太陽能發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

潘忠濤++郝軍++王璟

摘 要：光伏發(fā)電和光熱發(fā)電是目前利用太陽能發(fā)電的主要形式，本文介紹了兩種發(fā)電形式的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上分析了二者作為環(huán)保清潔的綠色能源，是未來具有廣闊發(fā)展前景的新能源發(fā)電形式。

關(guān)鍵詞：太陽能 光伏發(fā)電 光熱發(fā)電 前景展望

中圖分類號(hào)：TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）09（b）-0100-02

太陽能是是地球上所有生物賴以生存的能量源泉，太陽平均每秒向空間放射的能量可達(dá)3.865×1026J，而僅約1.75×1017J被地球表面所接收，約占22億分之一[1]，而到達(dá)地球表面的太陽能中只有極少一部分被人們利用。

隨著石油、天然氣、煤炭等不可再生能源的不斷消耗，環(huán)境問題日益成為人民共同關(guān)注的話題，目前我國的SO2排放量已居世界第一位，CO2排放量僅次于美國居第二位。開發(fā)利用環(huán)保綠色的可再生能源成為解決當(dāng)今能源問題的必由之路，在諸多的新能源技術(shù)中，太陽能是一種無污染、可再生的清潔能源，具有廣闊的發(fā)展前景。

利用太陽能發(fā)電已經(jīng)成為利用太陽能的主要形式，目前利用太陽能發(fā)電的方式主要有太陽能光伏發(fā)電和太陽能聚光光熱發(fā)電。

1 光伏發(fā)電技術(shù)

太陽能光伏發(fā)電（photovoltaics，簡稱PV）是利用半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)，將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電形式。

太陽能電池是利用半導(dǎo)體材料PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)，當(dāng)太陽光照射到電池板表面時(shí)，電池板內(nèi)的電子受到激發(fā)，在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下，電子被驅(qū)向N區(qū)，空穴被驅(qū)向P區(qū)，電子和空穴的定向移動(dòng)形成了電流和電位差[2]，把若干個(gè)太陽能電池串并聯(lián)起來，便可獲得所需的電能。硅基太陽能電池是目前發(fā)展最成熟、工業(yè)化生產(chǎn)規(guī)模最大的太陽能電池[1]。盡管PV是目前利用太陽能發(fā)電的主要形式，得到大規(guī)模發(fā)展，但PV具有以下缺點(diǎn)。

1.1 發(fā)電效率低

盡管太陽能是以輻射的形式向空間傳播的，但太陽能電池的性質(zhì)決定其對太陽光譜的吸收具有選擇性[2]，通常單晶硅太陽能電池只吸收380～1100nm波長范圍內(nèi)的能量用于發(fā)電，其余波段的能量被太陽能電池吸收變成熱能。隨著電池溫度的升高，電池中電子的熱運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，能帶間隙降低，開路電壓隨溫度升高而下降，短路電流隨溫度升高而升高，結(jié)果使電池的輸出功率隨溫度升高而下降，溫度升高降低了太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。

單晶硅太陽能電池的理論轉(zhuǎn)換效率約為28.8%，實(shí)驗(yàn)室最高效率達(dá)25%，規(guī)?；a(chǎn)的電池效率約17%[1]，目前單晶硅電池實(shí)際平均效率約為12%～16%，多晶硅光伏電池效率約為11%～15%，非晶硅光伏電池的效率僅為5%～18%[2]。由于電池的光電轉(zhuǎn)換效率較低，要增加發(fā)電量就要增加電池板的數(shù)量，建設(shè)成較高，一定程度上制約其發(fā)展。

1.2 發(fā)電系統(tǒng)的波動(dòng)性

由于太陽輻射受晝夜交替、季節(jié)變化、地理位置的差異存在較大的隨機(jī)性和波動(dòng)性，使得PV的效率受到區(qū)域受氣候環(huán)境影響大，功率輸出不穩(wěn)定。另外，大氣透明度、空氣中的顆粒物等附著在電池板表面也對光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生較大影響。

1.3 電池生產(chǎn)耗能高、污染大

太陽能電池在使用其發(fā)電過程中具有“無燃料消耗、無噪聲、無污染”的特點(diǎn)，但在電池的生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在不少高耗能環(huán)節(jié)，有大量的污染產(chǎn)生。國內(nèi)從生產(chǎn)工業(yè)硅到太陽能電池的全過程綜合電耗約220萬kWh/MW，平均生產(chǎn)1kW的太陽能電池需要10kg多晶硅，耗電5800～6000kWh[3]。

電池生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物SiCl4是一種無色或淡黃色發(fā)煙液體，有刺激性氣味，受熱或遇水分解會(huì)放出有毒的腐蝕性煙氣。國外每生產(chǎn)1kg多晶硅會(huì)產(chǎn)生10～15kg的SiCl4，通過還原處理后排放量仍然高達(dá)5～10kg[3]；同時(shí)電池板生產(chǎn)過程中大量使用HF、HNO3、POCl3、異丙醇等化學(xué)物質(zhì)，單位產(chǎn)能廢水排放量500～1500m3/MW，廢水中含有大量的F-、COD、TN等污染物。

2 聚光光熱發(fā)電技術(shù)

太陽能聚光光熱發(fā)電（Concentrating Solar Power，簡稱CSP）是又一種利用太陽能發(fā)電的形式，CSP是一種利用聚光裝置將太陽光聚集起來以增加太陽輻射能的密度，進(jìn)而加熱循環(huán)介質(zhì)并產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電的技術(shù)。

與PV相比，CSP可利用全波段的太陽光，也可通過蓄熱實(shí)現(xiàn)晝夜連續(xù)發(fā)電，對電網(wǎng)影響較小[1]，同時(shí)CSP也克服了PV中太陽輻射能密度低的缺點(diǎn)。根據(jù)聚光方式的不同，太陽能聚光熱發(fā)電技術(shù)可分為塔式、槽式、菲涅爾和碟式4類熱發(fā)電技術(shù)。

2.1 槽式熱發(fā)電技術(shù)

槽式熱發(fā)電是通過槽式拋物面反射鏡，將太陽光聚成一條焦線加熱集熱管內(nèi)的傳熱介質(zhì)，經(jīng)過換熱器交換熱量，將收集到的太陽熱能傳遞給動(dòng)力回路中的蒸汽，進(jìn)入汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。聚光器對太陽輻射進(jìn)行一維跟蹤，在太陽能不足的情況下可以進(jìn)行輔助加熱，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。

2.2 菲涅爾熱發(fā)電技術(shù)

線性菲涅爾熱發(fā)電是利用條狀平面鏡或低曲率鏡面做反射鏡，將太陽光線匯集于集熱管加熱循環(huán)介質(zhì)，產(chǎn)生高溫蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。與槽式熱發(fā)電系統(tǒng)類似，但菲涅爾反射鏡一般安裝在接近地面，菲涅爾反射鏡布置密集，易出現(xiàn)反射光線被相鄰鏡面遮擋，以及光線入射到鏡面會(huì)產(chǎn)生陰影，導(dǎo)致太陽能收集率低、光電轉(zhuǎn)換效率低，該技術(shù)目前仍處于示范階段。

2.3 塔式熱發(fā)電技術(shù)

塔式熱發(fā)電是通過地面鏡場將太陽輻射聚集到距離地面一定高度吸熱塔的吸熱器上，吸熱器直接接受地面鏡場反射的太陽輻射，吸熱器中的傳熱介質(zhì)（熔融巖）獲得高溫?zé)崮?，再將熱能輸送到蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。這一系統(tǒng)中，定日鏡以吸熱塔為中心分布在吸熱塔的周圍，要把太陽光準(zhǔn)確的反射到吸熱器上，需要對鏡場中每個(gè)定日鏡都要進(jìn)行單獨(dú)的二維跟蹤控制，鏡場控制系統(tǒng)復(fù)雜，但其聚光效率高，系統(tǒng)發(fā)電效率高。隨著技術(shù)研發(fā)的不斷深入和關(guān)鍵技術(shù)的不斷突破和建設(shè)成本的不斷降低，塔式光熱發(fā)電技術(shù)會(huì)成為未來CSP的主要形式。

2.4 碟式熱發(fā)電技術(shù)

是利用蝶形反射鏡將太陽光聚集在焦點(diǎn)上，焦點(diǎn)處的接收器收集較高溫度的熱能加熱介質(zhì)以驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，將熱能轉(zhuǎn)化為電能。該系統(tǒng)采用雙軸跟蹤方式，聚光比高，相較于前面幾種技術(shù)，碟式熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展相對緩慢。

3 結(jié)語

雖然太陽能綠色無污染，但太陽能的能流密度低，且受氣候的影響不穩(wěn)定、不連續(xù)，同時(shí)太陽電池轉(zhuǎn)換效率低，限制了PV電池的進(jìn)一步發(fā)展。但隨著技術(shù)進(jìn)步，PV會(huì)不斷向縱深方向發(fā)展，STPV是又一種PV的新途徑，與PV比較，其輻射能量密度由無聚光PV的0.1W/cm2變?yōu)榫酃釹TPV的5～30W/cm2。另外，STPV除獲得電能，還得到了熱能，進(jìn)一步提高了太陽能的利用效率，具有廣闊的發(fā)展前景。

CSP可實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)電，機(jī)組可以實(shí)現(xiàn)24h不間斷的穩(wěn)定運(yùn)行，可按照電網(wǎng)要求輸出有功和無功，滿足電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)峰的要求，這是PV無法比擬的。隨著技術(shù)的日臻成熟，新型聚光器、吸熱器等核心設(shè)備性能的革新，CSP會(huì)成為未來新能源發(fā)電的主要形式，CSP會(huì)成為一種大規(guī)模電力供應(yīng)的補(bǔ)充方式，具有廣闊的發(fā)展前景，必然會(huì)得到大規(guī)模的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 張艷梅.基于碟式的太陽能二次反射及其分頻系統(tǒng)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[2] 王剛.太陽能利用中的熱物理基礎(chǔ)理論及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

[3] 郭丹.太陽能發(fā)電現(xiàn)狀及環(huán)境效應(yīng)分析[J].電子制作， 2013（23）：82.endprint