熱發電繼續進行研究開發的熱情。為此，以色列、德國和美國幾家公司進行合作，繼續推動太陽能熱發電的發展，並成功的在美國內華達州建造了兩座80MW槽式太陽能熱發電站，兩座100MW太陽能與燃氣輪機聯合循環電站，在西班牙和摩洛哥分別建造了135MW和180MW太陽能熱發電站各一座。

   我國對太陽能熱發電領域的研究也逐漸重視起來。在“六五”期間建立了一套功率為lkW的太陽能塔式熱發電模擬裝置和一套功率為lkW的平板式太陽能低溫熱發電模擬裝置。此外，我國還與美國合作設計並試製成功功率為5kW的碟式太陽能發電裝置樣機。並在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的太陽能塔式熱發電示範電站，並成功運行發電。

    太陽能熱發電具有巨大的潛力，因此對於太陽能熱發電未來的發展，應著眼於市場應用的開發，使太陽能熱發電真正溶入到我們的生活當中。研究低成本的反射材料、接收器和發電設備成為了降低熱發電成本的關鍵，也是當前熱發電領域研究的重點。

二、太陽能光伏發電

    太陽能光伏發電是利用太陽能光伏電池的光生伏打原理把太陽光能直接轉化為電能的發電方式。
（1） 太陽能光伏發電係統的組成

    太陽能光伏發電係統由太陽能光伏電池組、太陽能控製器、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。

　  太陽能光伏電池板是太陽能光伏發電係統中的核心部分，也是太陽能光伏發電係統中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能轉換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。太陽能光伏電池板的質量和成本將直接決定整個係統的質量和成本。

    太陽能控製器控製著整個係統的工作狀態，並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，合格的控製器還應具備溫度補償的功能。

    蓄電池一般為鉛酸電池，小微型係統中，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出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。

   在很多場合，都需要提供220VAC、110VAC的交流電源。由於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，需要將太陽能發電係統所發出的直流電能轉換成交流電能，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的電能轉換成5VDC的電能。[NextPage]

（2） 太陽能光伏電池的原理

   太陽能電池內部存在P-N結，當P-N結處於平衡狀態時，在P-N結處形成耗盡層，存在由N區到P區的勢壘電場。當太陽光入射的能量大於矽禁帶寬度的時候，射入電池內部的太陽光子，把電子從價帶激發到導帶，產生一個電子-空穴對。電子-空穴對隨即被勢壘電場分離，電子和空穴被分別推向N區和P區，並向P-N結交接麵處擴散，當到達勢壘電場邊界時，受勢壘電場的作用，電子留在N區，空穴留在P區，形成內建電場。而由於內建電場的作用，N區中的空穴和P區中的電子被分別推向對方區域，使N區積累了過剩的電子，P區積累了過剩的空穴，即在P-N結兩側形成了與勢壘電場方向相反的光生電動勢，當接入負載後，就會產生電流流出。

（3） 太陽能光伏發電係統的分類

     當前太陽能光伏發電係統大致可分為三類：獨立蓄電係統、反饋式發電係統、市電並聯係統。
獨立蓄電係統(圖4-a)：這是比較原始的一種太陽能應用方式。在國內外應用已有若幹年。係統比較簡單、造價低。隻因其一係列的電池維護困難，而限製了使用範圍。

    反饋式發電係統(圖4-b)：當用電負載較大時，太陽能電力不足就向市電網絡購電，而負載較小或不使用電器時，就可以將多餘的電力賣給市電。這種方式的實施意義重大。適用於電網己全麵改造的城市。

    市電並聯係統(圖4-c)：這是介於上述兩種方案之間的係統。常常是太陽能發電的中期運用形式。由於城市電網改造尚未進行，隻好采用此靈活的做法。

圖4    光伏發電係統的分類

（4）太陽能光伏發電的現狀和發展趨勢

①國外太陽能光伏發電現狀和發展趨勢

    太陽能光伏發電產業是20世紀80年代以來世界上增長最快的高新技術產業之一。到2004 年,世界太陽能光伏發電裝機總容量達到964.9MW,到2006年底,達到4961.69MW。已經商品化、實用化的太陽能光伏電池主要有單晶矽電池、多晶矽電池、非晶矽電池、聚光電池、帶狀矽電池及薄膜電池等幾類。在國際市場上, 目前太陽能光伏電池的價格大約為3.15美元/W,並網係統價格為6美元/W,發電成本為0.25美元/(kWh) [5]。光伏電池的光電轉化效率也不斷提高, 晶體矽光電池轉化率達到15%,單晶矽光電池轉化率是23.3%, 砷化镓光電池是25%,在實驗室中特製的砷化镓光電池已達35%～36%[5]。同時太陽能光伏電池/組件的使用壽命也大大增長,最多可達到30年。
目前, 光伏發電主要集中在日本、歐盟和美國,其光伏發電量約占世界光伏發電量的80%[6]。

    今後光伏發電係統主要圍繞高效率、低成本、長壽命、美觀實用等方向發展。專家們預測到2050年,太陽能光伏發電在發電總量中將占13%-15%, 到2100 年將約占64%[9]。

②國內太陽能光伏發電現狀和發展趨勢

   20世紀90年代以來是我國光伏發電快速發展的時期。在這一時期我國光伏組件生產能力逐年增強,成本不斷降低,市場不斷擴大,裝機容量逐年增加,2006年累計裝機容量達35MW, 約占世界份額的3%[7]。10多年來, 我國光伏產業長期平均維持了全球市場1%左右的份額。

    到2020 年前, 我國光伏技術產業將會得到不斷的完善和發展, 成本將不斷下降,光伏市場會發生巨大的變化:預計 2005—2010 年,我國的太陽能電池主要用於獨立光伏發電係統,發電成本到2010年將約為1.20元/kWh；2010—2020年,光伏發電將會由獨立係統轉向並網發電係統,發電成本到2020年將約為0.60元/kWh。到2020年我國光伏產業的技術水平有望達到世界先進行列[8]。

（5）太陽能光伏發電產業進一步發展需要解決的問題

    目前,世界太陽能光伏發電產業還處於初級階段，為了保證太陽能光伏發電產業的健康發展, 需要做好以下工作:a 繼續研製太陽能電池新材料,提高電池的光電轉化效率；b 研究太陽能光電電池最大功率跟蹤算法,實現太陽光最大功率跟蹤；c研究太陽能光電池陣列的優化組合算法, 實現太陽能光電電池陣列的優化組合；d 研究太陽能光伏發電的軟並網技術, 減少光伏電能對電網的衝擊；e探索並實現太陽能光伏發電與建築物建設相結合,實現建築物綠色發電與自我供電；f 探索並出台保護太陽能光伏發電發展的政策與法律、法規,對太陽能發電電價實行保護政策, 促進太陽能發電產業的發展。

三、結束語

    隨著全世界能耗的不斷上升，濫用化石能源導致的環境汙染日益嚴重，人類在應對經濟持續發展的同時，還要著重關注生態平衡的問題。無論是太陽能熱發電還是太陽能光伏發電，都是人類未來能夠持續生存和發展的重要手段之一，因此人類對於太陽能利用方麵的探索和研究將更加積極，同時也預示著太陽能發電將在未來的社會中扮演越來越重要的角色。