太陽(yáng)能發(fā)電

摘要 介紹了太陽(yáng)能發(fā)電的現(xiàn)狀及其發(fā)電技術(shù)。分別介紹了太陽(yáng)能熱力發(fā)電和太陽(yáng)能光伏發(fā)電。介紹了聚光式和聚熱式兩種熱能系統(tǒng)。詳細(xì)闡述了太陽(yáng)能光伏發(fā)電的原理并介紹太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的獨(dú)立運(yùn)行、并網(wǎng)運(yùn)行和混合型三種運(yùn)行方式。

關(guān)鍵詞 太陽(yáng)能熱發(fā)電太陽(yáng)能光伏發(fā)電熱能系統(tǒng)

0 引言

當(dāng)前，人類面臨三大全球性危機(jī)：能源危機(jī)、經(jīng)濟(jì)危機(jī)、環(huán)境危機(jī)。傳統(tǒng)的火電廠需消耗大量煤等可燃性非再生資源，一方面加重能源危機(jī)，另一方面由于排放大量CO₂、SO₂等大氣污染性氣體，也嚴(yán)重污染了環(huán)境。電能作為一種二次能源，可以由多種能源轉(zhuǎn)換而來(lái)。不管從資源的數(shù)量、分布的普遍性，還是從清潔性、技術(shù)的可靠性來(lái)看，太陽(yáng)能都有其優(yōu)越性。太陽(yáng)能發(fā)電方式有：太陽(yáng)能熱力發(fā)電、太陽(yáng)能光伏發(fā)電。其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電是研究重點(diǎn)。

1 太陽(yáng)能熱力發(fā)電

將吸收的太陽(yáng)輻射熱能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電技術(shù)稱為太陽(yáng)能熱力發(fā)電。熱力發(fā)電系統(tǒng)一般包括聚光集熱系統(tǒng)、熱傳輸系統(tǒng)、蓄熱儲(chǔ)能系統(tǒng)、輔助能源系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)。聚光集熱系統(tǒng)聚集太陽(yáng)能后，經(jīng)過熱傳輸系統(tǒng)將熱能傳遞給熱機(jī)，并由熱機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。蓄熱系統(tǒng)是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中必不可少的組成部分，因?yàn)樘?yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)在早晚和白天云遮間歇的時(shí)間內(nèi)，都必須依靠?jī)?chǔ)存的太陽(yáng)能來(lái)維持正常運(yùn)行。在夜間和陰雨天，一般啟動(dòng)輔助能源系統(tǒng)維持電站運(yùn)行。

入射到地球表面的太陽(yáng)能是分散的，必須把太能光集中在一起使之發(fā)揮熱能效應(yīng)，稱為熱能系統(tǒng)。目前常用的有兩種方法：一種是將太陽(yáng)光集中在一起，稱為聚光式；另一種是直接利用太陽(yáng)熱能，稱為聚熱式。塔式、槽式和盤式等太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)采用的是聚光式，而太陽(yáng)池等熱發(fā)電技術(shù)采用的是聚熱式。

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；傳輸部分由管道和介質(zhì)構(gòu)成，介質(zhì)一般是空氣或水；儲(chǔ)熱部分用來(lái)保證發(fā)電的連續(xù)性，介質(zhì)多為熔鹽。

太陽(yáng)池發(fā)電屬于聚熱式發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)池實(shí)質(zhì)上是一個(gè)含鹽量具有一定濃度的鹽水池。太陽(yáng)池?zé)岚l(fā)電技術(shù)是利用含鹽的水，在太陽(yáng)光的照射下因含鹽的梯度不同而產(chǎn)生不同的溫度梯度來(lái)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。池的上部是一層較輕的新鮮水，底部是較重的鹽水。上層清水和底部鹽水之間具有以低昂厚度的非對(duì)流層，起著隔熱層的作用。入射到太陽(yáng)池表面的太陽(yáng)膚色，紅外部分在近表面幾毫米以內(nèi)的層中被吸收。太陽(yáng)光的可見光和紫外線部分透過清水被池的深色底部吸收。池底部的鹽水被太陽(yáng)能加熱后，水開始膨脹上升，若膨脹所產(chǎn)生的浮力還不足以擾亂池內(nèi)鹽濃度梯度的穩(wěn)定性，則可有效地一直和消除因浮力而可能引起的池水混合的自然對(duì)流趨勢(shì)。這樣，貯存在底部的能量只有通過傳導(dǎo)才能向外散失。

太陽(yáng)熱發(fā)電技術(shù)，除盤式發(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(lái)。而槽式發(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(yáng)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。這就要求未來(lái)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。

2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電

2.1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是通過太陽(yáng)能電池吸收太陽(yáng)光，將太陽(yáng)的光能直接變成電能輸出。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組、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)能電池板是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)的輻射能力轉(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)能電池的原理是太陽(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)電子一空穴對(duì)。電子一空穴對(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)積累了過剩的電子，P區(qū)積累了過剩的空穴，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。

太陽(yáng)能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)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?。蓄電池的作用是在有光照時(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)。在并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，可不加蓄電池組。太陽(yáng)能的直接輸出一般都是12V(Dc)、24V(DC)、48V(Dc)。為能向220V(AC)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。

2.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式可以分為三種基本類型：獨(dú)立運(yùn)行、并網(wǎng)型和混合型。

(1)獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)

獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)見圖1 。

獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)需要有蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，主要用于無(wú)電網(wǎng)的邊遠(yuǎn)地區(qū)及人口分布分散地區(qū)。由于必須配置蓄電池儲(chǔ)能裝置，所以整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)較高。

(2)并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)見圖2。

在有公共電網(wǎng)的地區(qū)，光伏發(fā)電系統(tǒng)一般與電網(wǎng)連接，這要求逆變器具有同電網(wǎng)連接的功能。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)可以將電網(wǎng)作為自己的儲(chǔ)能單元，因此可以省去蓄電池，這使得造價(jià)大幅度降低，同時(shí)還具有更高的發(fā)電效率和更好的環(huán)保性能。

(3)混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)

混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)見圖3。

獨(dú)立運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)供電保證率設(shè)計(jì)得太低，無(wú)法滿足和保證用戶的用電要求；提高供電保證率，則勢(shì)必要增加系統(tǒng)中光電陣列的容量和蓄電池的容量，這將大幅度增加系統(tǒng)的造價(jià)和成本。為解決此問題可以在系統(tǒng)中增加一臺(tái)發(fā)電機(jī)組，當(dāng)光電陣列發(fā)電不足或者蓄電池容量不足，所存儲(chǔ)的能量已經(jīng)耗盡時(shí)，可以動(dòng)用備用發(fā)電機(jī)組。它既可以用來(lái)直接給交流負(fù)載供電，又可以通過一臺(tái)整流器給蓄電池補(bǔ)充充電。

3 結(jié)束語(yǔ)

雖然目前太陽(yáng)能發(fā)電的基本技術(shù)已經(jīng)比較成熟，太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)也已初步形成，但由于太陽(yáng)能發(fā)電受天氣影響很大、發(fā)電系統(tǒng)效率較低、初期投資高，所以至今還未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。將太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)與其它發(fā)電技術(shù)互補(bǔ)利用，將是太陽(yáng)能發(fā)展的趨勢(shì)，其中風(fēng)、光系統(tǒng)最為常見，這主要是因?yàn)檫@兩種資源都是取之不盡的清潔能源，而且風(fēng)力資源與太陽(yáng)光資源具有較好的互補(bǔ)特性：沒有太陽(yáng)的時(shí)候經(jīng)常有風(fēng)，沒有風(fēng)的時(shí)候常常有太陽(yáng)。