新型太陽能電站發(fā)電效率提高的研究與設(shè)計(jì)

李為明

摘 要：目前我國乃至全球均面臨著環(huán)境、能源、資源的巨大壓力，可再生的環(huán)保性能源是解決大氣污染與能源短缺問題的必然趨勢(shì)，是地球可持續(xù)發(fā)展的唯一選擇。太陽能電站利用了最具發(fā)展前景、最具廣泛性的太陽光能，將光能轉(zhuǎn)化為電能供人們使用，太陽能的持續(xù)性與廣泛性特征讓高效率應(yīng)用太陽能成為了研究者的重點(diǎn)思考課題。本文首先分析了目前我國建設(shè)太陽能發(fā)電站在效率方面的阻礙因素，并在此基礎(chǔ)上提出了新型太陽能電站效率提升的幾點(diǎn)策略。

關(guān)鍵詞：太陽能電站；發(fā)電效率；改進(jìn)措施

太陽能發(fā)電技術(shù)簡(jiǎn)稱CSP，利用太陽光線溫度資源實(shí)現(xiàn)發(fā)電的環(huán)保性與可持續(xù)性[1]。相對(duì)于光伏發(fā)電而言，太陽能發(fā)電通過物理方式實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，減少了對(duì)地球資源的消耗與對(duì)環(huán)境的影響，是發(fā)電站的必然發(fā)展趨勢(shì)[2]。現(xiàn)階段，塔式電站利用其系統(tǒng)綜合效率高、熱功轉(zhuǎn)換效率高、集熱效率高、成本控制空間大的優(yōu)勢(shì)，成為了我國太陽能發(fā)電站的建站首選。本文以太陽能發(fā)電站的發(fā)電效率為切入點(diǎn)，研究了效率影響因素及研究設(shè)計(jì)策略。

一、發(fā)電效率阻礙因素

（一）自主技術(shù)限制

以塔式太陽能發(fā)電站為例，在技術(shù)層面欠缺自主研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，多數(shù)核心技術(shù)屬于引進(jìn)，無法掌握技術(shù)內(nèi)核。如高溫熔融鹽泵的制造、吸熱器設(shè)備的制造、吸熱器涂層材料制造、吸熱管材的研發(fā)、定日鏡鍍層材料等，均屬于保密級(jí)別的高精尖技術(shù)，引入難度較大[3]。我國在技術(shù)層面目前發(fā)展?fàn)顟B(tài)為初級(jí)起步階段，控制技術(shù)、光熱電站系統(tǒng)模擬仿真技術(shù)、集成技術(shù)、整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)等均缺乏電站建設(shè)運(yùn)營的實(shí)際能力與建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，只能夠引進(jìn)或模仿國外先進(jìn)技術(shù)，無法切實(shí)結(jié)合我國發(fā)展現(xiàn)狀通過核心技術(shù)的自主研發(fā)實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率的提升。

（二）建站成本偏高

由于我國太陽能電站的發(fā)電技術(shù)大多來源于國外研究成果，而發(fā)電站的建設(shè)屬于技術(shù)密集型與資本密集型，因此在引進(jìn)的同時(shí)還應(yīng)考慮到建設(shè)競(jìng)爭(zhēng)力與經(jīng)濟(jì)性。我國太陽能發(fā)電站多建設(shè)于高原地區(qū)，偏北方，存在明顯的揚(yáng)沙、大風(fēng)、高海拔特征，DNI分布差異明顯。若直接引用美國、西班牙等地的建站技術(shù)，其適用性將大打折扣，在不斷調(diào)整過程中影響了建站成本控制?，F(xiàn)如今我國已建成的較大型太陽能發(fā)電站為中控德令哈電站與八達(dá)嶺延慶電站，數(shù)量較少，無法形成建站經(jīng)驗(yàn)。加上目前國家政策方面對(duì)發(fā)電站的市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展尚未明確，因此建站成本居高不下，急需國產(chǎn)化設(shè)備及國家政策的支撐[4]。

二、發(fā)電站提升效率的設(shè)計(jì)研究

（一）高效率應(yīng)用太陽輻射度

太陽能電站的發(fā)電效率很大程度上取決于太陽輻射強(qiáng)度，輻射升高時(shí)電池開路電壓會(huì)隨之小幅度提升，繼而提升短路電流，增強(qiáng)輸出功率。以光跟蹤技術(shù)為例，目前可采用光電自動(dòng)跟蹤法與視日運(yùn)行軌道跟蹤法兩種光跟蹤技術(shù)。前者通過光敏電阻之類的光傳感原件感知陽光，陽光射入角度的不斷變化讓傳感器出現(xiàn)偏差信號(hào)，在信號(hào)放大器作用下偏差信號(hào)被輸入至控制單元，在偏差值的位置計(jì)算下利用驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)電池陣列位置加以調(diào)整，確保其垂直于太陽光；后者的原理為對(duì)太陽方位角加以跟蹤、感知變化，由電池陣列繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，保障方位角平行于太陽方位角。

（二）優(yōu)化電池原料

電池原料的選擇應(yīng)盡量采用自主研發(fā)制，根據(jù)我國發(fā)電站建站位置環(huán)境、規(guī)模等因素，設(shè)計(jì)出適應(yīng)性更高的材料設(shè)備。太陽能電池材料應(yīng)選擇寬度適合的半導(dǎo)體材料禁帶，同時(shí)符合轉(zhuǎn)換率高、可工業(yè)化使用、環(huán)境污染少的要求。目前我國正研發(fā)以氮、鎵、銦的合金為基礎(chǔ)的光電池，并發(fā)現(xiàn)氮化銦作為半導(dǎo)體，在禁帶寬度上遠(yuǎn)低于初始認(rèn)知，因此該技術(shù)下光電池能夠更靈敏的接收太陽光譜輻射。同時(shí)，該光電池效率明顯高于目前使用材料，多級(jí)太陽能電池利用氮化鎵與氮化銦雙層制成在理論極限上可達(dá)到最大效率的？。

（三）電池組件溫度控制

電池組件的溫度變化會(huì)影響到光伏發(fā)電效率，溫度的上升讓組件中熱機(jī)發(fā)電子處于主導(dǎo)，電池短路電路隨之升高，開路電壓明顯下滑，影響到輸出功率的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)溫度處于20℃-100℃之間時(shí)，溫度提升1℃則開路電壓下降2mV，短路電流提升1‰，即功率下降0.35%。因此在太陽能電站建站并使用期間應(yīng)注意嚴(yán)格控制電池組件溫度，可利用冷卻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)降溫?，F(xiàn)階段可通過被動(dòng)冷卻與主冷卻兩種方式完成，相對(duì)而言主冷卻對(duì)太陽能的利用率更高，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性相對(duì)偏低，因此更宜選擇可靠性及成本性均具優(yōu)勢(shì)的被動(dòng)冷卻系統(tǒng)。

太陽能發(fā)電站的建設(shè)是全球發(fā)電站的必然發(fā)展趨勢(shì)，充分利用太陽能、提升發(fā)電效率需要從設(shè)備、材料、技術(shù)等方面不斷優(yōu)化，不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝、規(guī)避影響發(fā)電效率的影響因素，設(shè)計(jì)出適應(yīng)性高、發(fā)電功率穩(wěn)定、安全性強(qiáng)、成本性高的太陽能電站，不斷提升太陽能轉(zhuǎn)換效率，讓新型太陽能電站不斷向無污染、壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)量大、效率高發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳毅，王佳瑩，王明坤，戴義平.基于超臨界CO_2布雷頓循環(huán)的塔式太陽能集熱發(fā)電系統(tǒng)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，v.5005：108-113.

[2]胡甜，余琴，王躍社.基于光線蹤跡法的塔式太陽能鏡場(chǎng)布置與優(yōu)化研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2015，v.3604：791-795.

[3]羅彥，杜小澤，楊立軍，楊勇平.塔式太陽能電站分離式吸熱器熱流分布與定日鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)研究[J].可再生能源，2017，v.35；No.222 02：192-200.

[4]羅彥，杜小澤，楊立軍，楊勇平.塔式太陽能熱發(fā)電太陽倍數(shù)及儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)優(yōu)化研究[J].熱力發(fā)電，2017，v.46；No.36706：21-27.endprint