新能源太陽能發(fā)電技術及應用的探討

中廣核新能源投資（深圳）有限公司新疆分公司 劉亮山 劉彥攀 郭 海 魏育攀

隨著社會快速發(fā)展以及經(jīng)濟水平日益提高，化石燃料的過度開采和使用，使得地球生存環(huán)境越來越惡劣。太陽能的研究與使用，可以在一定程度上緩解上述問題的發(fā)生。由于當前世界能源形勢緊張，太陽能發(fā)電技術將會成為一個嶄新的技術手段，代替了傳統(tǒng)的化石燃料發(fā)電技術。

1 太陽能發(fā)電技術的現(xiàn)狀

由于人們物質生活水平的提升，對電力的需求量也越來越高。雖然傳統(tǒng)的電力能源大多使用火力發(fā)電，但由于對環(huán)境的日益污染、不可再生能源的減少，傳統(tǒng)的電能源已無法滿足人們的需求，如何利用可再生資源則是人們當前十分關心的問題，因此太陽能的發(fā)展勢在必行。此外，傳統(tǒng)火力發(fā)電所產(chǎn)生的危害較大，火力發(fā)電要消耗大量的煤炭，而焚燒所產(chǎn)生的二氧化碳和硫黃氧化分解物會污染環(huán)境。

太陽能作為一種綠色能源，儲量大、環(huán)保、潔凈，且對自然環(huán)境友好。太陽能發(fā)電重點是依靠太陽光照獲取能量，并通過技術轉化為電能以供人們使用。與傳統(tǒng)的發(fā)電模式相比，太陽能有著較多優(yōu)勢：一是太陽能是綠色能源，資源豐富，且屬于可再生資源；二是太陽能不會對人類、動物或自然環(huán)境造成影響；三是太陽能發(fā)電不受地域的限制；四是能源的獲取所耗費的時間短[1]。

2 太陽能發(fā)電技術類型分析

2.1 光伏發(fā)電技術

光伏科技是指可通過把太陽光的放射能轉化為能源的發(fā)電科技。其重點運用的原理是通過半導體技術形成PN結的光生伏特效果。在光伏發(fā)電實踐中，主要利用半導體界面的光生伏特效應將光能直接轉變?yōu)殡娔埽藭r需要投放并使用的關鍵元件為太陽能電池。在對投放的太陽能電池實施串聯(lián)處理的條件下，結合封裝，可以構建起實際面積相對較大的太陽能電池組件，配合功率控制器等部件的引入與使用功能，實現(xiàn)光伏發(fā)電裝置的構建。對于光伏發(fā)電而言，該技術的應用并不會受到地域條件的嚴重制約，且系統(tǒng)安全可靠性、綠色環(huán)保性理想，實際建設周期也相對較短，有著極高的應用優(yōu)勢。光伏發(fā)電中，太陽能轉化為電能的原理如圖1所示。

太陽能發(fā)電技術中，太陽能電池板是關鍵組成部分，太陽能電池板將直接決定整個體系的發(fā)電效果與生產(chǎn)成本，其材料種類、發(fā)電效果與特性都具有一定差異。

2.2 光熱發(fā)電技術

光熱發(fā)電技術主要是運用太陽光傳感的反射及折射機理，使太陽光能集中在點及線上，再利用集熱器收集及保存太陽光的熱量，然后利用熱能轉換系統(tǒng)把熱能輸送給流體運動，進而形成高溫蒸氣，再帶動渦輪或發(fā)電機組的運轉，最后形成電力（如圖2所示）。

當前，我國使用光熱發(fā)電技術進行發(fā)電站建設的典型案例為青海德令哈高原上的50MW熔鹽塔式光熱電站。對于該熔鹽塔式光熱電站而言，其中所投放應用的熔鹽與人們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姟⒊Ｓ玫柠}有著較為明顯的區(qū)別，熔鹽塔式光熱電站內(nèi)使用的熔鹽為液態(tài)的鹽，是一種可以高溫傳熱蓄熱的介質，依托這種熔鹽的投放與使用，能夠達到有效儲存熱能的效果，進而用來發(fā)電，此時所產(chǎn)生的實際發(fā)電成本保持在相對較低的水平。

將熔鹽塔式光熱電站設置為塔式結構，主要是因為熔鹽塔式光熱電站中間設有集熱塔。熔鹽塔式光熱電站的實際發(fā)電過程：首先在集熱塔周圍布置一定數(shù)量的定日鏡，將集熱塔設定為吸熱器的存在基礎，而定日鏡則設定為太陽能接收者。其次依托定日鏡，促使太陽光反射到集熱塔頂?shù)奈鼰崞魃希簯B(tài)熔鹽流進吸熱器的管道并吸收熱量，用攜帶熱量的熔鹽，通過蒸汽發(fā)生系統(tǒng)與水作熱交換，產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽，進而推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。

2.3 熱風發(fā)電技術

熱風發(fā)電技術俗稱為“煙囪發(fā)電”，主要運用了空氣熱動力學原理。當壓縮空氣從封閉的環(huán)境中通過陽光輻射后，容積逐漸擴大，壓力變化越來越大，從而產(chǎn)生大量加熱氣體，并推動機組發(fā)電。該熱風水力發(fā)電體系可以進一步細分出儲煙筒、集火棚、蓄電層和渦輪機組4個部分。太陽能光照射在集熱棚的同時將熱能貯存于蓄電層中。內(nèi)部空氣受熱而膨脹，容積變大，密度減小，內(nèi)部壓力差上升。再利用集熱棚中的煙筒，通過加大內(nèi)部壓力差，從棚中產(chǎn)生的強大氣體推動煙筒底部軸流式燃氣渦輪風力發(fā)電設備轉動，最終實現(xiàn)從太陽能到電力的轉化（如圖3所示）[2]。

2.4 太陽池發(fā)電技術

太陽池發(fā)電技術也開創(chuàng)了太陽能研究與使用的另一種途徑。因為太陽能池實際就是鹽池，其底層溶液的鹽分自上而下地逐步提高，直到完全飽和。在這種梯度平衡的狀況下可以更好地積累熱能，同時減少了對流散熱問題，使基底的溶液長期處于高溫狀態(tài)。太陽池發(fā)電體系是利用池底的高溫水溶液為主要熱源，再利用熱交換器加溫介質，進而驅使汽輪發(fā)電機組運行（如圖4所示）。

由于太陽池發(fā)電系統(tǒng)結構簡潔，所以建設成本相對較低，對周圍的環(huán)境光照強度需求也不高。但由于太陽能電池用地面積大，而且可以全水平設置。如果太陽能電池發(fā)生了滲漏現(xiàn)象，會導致環(huán)境污染和熱損，所以建設工藝條件要求嚴格。

3 新能源太陽能發(fā)電技術應用

3.1 光伏發(fā)電技術的應用

當前，國際市場上以及國內(nèi)市場都面臨著光伏組件產(chǎn)品價格大幅下降的現(xiàn)狀，由于歐美發(fā)達國家對光伏發(fā)電系統(tǒng)的補貼大幅降低，由此導致了在全球范圍內(nèi)的市場中太陽能蓄電池，以及組件都存在著生產(chǎn)能力過剩現(xiàn)狀。而由于初始投入的技術條件不同，在地面光伏發(fā)電系統(tǒng)建造中的成本投入一般也有所不同，如果地面光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設規(guī)模較大，則其成本投入一般較低[3]。

3.2 光熱發(fā)電技術的應用

光熱發(fā)電場的成本投入是不同的，主要是基于對發(fā)電站規(guī)模、光照條件的要求和人力價格。通常而言，初始投入條件的不同，也會使得在光熱發(fā)電站度電的成本與投入條件產(chǎn)生巨大差距。光熱發(fā)電工程一般都是用在公共服務中，因此光熱發(fā)電的資金投入門檻條件也較高，雖然國家有相關資金補助政策，但因為光熱發(fā)電的投資需求量較大，所面臨的經(jīng)營風險也較高，因此目前政府財政補貼力度仍然力不從心，這也是造成我國目前光熱發(fā)電發(fā)展速度緩慢的主要因素所在，制約著光熱發(fā)電的發(fā)展。

3.3 熱風發(fā)電技術的應用

熱風發(fā)電技術是指通過構建太陽能熱氣流發(fā)電站生產(chǎn)電能的一項技術。其利用了太陽能照明的日照波動顯著、能量密度低等特征，該特征一直以來也是研究太陽能運用遇到的阻礙因素。太陽光熱氣流發(fā)電能量直接來源于可再生，而且用之持續(xù)不斷的太陽光輻射能，可生產(chǎn)低廉、無環(huán)境污染的電能；生產(chǎn)電能時無需消耗水，可以將設施布置于一些荒蕪空曠土地上，如沙漠地區(qū)，因而該項技術適合應用在光照較強且缺水的地區(qū)。

太陽能熱風發(fā)電廠通常建立在空曠地或閑置的農(nóng)田上，所以太陽能熱風發(fā)電技術尤其適用于中國廣袤的西部地區(qū)，推動著西部開發(fā)進步，貢獻出技術價值。該技術的設計頗為簡易，且施工建設的材料一般只需鋼材、水泥以及玻璃等材料，建成的氣流發(fā)電站運行可靠性較強，只需配置渦輪機設備就能正常發(fā)電。

太陽能熱風發(fā)電廠不消耗化石燃料，通過替代同等規(guī)格的生物燃料電廠既可降低二氧化硫、二氧化碳等氣體的排放量，還能夠利用溫室效應綠化自然環(huán)境，通過改變天氣條件，調(diào)節(jié)大氣環(huán)境，就能夠具備更多社會效益。發(fā)電廠的設施技術性簡單，在維修方面較便捷，且投資較少。目前，新能源領域中利用太陽能熱風發(fā)電較為常見，對于部分地區(qū)的空氣污染情況該技術運用也取得了一定成果[4]。

3.4 太陽池發(fā)電技術的應用

太陽池結構簡便，資金投入少，尤其是在擁有大量鹽資源的地方也是如此，太陽能可以長時蓄熱，能夠全年提供低電阻形式熱水資源，且性能較為穩(wěn)定，適合大面積使用，越來越引起全球各地的關注。該項技術發(fā)展已有多年，并且當前正朝著更為實用、經(jīng)濟以及多元的方向變化發(fā)展。目前，根據(jù)傳統(tǒng)鹽水太陽能池在運用中出現(xiàn)的問題，給出了新型太陽能電池結構模型。由最初的基于鹽梯度溶液的單一化太陽池，逐步變成了多種類型淡水組成的太陽池、高分子液態(tài)介質太陽池，傳熱方法也獲得了改進與提高。

有關太陽池理論方面的研究，當前正與計算機仿真和實證研究的融合也越來越密切，從原來的一維模型逐漸發(fā)展到了二維，模型也越來越完備。尤其分析了各種影響太陽能池運用的各種因素，相關研究可以為太陽池的實踐性運用提供良好基礎。在太陽能池的實際運用方面，目前太陽能池發(fā)電技術仍呈現(xiàn)逐漸停滯態(tài)勢；但仍舊廣泛運用在了養(yǎng)殖水產(chǎn)、供暖以及工業(yè)制鹽等領域，且獲得了明顯成果。同時，當前太陽能池的鹽濃度、溫度以及輻射穿透度等相關參數(shù)的檢測方法也越來越多，準確性也在逐步提升。

太陽池將被譽為未來能夠大量生產(chǎn)和長期儲存太陽光的較好使用前景的低溫熱源裝置，因此可以預料，隨著試驗方法和理論分析得深入完善，太陽池將成為最具競爭性的太陽可替代燃料的設備之一，并具有一定發(fā)展前景。我國鹽資源富集，具有了發(fā)展太陽光池的良好條件，如果進一步發(fā)展太陽光池技術，必將為提高我國經(jīng)濟效益而發(fā)揮積極影響。

4 太陽能發(fā)電技術的展望

從研究條件分析，太陽能發(fā)電重要研究區(qū)域應當處于太陽能資源相對較好的位置，能夠在中國沙漠地帶建設若干沙漠電廠，研究發(fā)展?jié)摿^大，我國目前適宜建立沙漠電場區(qū)域大多集中在西北部沙漠地帶。同時，還可能將其設置在屋頂上，目前的屋頂面積利用率大，如果在屋頂與太陽能系統(tǒng)電網(wǎng)末端直接接通，則不會考慮到熱輸送影響，但由于城市太陽輻射相對較小，所以發(fā)電效益和荒漠地區(qū)相比較低。

2020年，我國太陽能發(fā)電技術已基本完善，并逐漸開始進行大規(guī)模生產(chǎn)，且太陽光電池的生產(chǎn)成本也明顯降低，在一定程度上增強了太陽能發(fā)電市場競爭力。從未來發(fā)展方向考慮，2020—2030年太陽能發(fā)電將基本步入到大規(guī)模生產(chǎn)時期，預計此階段的國家政府扶持政策可能會逐步減少或者停止。2030—2050年太陽能發(fā)電將基本步入到穩(wěn)定發(fā)展階段[5]。

綜上所述，太陽能作為一種無污染的綠色能源，得到了人們的高度關注，而太陽能發(fā)電科技的廣泛運用也能夠發(fā)揮出太陽光的優(yōu)越性，對環(huán)境的改變也有著重要的作用。