太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的研究

太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的研究

1太陽(yáng)能利用發(fā)電在21世紀(jì)，太陽(yáng)能成為世界上最重要的能源之一。中國(guó)屬太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家之一。太陽(yáng)能是最原始的能源,地球上幾乎所有其他能源都直接或間接來(lái)自太陽(yáng)能。太陽(yáng)能具有資源充足、長(zhǎng)壽,分布廣泛、安全、清潔,技術(shù)可靠等優(yōu)點(diǎn)。由于太陽(yáng)能可以轉(zhuǎn)換成多種其他形式的能量,因此應(yīng)用范圍非常廣泛。在熱利用方面有太陽(yáng)能溫室、物品干燥和太陽(yáng)灶、太陽(yáng)能熱水器等。經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā),太陽(yáng)能發(fā)電也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。太陽(yáng)能發(fā)電主要有太陽(yáng)能光發(fā)電和太陽(yáng)能熱發(fā)電兩種基本方式。不通過(guò)熱過(guò)程直接將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換成電能的利用方式稱為太陽(yáng)能光發(fā)電,目前得到實(shí)際應(yīng)用的是光伏電池。太陽(yáng)能熱發(fā)電是將吸收的太陽(yáng)輻射熱能轉(zhuǎn)換成電能的裝置。太陽(yáng)能熱發(fā)電有多種類型,主要有以下五種:塔式系統(tǒng)、槽式系統(tǒng)、盤式系統(tǒng)、太陽(yáng)池和太陽(yáng)能塔熱氣流發(fā)電。前三種是聚光型太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng),后兩種是非聚光型。一些發(fā)達(dá)國(guó)家將太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)作為國(guó)家研發(fā)重點(diǎn),制造了數(shù)十臺(tái)各種類型的太陽(yáng)能熱發(fā)電示范電站,已達(dá)到并網(wǎng)發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用水平。2能源塔熱流輸技術(shù)2.1太陽(yáng)能-就位機(jī)發(fā)電太陽(yáng)能塔熱氣流發(fā)電系統(tǒng)包括三個(gè)主要部分:太陽(yáng)能集熱器、太陽(yáng)能塔和渦輪發(fā)電機(jī)組。其基本原理是利用了溫室效應(yīng)、煙囪效應(yīng)和渦輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電這三項(xiàng)人們?cè)缫咽煜げ⑶沂浅墒斓募夹g(shù)組合形成了一個(gè)全新的發(fā)電方式,它的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜。在地面上設(shè)置一個(gè)龐大的太陽(yáng)能集熱器大棚,在太陽(yáng)能集熱器的中央豎立一個(gè)高大的太陽(yáng)能塔,集熱器頂棚與塔的底部緊密封接,在塔的底部安裝渦輪機(jī)。運(yùn)行原理也不復(fù)雜。由于太陽(yáng)的照射,太陽(yáng)能集熱器大棚下的空氣被加熱,加熱后的空氣形成上升氣流,通過(guò)中部的太陽(yáng)能塔排出,熱氣流驅(qū)動(dòng)設(shè)置在太陽(yáng)能塔底部的渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電,大棚外的冷空氣則通過(guò)四周不斷被吸入補(bǔ)充。2.2中心電站的資源及配套參數(shù)(1)大容量清潔的可再生能源發(fā)電技術(shù)。可以大規(guī)模開(kāi)發(fā)建成大容量機(jī)組,對(duì)緩解日益嚴(yán)重的能源危機(jī)有重要意義。(2)連續(xù)運(yùn)行,穩(wěn)定發(fā)電。對(duì)天氣的依賴性較小,夜間也有電能輸出,有條件成為能源體系中的主力能源,扮演中心電站的角色。電站綜合參數(shù)見(jiàn)表1。(3)充分利用太陽(yáng)能?？砷_(kāi)發(fā)利用全部太陽(yáng)輻射能,包括直射幅射和散射幅射。(4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,技術(shù)成熟。大量使用的是鋼材、混凝土、玻璃等常規(guī)材料。(5)壽命長(zhǎng)、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便。無(wú)需冷卻水。(6)占地面積大。在集熱器大棚下面可以進(jìn)行蔬菜、水果、花卉種植等農(nóng)業(yè)活動(dòng),是一特大溫室。(7)超高建筑,可開(kāi)發(fā)旅游觀光。這將帶來(lái)巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。有效規(guī)劃上述(7)、(8)兩點(diǎn),則可以變?nèi)秉c(diǎn)為優(yōu)點(diǎn),達(dá)到太陽(yáng)能規(guī)?；C合利用的目的。3物面聚焦系統(tǒng)通過(guò)水或其他工質(zhì)和裝置將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式,稱為太陽(yáng)能熱發(fā)電。目前世界上現(xiàn)有的最有前途的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)大致可分為:槽形拋物面聚焦系統(tǒng)、中央接受器或太陽(yáng)塔聚焦系統(tǒng)和盤形拋物面聚焦系統(tǒng)。目前,太陽(yáng)能熱發(fā)電在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上可行的三種形式是:30~80MW聚焦拋物面槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)(簡(jiǎn)稱拋物面槽式);30~200MW點(diǎn)聚焦中央接收式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)(簡(jiǎn)稱中央接收式);7.5~25kW的點(diǎn)聚焦拋物面盤式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)(簡(jiǎn)稱拋物面盤式)。除了上述幾種傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱發(fā)電方式以外,太陽(yáng)能煙囪發(fā)電、太陽(yáng)池發(fā)電等新領(lǐng)域的研究也有進(jìn)展。3.1太陽(yáng)池或太陽(yáng)能池簡(jiǎn)單地說(shuō),太陽(yáng)池是一種池內(nèi)水加鹽(一般用NaCl、CaCh、MgCl2、Na2CO和芒硝等鹽類)使對(duì)流受到抑制的太陽(yáng)能集聚工程。它可以兼作太陽(yáng)集熱器和儲(chǔ)熱器,并且構(gòu)造簡(jiǎn)單,操作方便,宜于大規(guī)模開(kāi)發(fā),所以近年來(lái)得到快速發(fā)展。太陽(yáng)池發(fā)電的突出優(yōu)點(diǎn),一是建造發(fā)電站的成本較低,幾乎無(wú)需使用價(jià)格昂貴的不銹鋼、玻璃等材料,只需要一處淺水池和發(fā)電設(shè)備即可;二是由于它能夠儲(chǔ)存大量的熱能,再利用池中特定介質(zhì)汽化后相互對(duì)流產(chǎn)生的能量推動(dòng)氣輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電,所以對(duì)光照的強(qiáng)度要求不高,即便是在夜晚和陰雨雪天也能照常進(jìn)行工作。太陽(yáng)池的應(yīng)用也有一定的局限性:一是在高緯度地區(qū),只能水平設(shè)置的太陽(yáng)池接收的太陽(yáng)輻射較少;二是在某些有地下流動(dòng)含水層的地區(qū),如果太陽(yáng)池發(fā)生泄露,會(huì)造成水源污染和嚴(yán)重的熱損失;三是大型太陽(yáng)池只能建造在土壤貧瘠又無(wú)礦藏的地區(qū),以免占用耕地,影響開(kāi)礦以及引起生態(tài)環(huán)境和地球物理方面的變化。除上述方法外,還有太陽(yáng)能熱離子發(fā)電、太陽(yáng)能磁流體熱發(fā)電、太陽(yáng)能海水溫差發(fā)電等。美國(guó)是世界上太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)開(kāi)發(fā)較早的國(guó)家,太陽(yáng)能槽式發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)積累了10多年聯(lián)網(wǎng)營(yíng)運(yùn)的經(jīng)驗(yàn),1×104kw塔式和5~25kw盤式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)正處于示范階段。法國(guó)、西班牙、日本、意大利等國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電的應(yīng)用也有一定發(fā)展。我國(guó)雖然早在20世紀(jì)70年代末就對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電開(kāi)展了應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作;在“八五”、“九五”和“十五”期間,原國(guó)家科委和現(xiàn)在的科技部,均將大型太陽(yáng)能熱發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)列為國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃,并將盤式小型太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置的研制列入863計(jì)劃,但從總體上講,我國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用尚未真正起步,尚無(wú)工業(yè)的裝置,也無(wú)應(yīng)用實(shí)例。3.2斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)—太陽(yáng)能斯特林熱發(fā)電在對(duì)航天航空的努力探尋過(guò)程中,人們認(rèn)識(shí)到了斯特林太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)作為空間動(dòng)力的重要性,而其中較普遍應(yīng)用的碟式拋物面斯特林發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的特點(diǎn),非常適合急需電力補(bǔ)充的發(fā)展中國(guó)家的需要,其單機(jī)容量為幾十千瓦至上百千瓦,顯示了該項(xiàng)技術(shù)目前發(fā)展的規(guī)模。作為碟式系統(tǒng)的拋物面,斯特林系統(tǒng)是由許多鏡子組成的拋物面反射鏡組成,接收器在拋物面的焦點(diǎn)上,把收集到的600~2000℃的熱源引到斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi),把傳熱工質(zhì)加熱到750℃左右,最后驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。又因?yàn)樘?yáng)能聚光器和斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)能非常好的結(jié)合產(chǎn)生電能,其將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的凈效率可達(dá)29.4%,所以斯特林循環(huán)在相同的運(yùn)行溫度范圍內(nèi)是所有太陽(yáng)能發(fā)電中效率最高的。而像自由活塞式的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī),作為一種外燃的、封閉循環(huán)往復(fù)式熱力發(fā)動(dòng)機(jī),它的運(yùn)動(dòng)部件間沒(méi)有機(jī)械連接,無(wú)須潤(rùn)滑密封簡(jiǎn)單,被其帶動(dòng)的微型熱電共生器既生電又生熱。這種技術(shù)有幾個(gè)優(yōu)勢(shì),一是能量轉(zhuǎn)換效率高,二是機(jī)器非?！鞍察o”,三是壽命長(zhǎng),四是非常環(huán)保,完全燃燒后只產(chǎn)生很少一點(diǎn)氧氮化物和一氧化碳,內(nèi)燃機(jī)在這方面遠(yuǎn)不能與它相比。除此之外,我國(guó)如果發(fā)展太陽(yáng)能斯特林熱發(fā)電還有氣候上的優(yōu)越性,因?yàn)橹挥心晏?yáng)輻射大于1900kWh/m2的地區(qū)才適合采用太陽(yáng)熱發(fā)電技術(shù),而我國(guó)西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、吉西部、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺(tái)灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽(yáng)輻射總量都很大。還有我國(guó)的西藏,新疆和內(nèi)蒙古地域遼闊,土地資源豐富,農(nóng)(牧)民居住分散,適于建造分散式太陽(yáng)能斯特林熱電站,而建立大規(guī)模大容量集中式的太陽(yáng)熱電站,采取遠(yuǎn)距離輸變電方式是不經(jīng)濟(jì)的,可見(jiàn)發(fā)展太陽(yáng)能斯特林發(fā)電在國(guó)土資源上還具有優(yōu)越性。發(fā)展電站還需要考慮的是建熱電站的財(cái)政投入問(wèn)題。斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻采用空冷方式,系統(tǒng)耗水量低,所以在缺水的內(nèi)蒙古西部沙漠地區(qū)很適合建立大面積、大容量的蝶式斯特林太陽(yáng)熱發(fā)電站,也能部分解決內(nèi)蒙古地區(qū)發(fā)展火電站缺水的問(wèn)題。并且集中供電方式的電輸線缺少安全保障,因?yàn)榫植抗收系挠绊懣赡苁侨值?。例如美?guó)西部洛杉磯市在2005年9月12日下午發(fā)生的大規(guī)模停電,2005年8月14日美國(guó)俄亥俄州的大規(guī)模停電,還有2003年9月23日,北歐的瑞典南部、丹麥東部因輸電線路遭雷擊,至少3個(gè)核電站停止運(yùn)行和停電事件都導(dǎo)致了大規(guī)模經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。這些案例說(shuō)明,大電網(wǎng)集中供電的單一模式很難抵御突發(fā)性災(zāi)難,而電網(wǎng)安全又直接涉及到國(guó)家的安全,所以現(xiàn)在許多發(fā)達(dá)國(guó)家都在考慮就集中和分散相結(jié)合的供電的方式進(jìn)行發(fā)展。而太陽(yáng)能斯特林熱發(fā)電是一個(gè)可用于分散發(fā)電的節(jié)能的,清潔的太陽(yáng)能利用新技術(shù)。太陽(yáng)能斯特林發(fā)電的優(yōu)越性也預(yù)示著我國(guó)有必要研究和發(fā)展它。4光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)能光發(fā)電是指無(wú)需通過(guò)熱過(guò)程直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式。它包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能級(jí)半導(dǎo)體電子器件有效地吸收太陽(yáng)光輻射能,并使之轉(zhuǎn)變成電能的直接發(fā)電方式,是當(dāng)今太陽(yáng)光發(fā)電的主流。目前世界上應(yīng)用最廣泛的太陽(yáng)電池是單晶體硅太陽(yáng)電池、多晶硅太陽(yáng)能電池、薄膜太陽(yáng)能電池等。4.1高效晶硅材料單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。它的轉(zhuǎn)換效率最高,技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽(yáng)能電池,其效率為15%。單晶硅高效電池的典型代表是斯坦福大學(xué)的背面點(diǎn)接觸電池、新南威爾士大學(xué)的鈍化發(fā)射區(qū)電池(PERL)以及德國(guó)Fraunhofer太陽(yáng)能研究所的局域化背場(chǎng)電池等。硅電池進(jìn)展的重要原因之一是表面鈍化技術(shù)的提高。此外,倒金字塔技術(shù)、雙層減反射膜技術(shù)以及陷光理論的完善也是高效晶硅電池發(fā)展的主要原因。如新南威爾士大學(xué)的鈍化發(fā)射區(qū)電池和激光刻槽埋柵電池分別取到24.7%和19.6%的轉(zhuǎn)化率,日本Sanyo公司采用PECVD工藝開(kāi)發(fā)的HIT電池取得了21%的轉(zhuǎn)化率。4.2太陽(yáng)能電池技術(shù)多晶硅太陽(yáng)能電池與單晶硅比較,由于所使用的硅遠(yuǎn)比單晶硅少,其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池,具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但是由于它存在著晶粒界面和晶格錯(cuò)位的明顯缺陷,造成多晶硅電池光電轉(zhuǎn)換率一直無(wú)法突破20%的關(guān)口,低于單晶硅電池。多晶硅太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)室以往的最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。不過(guò)喬治亞工大光伏中心采用磷吸雜和雙層減反射膜技術(shù),使電池的效率達(dá)到18.6%;新南威爾士大學(xué)光伏中心采用類似PERL電池技術(shù),使電池的效率達(dá)到19.8%;日本Kysera公司采用了PECVD-SiN技術(shù),起到鈍化和減反射雙重作用,加上表面織構(gòu)化和背場(chǎng)技術(shù),使15×15cm2面積多晶硅電池效率達(dá)17.1%,此種電池技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn),商業(yè)化電池效率在14%以上。最近德國(guó)弗勞恩霍夫協(xié)會(huì)科研人員采用新技術(shù),在世界上率先使多晶太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換率達(dá)到20.3%。如能在工業(yè)生產(chǎn)中大規(guī)模使用該新技術(shù),基于成本低廉的優(yōu)勢(shì),預(yù)計(jì)多晶硅電池不久將會(huì)在太陽(yáng)能電池市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。4.3非晶硅太陽(yáng)能電池由于受到原材料、加工工藝和制造過(guò)程的制約,若要再大幅度地降低單晶硅太陽(yáng)電池成本是非常困難的。作為單晶硅電池的替代產(chǎn)品,現(xiàn)在發(fā)展了薄膜太陽(yáng)電池。目前薄膜電池主要有硅基薄膜太陽(yáng)電池、化合物半導(dǎo)體薄膜電池、染料敏化TiO2太陽(yáng)電池等。具有代表性的產(chǎn)品主要有:(1)非晶硅(a-Si)太陽(yáng)電池,即硅和氫(約10%)的一種合金。最早提出非晶硅太陽(yáng)能電池思路的是美國(guó)RCA實(shí)驗(yàn)室的Carlson和Wronski。2000年我國(guó)把以雙結(jié)非晶硅電池為重點(diǎn)的硅基薄膜太陽(yáng)電池的研究列入國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目,使我國(guó)非晶硅電池的研究又進(jìn)入一個(gè)新階段。(2)CVD多晶硅薄膜及電池,即利用PECVD(等離子強(qiáng)化CVD),RECVD(快速熱CVD),Hot-wireCVD(熱線CVD)等技術(shù)來(lái)生長(zhǎng)多晶硅薄膜。德國(guó)Fraunhofer太陽(yáng)能研究所使用SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨為襯底,用RTCVD沉積多晶硅薄膜,硅膜經(jīng)過(guò)再結(jié)晶后制備太陽(yáng)電池,兩種襯底的電池效率分別達(dá)到9.3%和11%。(3)CdTe和CIGS電池被認(rèn)為是未來(lái)實(shí)現(xiàn)低于1美分/W成本目標(biāo)的典型薄膜電池。從2003年11月公布的第21版的太陽(yáng)電池組件的轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù),可以看出由日本昭和殼牌石油公司開(kāi)發(fā)的CIGS太陽(yáng)電池組件,轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了13.4%,Pacificsolar公司開(kāi)發(fā)的薄膜Si系薄膜太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到了8.2%。4.4電源輸送系統(tǒng)(1)可以有效利用建筑物屋頂和幕墻,無(wú)需占用土地資源;(2)可原地發(fā)電,原地使用,減少電力輸送的線路損耗;(3)各種彩色光伏組件可取代和節(jié)約外飾材料(如玻璃幕墻等);(4)在白天用電高峰期供電,從而舒緩高峰電力需求;(5)配備蓄電池后,還能滿足安全用電設(shè)施的不斷電要求;(6)太陽(yáng)能發(fā)電板陣列直接吸收太陽(yáng)能,降低墻面及屋頂?shù)臏厣?減輕建筑空調(diào)負(fù)荷。4.5太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組、太陽(yáng)能控制器、蓄電池(組)組成。如輸出電源為交流220V或110V,還需要配置逆變器。各部分的作用為:(1)太陽(yáng)能電池板:太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分,也是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能,或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái),或推動(dòng)負(fù)載工作。(2)太陽(yáng)能控制器:太陽(yáng)能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài),并對(duì)蓄電池起到過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方,合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其他如光控開(kāi)關(guān)、時(shí)控開(kāi)關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的附加功能。(3)蓄電池:一般為鉛酸電池,小微型系統(tǒng)中,也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽(yáng)能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來(lái),到需要的時(shí)候再釋放出來(lái)。在并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中,可不加蓄電池組。(4)逆變器:太陽(yáng)能的直接輸出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。為能向220VAC的電器提供電能,需要將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能,因此需要使用DC-AC逆變器。4.6并網(wǎng)光伏系統(tǒng)(1)獨(dú)立光伏系統(tǒng),此為完全依靠太陽(yáng)電池供電的電源系統(tǒng),太陽(yáng)電池方陣受光照時(shí)發(fā)出的電力是唯一的能量來(lái)源。(2)并網(wǎng)光伏系統(tǒng),并網(wǎng)光伏系統(tǒng)指的是,太陽(yáng)電池方陣發(fā)出的直流電力經(jīng)過(guò)逆變器變換成交流電,并且與電網(wǎng)并