太陽能發(fā)電應(yīng)用的調(diào)研

武家勝　李　珂　楊澤偉

摘要:本文概述了目前全球能源現(xiàn)狀,表明了太陽能發(fā)電的重要性和前景,詳細(xì)介紹了各種太陽能發(fā)電方式和它們的優(yōu)點(diǎn),并對(duì)這幾種發(fā)電方式作了參數(shù)對(duì)比。同時(shí)指出太陽能發(fā)電面臨的困難和解決措施,以及我國(guó)太陽能發(fā)電的有利條件和難點(diǎn),對(duì)未來我國(guó)太陽能發(fā)電進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞:太陽能 發(fā)電方式 規(guī)模化

引言

人類社會(huì)已進(jìn)入21世紀(jì),在新千年開始之際,熱門正面臨著一系列重大的挑戰(zhàn),全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人口迅速增加,需要提供更多的食物、住房和原料,因而對(duì)能源的需求量也不斷增加。在過去20年中,全世界能源消耗量增加了40%,其中85%以上使用的是礦物燃料。這些礦物燃料燃燒時(shí)要產(chǎn)生大量溫室氣體,全球單是CO2排放量每年就超過500億噸,而且還在不斷擴(kuò)大。形成的酸雨造成土壤退化,危害動(dòng)植物。全球氣候變暖可能會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性后果,必須采取堅(jiān)決措施,減少溫室氣體的排放。因此,治理環(huán)境污染,已成為當(dāng)務(wù)之急。同時(shí),礦物燃料的儲(chǔ)藏量是有限的,按目前探明的儲(chǔ)藏與開發(fā)速度的比例計(jì)算,地球上可再開采的能源,石油為40年,天然氣約為60年,煤炭為200年。如不采取有效措施,到本世紀(jì)中葉,人類必將面臨礦物燃料枯竭的嚴(yán)重局面。

為了減少大氣污染、保護(hù)人類生態(tài)環(huán)境、保證能源的長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng),必須實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略,逐步改變現(xiàn)有的能源結(jié)構(gòu),大力開發(fā)利用新能源。這已成為各國(guó)的共識(shí)。

在新能源中,公認(rèn)技術(shù)含量最高、最有發(fā)展前途的是太陽能發(fā)電。下面就這兩大類太陽能發(fā)電方式逐一介紹。

1. 太陽能發(fā)電的類型及其優(yōu)點(diǎn)

太陽能發(fā)電可分為太陽能熱發(fā)電和太陽能光發(fā)電兩大類。

1.1 太陽能熱發(fā)電

聚光式系統(tǒng)的集熱部分由聚光器、跟蹤定位器、吸收器構(gòu)成,不同的技術(shù)常在此部分有所區(qū)別;傳輸部分由管道和介質(zhì)構(gòu)成,介質(zhì)常是空氣或水;儲(chǔ)熱部分用來保證發(fā)電的連續(xù)性,介質(zhì)多為熔鹽。聚光式系統(tǒng)可分為塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)、槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)以及碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。

1.1.1 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)也稱為集中式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。它利用定日鏡將太陽光聚焦在中心吸熱塔的吸熱器上,在那里將聚焦的輻射能轉(zhuǎn)變成熱能,然后將熱能傳遞給熱力循環(huán)的工質(zhì),再驅(qū)動(dòng)熱機(jī)做功發(fā)電。

1.1.2 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用槽式拋物面反射鏡聚光的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。該聚光鏡面從幾何上看是將拋物線平移而形成的槽式拋物面,它將太陽光聚在一條線上,在這條焦線上安裝有管狀集熱器,以吸收聚焦后的太陽輻射能,并常常將眾多的槽式拋物面串并聯(lián)成聚光集熱器陣列。該系統(tǒng)中機(jī)熱油回路和動(dòng)力蒸汽回路分離開來,經(jīng)過一系列換熱器來交換熱量。當(dāng)太陽能供應(yīng)不足時(shí),利用一個(gè)輔助加熱器將油回路中的導(dǎo)熱油加熱,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。

1.1.3 碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)借助雙軸跟蹤,利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡,將入射的太陽輻射進(jìn)行點(diǎn)聚集,聚光點(diǎn)的溫度一般為500—1000℃,吸熱器洗手這部分輻射能并將其轉(zhuǎn)換成熱能,加熱工質(zhì)以驅(qū)動(dòng)熱機(jī)(如燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)或其他類型透平等),從而將熱能轉(zhuǎn)換成電能。該方式的優(yōu)點(diǎn)是:轉(zhuǎn)化效率最高;可模塊化;可以混合發(fā)電。

除了上述幾種聚光式太陽能熱發(fā)電方式以外,太陽池發(fā)電、太陽能塔熱氣流發(fā)電等新領(lǐng)域的研究也有進(jìn)展。

1.2 太陽能光發(fā)電

太陽能光發(fā)電是指無需通過熱過程直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式。它包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。光伏發(fā)電是利用太陽能級(jí)半導(dǎo)體電子器件有效地吸收太陽光輻射能,并使之轉(zhuǎn)變成電能的直接發(fā)電方式,是的那股勁太陽光發(fā)電的主流。目前世界上應(yīng)用最廣泛的太陽電池是單晶體硅太陽電池、多晶硅太陽能電池、薄膜太陽能電池等。

1.2.1 單晶硅電池

單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。它的轉(zhuǎn)換效率最高,技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池,其效率為15%。硅電池進(jìn)展的重要原因之一是表面鈍化技術(shù)的提高。此外,倒金字塔技術(shù)、雙層減反射膜技術(shù)以及陷光理論的完善也是高晶硅電池發(fā)展的主要原因。

1.2.2 多晶硅電池

多晶硅電池與單晶硅比較,由于所使用的硅遠(yuǎn)比單晶硅少,其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池,具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但是由于它存在著晶粒界面和晶格錯(cuò)位的明顯缺陷,造成多晶硅電池光電轉(zhuǎn)換率一直無法突破20%的關(guān)口,低于單晶硅電池。薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池發(fā)電是另一種光伏發(fā)電方式。由于受到原材料、加工工藝和制造過程的制約,若要再大幅度地降低單晶硅太陽電池成本是非常困難的。作為單晶硅電池的替代產(chǎn)品,現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽電池。目前薄膜電池主要有硅基薄膜太陽電池、化合物半導(dǎo)體薄膜電池、燃料敏化TiO2太陽電池等。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是:可以有效利用建筑物屋頂和幕墻,無需占用土地資源;可原地發(fā)電,原地使用,減少電力輸送的線路損耗;各種彩色光伏組件可取代和節(jié)約外飾材料(如玻璃幕墻等)在白天用電高峰期供電,從而舒緩高峰電力需求;配備蓄電池后,還能滿足安全用電設(shè)施的不斷電要求;太陽能發(fā)電板陣列直接吸收太陽能,降低墻面及屋頂?shù)臏厣?減輕建筑空調(diào)負(fù)荷。

2. 太陽能發(fā)電面臨的困難和解決措施

前面介紹了幾種太陽能熱發(fā)電技術(shù),除碟式發(fā)電系統(tǒng)外,都屬于大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng),只有做成幾十到幾百兆瓦級(jí)的發(fā)電站,成本才可能降下來。太陽能塔熱氣流發(fā)電和太陽池發(fā)電占地面積大,利用效率不高,僅僅在1%左右。因此太陽能塔熱氣流發(fā)電應(yīng)放在土地廣闊、人口稀少的沙漠地區(qū)使用;而太陽池發(fā)電應(yīng)適合放在日照條件好、鹽資源比較豐富的地區(qū)使用?？傮w來看,槽式發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)上最為成熟,且其跟蹤機(jī)構(gòu)比較簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn),總體成本最低。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的是低成本的投資和技術(shù)上的高可靠性運(yùn)行。這要求未來在技術(shù)上要進(jìn)行新型集熱材料的研究和開發(fā),快速提高跟蹤機(jī)構(gòu)的技術(shù)并降低其實(shí)現(xiàn)成本。同時(shí)發(fā)電產(chǎn)業(yè)要努力實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?建立大規(guī)模的并網(wǎng)系統(tǒng),既節(jié)約成本,又保證系統(tǒng)平穩(wěn)安全運(yùn)行。

對(duì)于光伏發(fā)電來說,總體來看,該產(chǎn)業(yè)尚處于起步階段,主要是由于太陽能發(fā)電初期投資大,控制成本高,而太陽能轉(zhuǎn)化效率比較低,且容易受天氣等多種因素影響。根據(jù)目前光伏發(fā)電發(fā)展?fàn)顩r和其技術(shù)難點(diǎn),未來的光伏發(fā)電研究需要重視以下幾個(gè)方面:一是加快太陽能原材料晶體硅生產(chǎn)技術(shù)的研究和新型替代材料的開發(fā),降低材料成本并提高其轉(zhuǎn)化效率;二是提高系統(tǒng)控制技術(shù),如達(dá)到光伏電池陣列的最優(yōu)化排列組合、實(shí)現(xiàn)太陽光最大功率跟蹤等;三是研究光伏發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù),減少光伏電能對(duì)電網(wǎng)的沖擊;四是研究光伏發(fā)電與其他可再生能源發(fā)電技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用,保證供電持續(xù)性。

3. 我國(guó)太陽能發(fā)電的優(yōu)勢(shì)和難點(diǎn)

發(fā)展太陽能發(fā)電的需求主要來自滿足農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)的生產(chǎn)與生活用電和21世紀(jì)中持續(xù)發(fā)展我國(guó)電力事業(yè)兩個(gè)方面。在太陽能發(fā)電上我國(guó)具有得天獨(dú)厚的有利條件:

(1)豐富的太陽能資源。我國(guó)總面積2/3以上的地區(qū)年平均日照時(shí)數(shù)在2000h以上,年平均日輻射量在4000MJ/m2以上,要優(yōu)于歐洲和日本,與美國(guó)相近。如此豐富的太陽能資源可以節(jié)省太陽能電池的用量,有利于太陽能發(fā)電在較低成本下加以推廣。

(2)我國(guó)太陽能電池的生產(chǎn)能力超過日本、美國(guó)和歐洲,居世界第一位,2007年我國(guó)太陽能電池的產(chǎn)量約為1180兆瓦。2007年在全球太陽能生產(chǎn)企業(yè)16強(qiáng)中,我國(guó)占據(jù)了6席。

(3)逆變技術(shù)是太陽能發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一,由于在大功率開關(guān)器件開發(fā)和逆變技術(shù)的應(yīng)用等方面,我國(guó)已取得長(zhǎng)足進(jìn)步,生產(chǎn)出適用于光伏并網(wǎng)、高效率、高可靠性、低污染、低成本的逆變器成為可能。

但為了太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,必須解決以下幾個(gè)問題:

(1)我國(guó)生產(chǎn)太陽能電池的原材料主要依靠進(jìn)口,而絕大多數(shù)太陽能電池和切片用于出口,這種不利于產(chǎn)業(yè)發(fā)展的加工業(yè)局面必須盡快扭轉(zhuǎn)。

(2)太陽能發(fā)電的成本在每千瓦小時(shí)3元以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前居民電網(wǎng)用店家的每千瓦小時(shí)0.5元。這也是發(fā)展太陽能發(fā)電的不利一面。

(3)目前,太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率比較低,比如小尺寸(1 cm2)多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為19.8%,而大尺寸(1000 cm2)多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為12%,為了降低太陽能發(fā)電的成本必須提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

(4)我國(guó)的太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步于獨(dú)立型太陽能發(fā)電設(shè)備(10kW以下),主要用于解決太陽能資源豐富而又無電的邊遠(yuǎn)地區(qū)的居民用電。而更大容量(MW級(jí))的并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備的投產(chǎn)是降低成本的途徑之一。

(5)截止到2005年,我國(guó)的風(fēng)力發(fā)電總裝機(jī)容量為1500MW左右,是太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量的20倍,到2020年規(guī)劃總裝機(jī)容量為30000MW,也是規(guī)劃太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量的15倍。但兩者特點(diǎn)各異。夏季日照足風(fēng)速低,冬季日照弱風(fēng)速?gòu)?qiáng);同樣白天日照強(qiáng)時(shí)風(fēng)小,夜晚無光照時(shí)風(fēng)大。太陽能發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)是提高電能質(zhì)量和降低成本的另一途徑。

4. 結(jié)束語

太陽能發(fā)電對(duì)于我國(guó)農(nóng)村與邊遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)展的重要性已經(jīng)深入人心,取得了顯著成績(jī)。在近期內(nèi),應(yīng)用的重點(diǎn)仍應(yīng)是解決農(nóng)村及邊遠(yuǎn)地區(qū)的供電。太陽能發(fā)電對(duì)于我國(guó)電力發(fā)展的重要作用也已開始被認(rèn)識(shí),獨(dú)立光伏站已開始示范運(yùn)行,今后有關(guān)工作應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng),給予更大的支持。而且經(jīng)過十多年的持續(xù)努力,我國(guó)已建立了太陽能發(fā)電的研究發(fā)展,設(shè)備制造與應(yīng)用的良好基礎(chǔ),制定了至2010年的發(fā)展規(guī)劃。積極開拓市場(chǎng),光電市場(chǎng)的增長(zhǎng)比預(yù)期的快。與此同時(shí),加強(qiáng)國(guó)際交流合作也是十分重要的。

我國(guó)太陽能發(fā)電的前景將會(huì)十分光明!

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