太陽能發電應用的調研

武家勝　李　珂　楊澤偉

摘要:本文概述了目前全球能源現狀,表明了太陽能發電的重要性和前景,詳細介紹了各種太陽能發電方式和它們的優點,并對這幾種發電方式作了參數對比。同時指出太陽能發電面臨的困難和解決措施,以及我國太陽能發電的有利條件和難點,對未來我國太陽能發電進行了展望。

關鍵詞:太陽能 發電方式 規模化

引言

人類社會已進入21世紀,在新千年開始之際,熱門正面臨著一系列重大的挑戰,全球經濟發展,人口迅速增加,需要提供更多的食物、住房和原料,因而對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要產生大量溫室氣體,全球單是CO2排放量每年就超過500億噸,而且還在不斷擴大。形成的酸雨造成土壤退化,危害動植物。全球氣候變暖可能會產生災難性后果,必須采取堅決措施,減少溫室氣體的排放。因此,治理環境污染,已成為當務之急。同時,礦物燃料的儲藏量是有限的,按目前探明的儲藏與開發速度的比例計算,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,到本世紀中葉,人類必將面臨礦物燃料枯竭的嚴重局面。

為了減少大氣污染、保護人類生態環境、保證能源的長期穩定供應,必須實施可持續發展戰略,逐步改變現有的能源結構,大力開發利用新能源。這已成為各國的共識。

在新能源中,公認技術含量最高、最有發展前途的是太陽能發電。下面就這兩大類太陽能發電方式逐一介紹。

1. 太陽能發電的類型及其優點

太陽能發電可分為太陽能熱發電和太陽能光發電兩大類。

1.1 太陽能熱發電

聚光式系統的集熱部分由聚光器、跟蹤定位器、吸收器構成,不同的技術常在此部分有所區別;傳輸部分由管道和介質構成,介質常是空氣或水;儲熱部分用來保證發電的連續性,介質多為熔鹽。聚光式系統可分為塔式太陽能熱發電系統、槽式太陽能熱發電系統以及碟式太陽能熱發電系統。

1.1.1 塔式太陽能熱發電系統

塔式太陽能熱發電系統也稱為集中式太陽能熱發電系統。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變成熱能,然后將熱能傳遞給熱力循環的工質,再驅動熱機做功發電。

1.1.2 槽式太陽能熱發電系統

槽式太陽能熱發電系統是利用槽式拋物面反射鏡聚光的太陽能熱發電系統的簡稱。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成聚光集熱器陣列。該系統中機熱油回路和動力蒸汽回路分離開來,經過一系列換熱器來交換熱量。當太陽能供應不足時,利用一個輔助加熱器將油回路中的導熱油加熱,從而實現系統的穩定連續運行。

1.1.3 碟式太陽能熱發電系統

碟式太陽能熱發電系統借助雙軸跟蹤,利用旋轉拋物面反射鏡,將入射的太陽輻射進行點聚集,聚光點的溫度一般為500—1000℃,吸熱器洗手這部分輻射能并將其轉換成熱能,加熱工質以驅動熱機(如燃氣輪機、斯特林發動機或其他類型透平等),從而將熱能轉換成電能。該方式的優點是:轉化效率最高;可模塊化;可以混合發電。

除了上述幾種聚光式太陽能熱發電方式以外,太陽池發電、太陽能塔熱氣流發電等新領域的研究也有進展。

1.2 太陽能光發電

太陽能光發電是指無需通過熱過程直接將光能轉變為電能的發電方式。它包括光伏發電、光化學發電、光感應發電和光生物發電。光伏發電是利用太陽能級半導體電子器件有效地吸收太陽光輻射能,并使之轉變成電能的直接發電方式,是的那股勁太陽光發電的主流。目前世界上應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量單晶硅材料和相關的加工處理工藝基礎上的。它的轉換效率最高,技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉換效率為23%,而規模生產的單晶硅太陽能電池,其效率為15%。硅電池進展的重要原因之一是表面鈍化技術的提高。此外,倒金字塔技術、雙層減反射膜技術以及陷光理論的完善也是高晶硅電池發展的主要原因。

1.2.2 多晶硅電池

多晶硅電池與單晶硅比較,由于所使用的硅遠比單晶硅少,其成本遠低于單晶硅電池,具有獨特的優勢。但是由于它存在著晶粒界面和晶格錯位的明顯缺陷,造成多晶硅電池光電轉換率一直無法突破20%的關口,低于單晶硅電池。薄膜太陽能電池

薄膜太陽能電池發電是另一種光伏發電方式。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品,現在發展了薄膜太陽電池。目前薄膜電池主要有硅基薄膜太陽電池、化合物半導體薄膜電池、燃料敏化TiO2太陽電池等。

太陽能光伏發電系統的主要優點是: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施的不斷電要求;太陽能發電板陣列直接吸收太陽能,降低墻面及屋頂的溫升,減輕建筑空調負荷。

2. 太陽能發電面臨的困難和解決措施

前面介紹了幾種太陽能熱發電技術,除碟式發電系統外,都屬于大規模發電系統,只有做成幾十到幾百兆瓦級的發電站,成本才可能降下來。太陽能塔熱氣流發電和太陽池發電占地面積大,利用效率不高,僅僅在1%左右。因此太陽能塔熱氣流發電應放在土地廣闊、人口稀少的沙漠地區使用;而太陽池發電應適合放在日照條件好、鹽資源比較豐富的地區使用。總體來看,槽式發電系統技術上最為成熟,且其跟蹤機構比較簡單易于實現,總體成本最低。太陽能熱發電系統要實現的是低成本的投資和技術上的高可靠性運行。這要求未來在技術上要進行新型集熱材料的研究和開發,快速提高跟蹤機構的技術并降低其實現成本。同時發電產業要努力實現規模化,建立大規模的并網系統,既節約成本,又保證系統平穩安全運行。

對于光伏發電來說,總體來看,該產業尚處于起步階段,主要是由于太陽能發電初期投資大,控制成本高,而太陽能轉化效率比較低,且容易受天氣等多種因素影響。根據目前光伏發電發展狀況和其技術難點,未來的光伏發電研究需要重視以下幾個方面:一是加快太陽能原材料晶體硅生產技術的研究和新型替代材料的開發,降低材料成本并提高其轉化效率;二是提高系統控制技術,如達到光伏電池陣列的最優化排列組合、實現太陽光最大功率跟蹤等;三是研究光伏發電的并網技術,減少光伏電能對電網的沖擊;四是研究光伏發電與其他可再生能源發電技術的結合應用,保證供電持續性。

3. 我國太陽能發電的優勢和難點

發展太陽能發電的需求主要來自滿足農村和邊遠地區的生產與生活用電和21世紀中持續發展我國電力事業兩個方面。在太陽能發電上我國具有得天獨厚的有利條件:

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

(2)我國太陽能電池的生產能力超過日本、美國和歐洲,居世界第一位,2007年我國太陽能電池的產量約為1180兆瓦。2007年在全球太陽能生產企業16強中,我國占據了6席。

(3)逆變技術是太陽能發電的關鍵技術之一,由于在大功率開關器件開發和逆變技術的應用等方面,我國已取得長足進步,生產出適用于光伏并網、高效率、高可靠性、低污染、低成本的逆變器成為可能。

但為了太陽能發電產業的快速發展,必須解決以下幾個問題:

(1)我國生產太陽能電池的原材料主要依靠進口,而絕大多數太陽能電池和切片用于出口,這種不利于產業發展的加工業局面必須盡快扭轉。

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

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

(4)我國的太陽能發電產業起步于獨立型太陽能發電設備(10kW以下),主要用于解決太陽能資源豐富而又無電的邊遠地區的居民用電。而更大容量(MW級)的并網型太陽能發電設備的投產是降低成本的途徑之一。

(5)截止到2005年,我國的風力發電總裝機容量為1500MW左右,是太陽能發電總裝機容量的20倍,到2020年規劃總裝機容量為30000MW,也是規劃太陽能發電總裝機容量的15倍。但兩者特點各異。夏季日照足風速低,冬季日照弱風速強;同樣白天日照強時風小,夜晚無光照時風大。太陽能發電與風力發電并網是提高電能質量和降低成本的另一途徑。

4. 結束語

太陽能發電對于我國農村與邊遠地區發展的重要性已經深入人心,取得了顯著成績。在近期內,應用的重點仍應是解決農村及邊遠地區的供電。太陽能發電對于我國電力發展的重要作用也已開始被認識,獨立光伏站已開始示范運行,今后有關工作應繼續加強,給予更大的支持。而且經過十多年的持續努力,我國已建立了太陽能發電的研究發展,設備制造與應用的良好基礎,制定了至2010年的發展規劃。積極開拓市場,光電市場的增長比預期的快。與此同時,加強國際交流合作也是十分重要的。

我國太陽能發電的前景將會十分光明!

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