太陽能發(fā)電技術(shù)的研究與展望

許迎東 劉浩

1、河北省科技工程學(xué)校 2、河北誠譽環(huán)境工程有限公司

引言

隨著第一次工業(yè)革命的誕生，“能源”一詞也進(jìn)入了人們的視野。進(jìn)入20 世紀(jì)以后，人類開啟了超高速發(fā)展模式，煤炭、石油和天然氣等非再生資源日益減少，使得能源問題在全球國際事務(wù)中更加突出。當(dāng)前，環(huán)境和發(fā)展是人類社會的兩大問題，如何更好地解決能源與地球環(huán)境和社會發(fā)展之間的矛盾，是全球能源開發(fā)者亟待解決的難題。新能源的開發(fā)和利用為全球發(fā)展指明了方向，特別是太陽能發(fā)電技術(shù)因其獨有的優(yōu)勢備受大眾歡迎，具有良好的發(fā)展前景。

1 太陽能發(fā)電技術(shù)

隨著第二次工業(yè)革命的到來，電能成為人類生產(chǎn)生活無法脫離的能源，如何將太陽能更好地轉(zhuǎn)化成電能成為科學(xué)工作者的研究方向。目前太陽能發(fā)電技術(shù)主要包括光伏發(fā)電、光熱發(fā)電、熱風(fēng)發(fā)電以及太陽池發(fā)電等。接下來，本文將對其工作原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及特點等進(jìn)行介紹。

1.1 光伏發(fā)電技術(shù)

光伏發(fā)電技術(shù)是一種直接將太陽光的輻射能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)。它主要利用的是半導(dǎo)體PN 結(jié)的光生伏特效應(yīng)。當(dāng)太陽光照射在PN 結(jié)上時，部分光被反射，其余部分能量中的光子將半導(dǎo)中的電子從共價鍵中激發(fā)，形成空穴- 電子對。在PN 結(jié)內(nèi)建電場的作用下，發(fā)生擴(kuò)散運動，空穴由N 區(qū)流向P 區(qū)，電子由P 區(qū)流向N 區(qū)，接通外電路后就形成電流，太陽能便被轉(zhuǎn)化為電能。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是通過太陽能電池板將太陽的輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。它一般由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組、直流- 交流逆變器、直流負(fù)載、交流負(fù)載等部分組成，具體組成情況如圖1.1 所示。

圖1 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)圖

光伏發(fā)電技術(shù)最關(guān)鍵的組件是太陽能電池板，它將直接決定整個系統(tǒng)的發(fā)電效率和成本。根據(jù)電池材料研發(fā)階段的先后，大致可分為三個階段，它們的材料類型、發(fā)電效率和性能存在一定差別，具體特性如表1 所示。

表1 太陽能電池材料特性表

1.2 光熱發(fā)電技術(shù)

光熱發(fā)電技術(shù)是利用光學(xué)的反射或折射原理，將光能聚集到點或線上，利用集熱器吸收儲存太陽能的熱量，再通過熱交換系統(tǒng)將熱量傳遞給流體，從而產(chǎn)生高溫蒸汽，推動汽輪機及發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)，最終產(chǎn)生電能。具體系統(tǒng)組成如圖2 所示：

圖2 太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)圖

光熱發(fā)電技術(shù)又稱“聚光太陽能發(fā)電”，是太陽能利用的一個重要方向。其特點是在夜間依然可以持續(xù)發(fā)電，電力輸出平穩(wěn)。根據(jù)聚光方式的不同，光熱發(fā)電主要分為槽式、塔式、菲涅爾式和碟式四類。最為常見的是槽式發(fā)電系統(tǒng)，利用多組槽式拋物面反射鏡聚光系統(tǒng)，將太陽光聚焦到集熱器上；塔式發(fā)電系統(tǒng)，又稱集中型發(fā)電系統(tǒng)，利用眾多獨立跟蹤太陽光的平面定日鏡反射原理，將光能集中到設(shè)置于高塔頂部的吸熱器上；線性菲涅爾式光熱發(fā)電系統(tǒng)則是通過跟蹤太陽運動的菲涅爾式反射鏡，將太陽光匯集到上方固定的吸熱管上；還有一種碟式發(fā)電系統(tǒng)，其反射鏡采用碟狀拋物面鏡，將太陽光聚集到集熱器焦點處，焦點處安裝斯特林發(fā)電機，完成發(fā)電。

1.3 熱風(fēng)發(fā)電技術(shù)

熱風(fēng)發(fā)電技術(shù)俗稱“煙囪發(fā)電”，主要應(yīng)用空氣動力學(xué)原理。空氣在密閉的環(huán)境中經(jīng)過太陽照射后，體積膨脹，壓強變大，形成熱氣流，帶動發(fā)電機組發(fā)電。如圖3 所示，整個熱風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)包括煙囪、集熱棚、蓄熱層和渦輪發(fā)電機組四大部分。太陽光照射到集熱棚的同時將熱量存儲在蓄熱層中。內(nèi)部空氣受熱膨脹，體積變大，密度變小，壓強增大。利用集熱棚中央的煙囪，加大內(nèi)外壓強差，在棚內(nèi)形成強大氣流帶動煙囪底部軸流式渦輪發(fā)電機組旋轉(zhuǎn)，最終完成太陽能到電能的轉(zhuǎn)換。

圖3 太陽能熱風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)圖

熱風(fēng)發(fā)電技術(shù)在利用太陽能發(fā)電的同時也可以與風(fēng)能聯(lián)動，構(gòu)成混合發(fā)電系統(tǒng)。這種發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備簡單，前期成本投入不高，發(fā)電過程中不會有任何有害物質(zhì)排放。但是，集熱棚透光度易被塵土干擾，影響太陽能的吸收效率，同時系統(tǒng)設(shè)計時需充分考慮集熱棚、蓄熱層及超高煙囪工藝要求，特別注意防風(fēng)防震等安全問題。

1.4 太陽池發(fā)電技術(shù)

太陽池發(fā)電技術(shù)開辟了太陽能開發(fā)和利用的另一條途徑。太陽池實際上是鹽水池，它內(nèi)部溶液的鹽度自上而下逐漸增加、直至飽和。這樣梯度穩(wěn)定的狀態(tài)能夠更好地聚集能量，減少對流散熱，使底層溶液保持高溫狀態(tài)。太陽池發(fā)電就是用池底的高溫溶液作為熱源，通過熱交換器加熱介質(zhì)，從而驅(qū)動汽輪發(fā)電機組。太陽池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，建造成本較低，對周圍的光照強度要求不高。但是太陽池占地面積大，且只能水平設(shè)置；若太陽池出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，會造成環(huán)境污染及熱損失，所以建造工藝要求較為苛刻。

2 太陽能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與展望

太陽能發(fā)電技術(shù)中的光伏發(fā)電起步較早，加上各國在政策和資金方面投入力度較大，得到了長足的發(fā)展。雖然目前仍存在效率偏低、隨機性和波動性較大、原材料生產(chǎn)能耗大等弊端。但仍是今后太陽能發(fā)電中的重要組成，在保護(hù)環(huán)境和節(jié)能減排方面發(fā)揮積極作用。光熱發(fā)電不但可在夜晚或弱光條件下工作，而且輸出穩(wěn)定，與電網(wǎng)匹配性好，是太陽能發(fā)電技術(shù)中的一支潛力股。太陽能熱風(fēng)發(fā)電和太陽池發(fā)電目前還處在理論分析和實驗階段，規(guī)模化推廣還需一定的時間。

3 結(jié)語

全球面臨著嚴(yán)重的資源匱乏問題，新能源的開發(fā)和利用因此受到了廣泛關(guān)注。太陽能作為取之不竭的能源寶藏，如何對其進(jìn)行深度開發(fā)，是值得人類長期探討和研究的話題。太陽能發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)能源相比，盡管存在效率偏低、功率輸出受制于天氣因素等缺點，但我們建立多種能源互補的發(fā)電系統(tǒng)，如太陽能燃煤機組互補、太陽能燃?xì)饴?lián)合循環(huán)互補等，實現(xiàn)多能源的高效利用，減少有害物質(zhì)的排放，進(jìn)一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)效率。相信太陽能發(fā)電技術(shù)一定能夠在不久的將來成為能源轉(zhuǎn)型的重要支撐，大幅度補充能源短板，在經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中發(fā)揮更大的作用。