太陽能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及遠景

1、太陽能發(fā)現(xiàn)技術(shù)現(xiàn)狀及遠景研究一 太陽能發(fā)電技術(shù)1. 太陽能簡介太陽能能源是來自地球外部天體的能源（主要是太陽能），人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。正是各種植物通過光合作用把太陽能轉(zhuǎn)變成化學能在植物體內(nèi)貯存下來。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動植物經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代形成的。它們實質(zhì)上是由古代生物固定下來的太陽能。此外，水能、風能、波浪能、海流能等也都是由太陽能轉(zhuǎn)換來的。太陽能是一種干凈的可再生的新能源，在人們生活、工作中有廣泛的作用， 其中之一就是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，太陽電池就是利用太陽能工作的。而太陽能熱電站的工作原理則是利用匯聚的太陽光，把水燒至沸騰變?yōu)樗魵?/p>

2、，然后用來發(fā)電。2. 太陽能發(fā)電的應用背景1) 現(xiàn)有的能源隨著經(jīng)濟的發(fā)展、社會的進步，人們對能源提出來的要求也越來越高，尋找新能源成為當前人類面臨的迫切課題?，F(xiàn)有的店里能源的主要來源有3種，即火電、水電和核電?；痣姷娜秉c火電需要燃燒煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料蘊藏量有限、越燒越少，正面臨著枯竭的危險。據(jù)估計，全世界石油資源再有30年便將枯竭。另一方面燃燒燃料將排出二氧化碳和硫的氧化物，因此會導致溫室效應和酸雨，惡化地球環(huán)境。水電的缺點水電要淹沒大量土地，有可能導致生態(tài)環(huán)境破壞，而且大型水庫一旦塌崩，后果將不堪設(shè)想。另外，一個國家的水力資源也是有限的，而且還要受季節(jié)的影響。核電的缺點核電在

3、正常情況下固然是干凈的，但萬一發(fā)生核泄漏，后果同樣是可怕的。前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故，已使900萬人受到了不同程度的損害，而且這一影響并未終止；今年3月11日發(fā)生的東日本大地震引發(fā)的福島核電站的輻射危情也依然未能完全解除。2) 新能源新能源又稱非常規(guī)能源。是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式。指剛開始開發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽能、地熱能、風能、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變能等。新能源要同時符合兩個條件：一是蘊藏豐富不會枯竭；二是安全、干凈，不會威脅人類和破壞環(huán)境。目前找到的新能源主要有兩種，一是太陽能，二是燃料電池。另外，風力發(fā)電也可算是輔助性的新能源。其中，最理想的新能源是太陽能

4、。二 太陽能發(fā)電的現(xiàn)狀1. 現(xiàn)階段利用太陽能發(fā)電的現(xiàn)狀目前太陽能發(fā)電有兩種方法：一種是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，然后按常規(guī)方式發(fā)電，稱為太陽能熱發(fā)電；另一種是通過光電器件利用光生伏打原理將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，稱為太陽能光伏發(fā)電。1) 國內(nèi)的太陽能發(fā)電現(xiàn)狀國內(nèi)太陽能熱發(fā)電的現(xiàn)狀2005年1月，我國首座70kW太陽能熱發(fā)電示范系統(tǒng)在扛蘇江寧建成并成功發(fā)電，揭開了熱發(fā)電技術(shù)研究嶄新的一頁。該示范電站系統(tǒng)由一個塔柱和32面“定日鏡”組成，利用眾多的定日鏡，將太陽熱輻射反射到高塔頂部的接收器，加熱工作介質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽或高溫高壓空氣，驅(qū)動蒸汽輪機或燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)電，變太陽能為電能。70kW示范站的成功是進

5、一步大規(guī)模推廣太陽能熱發(fā)電的探路石，下一個目標是建設(shè)兆瓦以上的太陽能熱電站。眼下丁F準備正式啟動槽式太陽能熱發(fā)電項目，為早日建成商業(yè)化的兆瓦級太陽能電站作好準備。如果太陽能熱發(fā)電實現(xiàn)3萬千瓦以上的發(fā)電能力。就標志著有望實用化、商業(yè)化，那時的發(fā)電成本可能會降至6角錢一度。大大接近現(xiàn)在煤炭發(fā)電的電價水平，屆時，太陽能熱發(fā)電就能得到大規(guī)模的應用。目前國內(nèi)熱發(fā)電技術(shù)研究成果有: 中科院電工所的定日鏡、碟式聚光器、槽式聚光器等; 中國科技大學的新型定日鏡以及槽式聚光器、接收器等; 河海大學的系統(tǒng)整體控制; 南京航空航天大學的小型碟式系統(tǒng)和南京工業(yè)大學的熱管技術(shù)以及南京春輝公司的各類聚光集熱部件、系統(tǒng)整體

6、技術(shù)以及相關(guān)工程建設(shè)等。國內(nèi)太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀我國太陽電池的研究始于1958年，1959年研制成功第一組有實用價值的太陽電池。1979年開始生產(chǎn)單晶硅太陽電池_4J。但是光伏發(fā)電的真正應用起步于20世紀80年代，當時主要是為了解決實際的應用問題，比如在衛(wèi)星和海港浮標燈上的應用，并沒有作為重點能源開發(fā)。20世紀80年代中后期，引進國外太陽電池生產(chǎn)線和關(guān)鍵沒備，初步形成生產(chǎn)能力達到4.5 MW太陽能光伏產(chǎn)業(yè)，并逐步進人到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)和通訊公用設(shè)施等領(lǐng)域，有了數(shù)家完整的電池和組件生產(chǎn)企業(yè)。20世紀90年代末，光伏產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)了較快發(fā)展，太陽電池組件的生產(chǎn)能力和實際產(chǎn)量有了較快增加，性能也不斷提高。

7、近幾年，隨著科研能力的提升和政府對光伏發(fā)電的深入認識，在國際光伏市場巨大潛力的推動下，我國光伏產(chǎn)業(yè)正以每年30的速度增長，2005年底國內(nèi)光伏電池生產(chǎn)能力已達200MW以上，實驗室光伏電池的效率已達21，可商業(yè)化光伏組件效率達1415。一般商業(yè)化電池效率1013。太陽能光伏電池生產(chǎn)成本隨之逐年大幅下降，這對國內(nèi)太陽能市場走向壯大與成熟起到了決定作用。到2005年，國內(nèi)光伏發(fā)電的總裝機達到了7萬千瓦。2) 國外的太陽能發(fā)電現(xiàn)狀目前全世界有136個國家正在普及推廣應用太陽能發(fā)電技術(shù)，其中95個國家正在大規(guī)模研究開發(fā)和生產(chǎn)各種太陽能發(fā)電設(shè)備和太陽電池應用產(chǎn)品。2005年全世界太陽電池總產(chǎn)量已經(jīng)達到2

8、000MW。其中日本發(fā)展較快，10年內(nèi)太陽電池的每W成本下降90%。2001年時日本太陽能發(fā)電設(shè)備累計總裝機容量為450MW，2003年為887MW，2004年為1900MW，2008年為2350MW，2010年為5000MW，而2010年全世界的太陽能發(fā)電設(shè)備累計總裝機容量達到18000MW。世界各主要國家都在努力提高太陽能發(fā)電設(shè)備的生產(chǎn)規(guī)模和應用規(guī)模，因為太陽電池從生產(chǎn)量10MW開始，沒增加一倍，成本將降低20%。應用上建立MW級的大型太陽能發(fā)電站，不但可以降低成本，還可以緩解荒漠和海島地區(qū)的供電和環(huán)境問題，為荒漠地區(qū)打井抽水和海島淡化海水提供動力，改善生態(tài)環(huán)境?，F(xiàn)在世界上MW級太陽能發(fā)電

9、站已超過10座，其中最大的一個容量達到6.45MW。日本日本從1994年開始發(fā)展并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備，到2004年已安裝58000套，到2008年要達到套。日本為了發(fā)展并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備（35kW），把它作為一種新的家用電器來對待，突破關(guān)鍵技術(shù)，降低成本。這其中包括把太陽電池的轉(zhuǎn)化效率提高到15%以上，發(fā)展新型的高頻變壓器絕緣方式或正激變亞器絕緣方式逆變器。據(jù)資料介紹，2005年日本太陽電池價格為140日元/W,并網(wǎng)型戶用太陽能發(fā)電設(shè)備價格為370日元/W，發(fā)電成本為30日元/kW.h，2010年分別下降為120日元/W，300日元/W和25日元/kW.h。到2020年將分別下降為6

10、0日元/W，200日元/W和15日元/kW.h。到那時完全可以和火力發(fā)電價格相競爭。美國在美國，一些地方政府借鑒德國的補貼政策，強制電力公司在未來20年內(nèi)，保證用雙倍價格收購“家庭電廠”的太陽能電力。2008年，美國總統(tǒng)還簽署了價值數(shù)百億美元的綠色能源投資補貼制度延長法案，其中，把住宅建成太陽能電廠，可獲得30%的財政補貼，該政策繼續(xù)延長生效8年。在強有力的政策推動下，國外一些地方政府、企業(yè)陸續(xù)啟動了龐大的太陽能發(fā)電投資計劃。例如，洛杉磯市政府投資15億美元，計劃在未來5年內(nèi)把全市居民屋頂、市政不動產(chǎn)屋頂?shù)雀脑斐商柲茈姀S。太平洋天然氣和電力公司正在興建的一個太陽能電廠可滿足15萬個家庭的用電

11、需求。加州亮源能源公司正在興建的一個太陽能電廠則足供84萬個家庭使用。德國德國是世界上利用太陽能發(fā)電最多的國家，德國對太陽能的利用可追溯到20世紀70年代，如今，德國已經(jīng)在太陽能熱電系統(tǒng)的研發(fā)、生產(chǎn)等方面積累了大量經(jīng)驗，發(fā)明了一系列高效的太陽能熱電系統(tǒng)，成為世界上利用太陽能發(fā)電最多的國家。目前全德國太陽能發(fā)電量相當于一個大城市的使用量。據(jù)德國RWI經(jīng)濟研究所統(tǒng)計，2008年德國太陽能發(fā)電新增裝機容量大1625兆瓦。截至2005年底，德國共有670萬平方米的屋頂鋪設(shè)了太陽能集熱器，每年可生產(chǎn)4700兆瓦的熱量。已有4%的德國家庭利用了清潔環(huán)保、用之不竭的太陽能，估計每年可節(jié)約2.7億升取暖用油。

12、在德國，隨著對太陽能系統(tǒng)工程的進一步開發(fā)，特別是與普通供熱技術(shù)的不斷融合，使得太陽能系統(tǒng)成為德國供熱系統(tǒng)中一個不可或缺的組成部分。目前，德國擁有的選擇性吸收涂層和智能控制技術(shù)使其太陽能利用處在歐洲領(lǐng)先地位。2. 太陽能發(fā)電的主流技術(shù)1) 太陽能熱發(fā)電太陽能熱發(fā)電，也叫聚焦型太陽能熱發(fā)電，是將太陽輻射從面積上濃縮產(chǎn)生高溫，從而再利用傳統(tǒng)方式產(chǎn)生電能，因此該技術(shù)用于與熱發(fā)電機相連來構(gòu)成發(fā)電系統(tǒng)。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要有集熱系統(tǒng)、熱傳輸系統(tǒng)、蓄熱貯能系統(tǒng)、熱機、發(fā)電機等組成。集熱系統(tǒng)聚集太陽能之后，經(jīng)過熱傳輸系統(tǒng)將聚集的太陽能傳給熱機，由熱機產(chǎn)生動力，帶動發(fā)電機發(fā)電。本系統(tǒng)按太陽能采集方式即集熱器的類

13、型不同，可分為槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)、煙囪式系統(tǒng)、太陽池和碟式系統(tǒng)。槽式系統(tǒng)是利用拋物柱面槽式反射鏡將陽光聚焦到管狀的接收器上，并將管內(nèi)的傳熱工質(zhì)加熱產(chǎn)生蒸汽，推動常規(guī)汽輪機發(fā)電；塔式系統(tǒng)是利用眾多的定日鏡，將太陽熱輻射反射到置于高塔頂部的高溫集熱器(太陽鍋爐)上，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽，或直接加熱集熱器中的水產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電；碟式系統(tǒng)利用曲面聚光反射鏡，將入射陽光聚集在焦點處，在焦點處直接放置斯特林發(fā)動機發(fā)電。這三種方式的性能及優(yōu)缺點如下表：槽式塔式碟式發(fā)展狀況中、高溫過程熱，聯(lián)網(wǎng)發(fā)電運運行（最高的單元容量為80MW），總的裝機容量為354 MW。高溫過程熱，聯(lián)網(wǎng)運行（最高的單

14、元容量為10MW，另一個10MW的電站正在建設(shè)）。獨立的小型發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成大型的聯(lián)網(wǎng)電站（最高的單元容量為25 kW，目前設(shè)計的單元容量為10 kW）。優(yōu)點1.具有商業(yè)運行的經(jīng)驗（1.210 kWh），潛在的運行溫度可達500C(商業(yè)化運行的溫度已達到400C)。 2.商業(yè)化的年凈效率14 %。 3.最低的材料要求。 4.可以模塊化或聯(lián)合運行 可以采用蓄熱降低成本。1.從中期來看具有高的轉(zhuǎn)化效率和潛在的運行溫度超過1000 C（56 5C在10MW的電站中實現(xiàn)）。 2.可高溫蓄熱。 3.可聯(lián)合運行。1.非常高的轉(zhuǎn)化效率，峰值效率30 %。 2.可模塊化或聯(lián)合運行。 3.處于實驗示范階段。缺點導熱

15、油傳熱工質(zhì)的使用限制了運行溫度只能達到400 C，只能停留在中溫階段。處于實驗示范階段，商業(yè)化的投資和運行成本需要證實。商業(yè)化的可行性需要證實。大規(guī)模生產(chǎn)的預計成本目標需要證實規(guī)模30-320兆瓦10-20兆瓦5-25兆瓦運行溫度（）390/734565/1049750/1382年容量因子23%-50%20%-77%25%峰值效率20%23%24%年凈效率11%-16%7%-20%12%-25%可否儲能有限制可以蓄電池互補系統(tǒng)設(shè)計可以可以可以美元/平方米6302754752003.100320美元/瓦4.02.74.42.512.61.3美元/峰瓦4.01.32.40.912.61.1在這三種

16、系統(tǒng)中，目前只有槽式發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)了商業(yè)化。從1981年至1991年的10年間，相繼在美國加州的Mojave沙漠相繼建成了9座槽式太陽能熱發(fā)電站，總裝機容量353.8MW（最小的一座裝機14MW，最大的一座裝機80MW），總投資額10億美元，年發(fā)電總量為8億KWh。太陽能熱發(fā)電技術(shù)同其它太陽能技術(shù)一樣，在不斷完善和發(fā)展，但其商業(yè)化程度還未達到熱水器和光伏發(fā)電的水平。太陽能熱發(fā)電正處在商業(yè)化前夕，專家預計2020年前，太陽能熱發(fā)電將在發(fā)達國家實現(xiàn)商業(yè)化，并逐步向發(fā)展中國家擴展。2) 太陽能光伏發(fā)電太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要包括：太陽電池組件(陣列)、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負載等組成。其中，太陽

17、電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護系統(tǒng)，負載為系統(tǒng)終端。太陽能電源系統(tǒng)太陽電池與蓄電池組成系統(tǒng)的電源單元，因此蓄電池性能直接影響著系統(tǒng)工作特性。電池單元：由于技術(shù)和材料原因，單一電池的發(fā)電量是十分有限的，實用中的太陽電池是單一電池經(jīng)串、并聯(lián)組成的電池系統(tǒng)，稱為電池組件(陣列)。單一電池是一只硅晶體二極管，根據(jù)半導體材料的電子學特性，當太陽光照射到由P型和N型兩種不同導電類型的同質(zhì)半導體材料構(gòu)成的P-N結(jié)上時，在一定的條件下，太陽能輻射被半導體材料吸收，在導帶和價帶中產(chǎn)生非平衡載流子即電子和空穴。同于P-N結(jié)勢壘區(qū)存在著較強的內(nèi)建靜電場，因而能在光照下形成電流密度J，短路電流I

18、sc，開路電壓Uoc。若在內(nèi)建電場的兩側(cè)面引出電極并接上負載，理論上講由P-N結(jié)、連接電路和負載形成的回路，就有光生電流流過，太陽電池組件就實現(xiàn)了對負載的功率P輸出。理論研究表明，太陽電池組件的峰值功率Pk，由當?shù)氐奶柶骄椛鋸姸扰c末端的用電負荷(需電量)決定。電能儲存單元：太陽電池產(chǎn)生的直流電先進入蓄電池儲存，蓄電池的特性影響著系統(tǒng)的工作效率和特性。蓄電池技術(shù)是十分成熟的，但其容量要受到末端需電量，日照時間(發(fā)電時間)的影響。因此蓄電池瓦時容量和安時容量由預定的連續(xù)無日照時間決定?？刂破骺刂破鞯闹饕δ苁鞘固柲馨l(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)電的最大功率點附近，以獲得最高效率。而充電控制通常采用脈沖寬

19、度調(diào)制技術(shù)即PWM控制方式，使整個系統(tǒng)始終運行于最大功率點Pm附近區(qū)域。放電控制主要是指當電池缺電、系統(tǒng)故障，如電池開路或接反時切斷開關(guān)。目前日立公司研制出了既能跟蹤調(diào)控點Pm，又能跟蹤太陽移動參數(shù)的向日葵式控制器，將固定電池組件的效率提高了50%左右。DC-AC逆變器逆變器按激勵方式，可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經(jīng)過調(diào)制、濾波、升壓等，得到與照明負載頻率f，額定電壓UN等匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。太陽能光伏發(fā)電的優(yōu)缺點如下表：優(yōu)點1.結(jié)構(gòu)簡單，體積小且輕；易安裝，易運輸，建設(shè)周期短；2.使用方便，

20、維護簡單，在-50-65 溫度范圍均可正常工作；清潔能源，安全，無噪聲，零排放；3.可靠性高，壽命長；可以與蓄電池相配組成獨立電源，也可以并網(wǎng)發(fā)電。缺點1.太陽能能量密度低，覆蓋面積大；2.光伏發(fā)電具有間歇性和隨機性，各個地區(qū)太陽能資源情況不通，所以光伏發(fā)電區(qū)域性強；3.太陽能電池與太陽能逆變器轉(zhuǎn)化效率不是很高，還需要技術(shù)上的突破。三 太陽能發(fā)電的應用前景太陽能發(fā)電有更加激動人心的計劃。一是日本提出的創(chuàng)世紀計劃。準備利用地面上沙漠和海洋面積進行發(fā)電，并通過超導電纜將全球太陽能發(fā)電站聯(lián)成統(tǒng)一電網(wǎng)以便向全球供電。據(jù)測算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太陽能發(fā)電供給全球能源，占地也不過為 65.11萬平方公里、 186.79萬平方公里、829.19萬平方公里。829.19萬平方公里才占全部海洋面積 2.3%或全部沙漠的 51.4%，甚至才是撒哈拉沙漠的 91.5% 。因此這一方案是有可能實現(xiàn)的。另一是天上發(fā)電方案。早在1980年美國宇航局和能源部就提出在空間建設(shè)太陽