太陽能光伏光熱發(fā)電技術(shù)分析

太陽能光伏光熱發(fā)電技術(shù)分析1.1.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能及原理介紹1.1.1特點(diǎn)太陽能發(fā)電是利用電池組件將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。太陽能電池組件（Solarcells）是利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性實(shí)現(xiàn)P-V轉(zhuǎn)換的固體裝置，在廣大的無電力網(wǎng)地區(qū)，該裝置可以方便地實(shí)現(xiàn)為用戶照明及生活供電，一些發(fā)達(dá)國(guó)家還可與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。而國(guó)內(nèi)主要研究生產(chǎn)適用于無電地區(qū)家庭照明用的小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。二、系統(tǒng)的組成：電源系統(tǒng)：太陽能電池組件和蓄電池?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)：控制器和逆變器。系統(tǒng)終端（負(fù)載）：用戶的用電設(shè)備。三、太陽能發(fā)電原理：太陽能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。（1）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(shí)用中的太陽能電池是單一電池經(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(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當(dāng)太陽光照射到由P型和N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié)上時(shí)，在一定的條件下，太陽能輻射被半導(dǎo)體材料吸收，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子即電子和空穴。同于P-N結(jié)勢(shì)壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，因而能在光照下形成電流密度J，短路電流Isc，開路電壓Uoc。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)面引出電極并接上負(fù)載，理論上講由P-N結(jié)、連接電路和負(fù)載形成的回路，于是就有“光生電流”流過，太陽能電池組件就實(shí)現(xiàn)了對(duì)負(fù)載的功率P輸出。（2）電能儲(chǔ)存單元：太陽能電池產(chǎn)生的直流電先進(jìn)入蓄電池儲(chǔ)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(shí)間（發(fā)電時(shí)間）的影響。因此蓄電池瓦時(shí)容量和安時(shí)容量由預(yù)定的連續(xù)無日照時(shí)間決定。（3）控制器：控制器的主要功能是使太陽能發(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)電的最大功率點(diǎn)附近，以獲得最高效率。而充電控制通常采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)即PWM控制方式，使整個(gè)系統(tǒng)始終運(yùn)行于最大功率點(diǎn)Pm附近區(qū)域。放電控制主要是指當(dāng)電池缺電、系統(tǒng)故障，如電池開路或接反時(shí)切斷開關(guān)。目前日立公司研制出了既能跟蹤調(diào)控點(diǎn)Pm，又能跟蹤太陽移動(dòng)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。（4）DC-AC逆變器：逆變器按激勵(lì)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(fù)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。（5）太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率：在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，系統(tǒng)的總效率ηese由電池組件的PV轉(zhuǎn)換率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負(fù)載的效率等組成。但相對(duì)于太陽能電池技術(shù)來講，要比控制器、逆變器及照明負(fù)載等其它單元的技術(shù)及生產(chǎn)水平要成熟得多，而且目前系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換率只有17%左右。因此提高電池組件的轉(zhuǎn)換率，降低單位功率造價(jià)是太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)和難點(diǎn)。太陽能電池問世以來，晶體硅作為主角材料保持著統(tǒng)治地位。目前對(duì)硅電池轉(zhuǎn)換率的研究，主要圍繞著加大吸能面，如雙面電池，減小反射;運(yùn)用吸雜技術(shù)減小半導(dǎo)體材料的復(fù)合;電池超薄型化;改進(jìn)理論，建立新模型;聚光電池等。(6)光伏技術(shù)發(fā)展：第三代光伏發(fā)電技術(shù)中的跟蹤系統(tǒng)可以將光伏發(fā)電量增加30%-40%，將使多晶硅的用量減少30%-40%，在了解第三代發(fā)電技術(shù)之前，我們先來了解什么是第一代與第二代光伏發(fā)電技術(shù)。簡(jiǎn)單地說，第一代光伏發(fā)電技術(shù)以晶體硅生產(chǎn)光電池為核心的技術(shù)；第二代光伏發(fā)電技術(shù)是指品種繁多的薄膜電池。第一代光伏發(fā)電技術(shù)=晶體硅光伏發(fā)電，有單晶硅和多晶硅的差別。優(yōu)點(diǎn)是光電轉(zhuǎn)化率較高，缺點(diǎn)是售價(jià)較貴，生產(chǎn)多晶硅耗能較多，也容易污染環(huán)境。第二代光伏發(fā)電技術(shù)=花式品種繁多的薄膜電池，優(yōu)點(diǎn)是材料用量少，售價(jià)較低，重大缺點(diǎn)是光電轉(zhuǎn)化率只有晶體硅的一半，占地面積也較多。主要品種有：1、非晶、納米晶、微晶等硅薄膜。2、CIGS即銅銦鎵硒組成的薄膜。3、TeCd碲化鎘薄膜。行業(yè)來看，發(fā)展光伏用晶體硅還是薄膜爭(zhēng)論從未停息。但業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為，無論第一代技術(shù)還是第二代技術(shù)，都存在高耗能、高污染的問題，而第三代光伏發(fā)電技術(shù)則是一種完全“綠色”的光伏發(fā)電技術(shù)，其“綠色、高效、價(jià)廉、壽命長(zhǎng)”等特點(diǎn)將改變光伏上游產(chǎn)業(yè)“兩高”現(xiàn)狀。具體地說，第三代光伏發(fā)電技術(shù)就是使用“太陽能煉硅+跟蹤+聚光+高效聚光硅電池”技術(shù)發(fā)電。這是與第一代和第二代最本質(zhì)的技術(shù)區(qū)別。第三代光伏發(fā)電技術(shù)非常重要的一點(diǎn)就是綠色技術(shù)。它以太陽能煉硅為核心技術(shù)，所帶來的污染基本等于零。太陽能煉硅的特點(diǎn)是利用太陽能，不是使用電能，盡管也是高耗能，但耗的不是化石能而是太陽能，從這個(gè)意義上講，第三代光伏發(fā)電技術(shù)是具有革命性的。第三代光伏發(fā)電技術(shù)指的是“太陽能煉硅＋跟蹤＋聚光＋高效聚光硅電池”，具有綠色、高效、價(jià)廉和壽命長(zhǎng)的特征，其中“綠色”是最大優(yōu)點(diǎn)?！熬G色”技術(shù)最為核心的就是太陽能煉硅，其特點(diǎn)是利用太陽能，盡管也是高耗能，但消耗的不是電能，而是太陽能。從這個(gè)意義上講，第三代光伏發(fā)電技術(shù)所帶來的污染基本等于零。1.1.2太陽能煉硅已做到2.0元/瓦的跟蹤成本；聚光系統(tǒng)則能大幅度降低光電池硅材料和非硅材料用量。（尤其對(duì)“直射光”的聚光）可將硅材料、非硅材料的每度電耗能下降到原有的1/4；另外，硅電池的轉(zhuǎn)化率越高，所消耗的多晶硅就越少。第三代光伏發(fā)電技術(shù)所使用的高效聚光硅電池將大大降低成本。目前用的是轉(zhuǎn)化率為22%的N型硅基聚光電池，我個(gè)人非常期待有新型高效聚光電池的出現(xiàn)。但我也認(rèn)為，最有前途的技術(shù)方向應(yīng)該是“晶體硅電池+能帶結(jié)構(gòu)”不相同的薄膜組成的各種硅基薄膜電池。第三代光伏技術(shù)的突破將以“等效”峰值功率的售價(jià)來計(jì)算光伏發(fā)電的成本；另外，光能組件的使用壽命很長(zhǎng)，所用多晶硅成本，已下降到只有通常不跟蹤平板式多晶硅光伏電池的1/4-1/5。第三代光伏技術(shù)最為“核心”的技術(shù)是太陽能煉硅。使用太陽能煉硅可以大幅度降低對(duì)化石能源消耗，并且不會(huì)產(chǎn)生任何四氯化硅等污染；出產(chǎn)的硅質(zhì)量好、壽命長(zhǎng)，電池只有在微光條件下才致衰減。[1.2太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.2.1太陽能發(fā)電系統(tǒng)的分類目前，較為成熟的太陽能發(fā)電技術(shù)是太陽能光伏發(fā)電和太陽能光熱發(fā)電。太陽能光熱發(fā)電技術(shù)又分為塔式太陽能光熱發(fā)電、槽式太陽能光熱發(fā)電和碟式太陽能光熱發(fā)電。目前槽式和塔式太陽能光熱發(fā)電站實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化示范運(yùn)行，而碟式發(fā)電系統(tǒng)仍處于示范階段。槽式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)利用槽式拋物面聚光器聚光的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)稱分散型系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般由聚光集熱裝置、蓄熱裝置、熱機(jī)發(fā)電裝置和輔助能源裝置（如鍋爐）等組成（圖1）。槽式拋物面將太陽光聚在一條線上，在這條焦線上安裝管狀集熱器，以吸收聚焦的太陽輻射能，常將眾多的槽式聚光器串并聯(lián)成聚光集熱器陣列。槽式聚光器對(duì)太陽輻射進(jìn)行一維跟蹤。

圖1為90年代投產(chǎn)的SEGSI電站太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖［1］，該系統(tǒng)采用雙回路設(shè)計(jì)，集熱油回路和動(dòng)力蒸汽回路分離，經(jīng)過一系列換熱器交換熱量，利用導(dǎo)熱油作為集熱介質(zhì)，293℃的低溫導(dǎo)熱油從儲(chǔ)油罐中泵入槽式太陽能集熱場(chǎng)，被加熱到391℃，然后依次通過再熱器、過熱器、蒸發(fā)器、預(yù)熱器等，將收集到的太陽熱能交換給動(dòng)力回路中的蒸汽，產(chǎn)生10.4MPa/370℃的過熱蒸汽，進(jìn)入汽輪機(jī)中做功。當(dāng)太陽能供應(yīng)不足時(shí)，利用輔助加熱器（天然氣）加熱導(dǎo)熱油，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行。

由于槽式聚光器的幾何聚光比低及集熱溫度不高，使得拋物槽式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)中動(dòng)力子系統(tǒng)的熱轉(zhuǎn)功效率偏低，通常在35%左右。因此，單純的拋物槽式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)在進(jìn)一步提高熱效率、降低發(fā)電成本方面的難度較大。塔式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)塔式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)也稱為集中式太陽能光熱發(fā)電，利用定日鏡將太陽光聚焦在中心吸熱塔的吸熱器上，聚焦的輻射能轉(zhuǎn)變成熱能，然后傳遞給熱力循環(huán)的工質(zhì)，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電。塔式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)（圖2）主要分熔鹽系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)和水/蒸汽系統(tǒng)。無論采用哪種工質(zhì)，系統(tǒng)的蓄熱至關(guān)重要。由于太陽能的間隙性，必須由蓄熱器提供足夠的熱能來補(bǔ)充烏云遮擋及夜晚時(shí)太陽能的不足，否則發(fā)電系統(tǒng)將無法正常工作。

（1）塔式水/蒸汽系統(tǒng)。水/蒸汽系統(tǒng)以水為傳熱介質(zhì)。在這類系統(tǒng)中，過冷水經(jīng)泵增壓后被送到塔頂吸熱器，在吸熱器中蒸發(fā)并過熱后被送至地面，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電。圖2為美國(guó)SolarOne試驗(yàn)電站示意圖［2］。SolarOne的吸熱器是一個(gè)外圓柱式吸熱器，由24塊管板組成，每塊管板有70根吸熱管。整個(gè)吸熱器實(shí)際上就是一個(gè)將水直接加熱到過熱蒸汽的“太陽能鍋爐”。吸熱器出口的蒸汽參數(shù)為516℃、10.1MPa，直接用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)。過熱蒸汽也可以送入一個(gè)“油-沙石”蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行能量的存儲(chǔ)。盡管SolarOne電站成功地證明了塔式發(fā)電技術(shù)的可行性，但蓄熱系統(tǒng)不能提供足夠的蒸汽用于汽輪機(jī)發(fā)電。電站最主要的運(yùn)行模式是將太陽能接收器和汽輪機(jī)耦合起來，蓄熱系統(tǒng)設(shè)置為旁路，系統(tǒng)所產(chǎn)生的多余蒸汽進(jìn)入蓄熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)，蓄熱系統(tǒng)只產(chǎn)生輔助蒸汽，用于系統(tǒng)的啟停和離線運(yùn)行時(shí)保溫。

（2）塔式熔鹽系統(tǒng)。熔鹽吸熱、傳熱系統(tǒng)（圖3）一般以熔融硝酸鹽為工作介質(zhì)，系統(tǒng)低溫側(cè)一般為290℃，高溫側(cè)為565℃。低溫熔鹽通過熔鹽泵從低溫熔鹽儲(chǔ)罐被送至塔頂?shù)娜埯}吸熱器，吸熱器在平均熱流密度約430kW/m2的聚焦輻射照射下將熱量傳遞給流經(jīng)吸熱器的熔鹽。熔鹽吸熱后溫度升高至約565℃，再通過管道送至位于地面的高溫熔鹽罐。來自高溫熔鹽罐的熔鹽被輸送至蒸汽發(fā)生器，產(chǎn)生高溫過熱蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電。

以熔鹽為吸熱、傳熱介質(zhì)，主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①除克服流動(dòng)阻力外，系統(tǒng)無壓運(yùn)行，安全性提高；②傳熱工質(zhì)在整個(gè)吸熱、傳熱循環(huán)中無相變，且熔鹽熱容大，吸熱器可承受較高的熱流密度，從而使吸熱器可做得更緊湊，減少制造成本，降低熱損；③熔鹽本身是很好的蓄熱材料，系統(tǒng)傳熱、蓄熱可共用同一工質(zhì)，使系統(tǒng)極大的簡(jiǎn)化。但是，熔鹽介質(zhì)也有其缺點(diǎn)：①熔鹽的高溫分解和腐蝕問題，相關(guān)材料必須耐高溫和耐腐蝕，使系統(tǒng)成本增加、可靠性降低；②熔鹽的低溫凝固問題，在夜間停機(jī)時(shí)高、低溫熔鹽儲(chǔ)罐必須保溫，以防止熔鹽凝固，清晨開機(jī)時(shí)也必須對(duì)全部管道進(jìn)行預(yù)熱，這都將增加系統(tǒng)的伴生電耗。圖3為SolarTwo塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)示意圖［3］，該電站是目前世界上最大的塔式太陽能熱電站，裝機(jī)容量達(dá)到10MW。該系統(tǒng)由平面鏡、跟蹤機(jī)構(gòu)、支架等組成定日鏡陣列，可由微機(jī)控制實(shí)現(xiàn)最佳聚焦，始終對(duì)準(zhǔn)太陽，捕獲并聚集太陽輻射能到高塔頂端的外露式吸熱器。利用硝酸鹽作為蓄熱介質(zhì)，290℃的液態(tài)低溫熔鹽從冷熔鹽罐中泵入塔式太陽能吸熱器，被加熱到565℃，然后存回?zé)崛埯}罐。熱熔鹽通過泵送到蒸汽發(fā)生器，產(chǎn)生的過熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功發(fā)電。熔鹽儲(chǔ)罐同時(shí)作為蓄熱系，滿足動(dòng)力系統(tǒng)的啟停和機(jī)組在日照不足時(shí)的用汽需求。SolarTwo的試驗(yàn)研究證實(shí)了熔鹽技術(shù)的可行性，進(jìn)一步降低了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，促進(jìn)了塔式光熱發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化。碟式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)

碟式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)是利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射陽光聚集在焦點(diǎn)上，放置在焦點(diǎn)處的太陽能接收器收集較高溫度的熱能，加熱工質(zhì)以驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，從而將熱能轉(zhuǎn)化為電能。整個(gè)系統(tǒng)包括：旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡、接收器、跟蹤裝置和蓄熱系統(tǒng)。不難看出，塔式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)和槽式、碟式的系統(tǒng)相比，除聚光集熱器有所不同外，3者在系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理等方面都基本相似。1.2.2幾種太陽能光熱發(fā)電方式現(xiàn)狀2.1槽式太陽能光熱發(fā)電現(xiàn)狀

表1列出了當(dāng)今世界主要槽式太陽能光熱發(fā)電站的基本參數(shù)。

2.2塔式太陽能光熱發(fā)電現(xiàn)狀目前，全世界已建成10余個(gè)塔式太陽能光熱發(fā)電試驗(yàn)示范電站。主要的塔式太陽能光熱發(fā)電站的參數(shù)見表2。

2008年底建成20MW（PS20）塔式太陽能熱電站，PS20電站塔高160m，占地約90萬/m2，采用1255片定日鏡，每片120m2。隨著技術(shù)的進(jìn)步，塔式電站的年平均發(fā)電率已達(dá)13.7%，建造費(fèi)用降低到3200美元/kW。塔式電站的單位投資成本和發(fā)電成本隨著容量的增加而降低。因此，大規(guī)模太陽能光熱發(fā)電技術(shù)是今后太陽能光熱發(fā)電走向?qū)嵱没谋赜芍贰?/p>

2.3我國(guó)太陽能光熱發(fā)電現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)首座70kW塔式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)于2005年10月底在南京江寧太陽能試驗(yàn)場(chǎng)順利建成，并成功投入并網(wǎng)發(fā)電。由中國(guó)科學(xué)院電工研究所（以下簡(jiǎn)稱中科院電工所）、皇明太陽能集團(tuán)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研制的單軸跟蹤的槽式太陽能聚光器，于2004年10月在通州實(shí)驗(yàn)基地開始成功運(yùn)行。該聚光器面積30m2，傳熱工質(zhì)輸出溫度達(dá)400℃，峰值熱輸出功率為10kW，具有自動(dòng)跟蹤精度高、熱流密度大等特點(diǎn)。1.2.3太陽能光熱發(fā)電技術(shù)商業(yè)化面臨的問題

太陽能光熱發(fā)電技術(shù)商業(yè)化發(fā)展的主要矛盾是成本問題。建立高效率、大容量、高聚光比的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)是降低發(fā)電成本的主要研究方向。為推動(dòng)太陽能光熱發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化，必須考慮太陽輻照的不連續(xù)性，可采取與化石燃料互補(bǔ)的聯(lián)合發(fā)電途徑。

（1）建設(shè)成本。有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，塔式太陽能光熱發(fā)電站初次投資成本比例為：定日鏡占47%，蓄熱占20%，發(fā)電機(jī)組、電氣設(shè)備等占30%，建設(shè)成本約3～3.2萬元/kW。槽式太陽能光熱發(fā)電站初次投資成本比例為：聚光、吸熱部分占55%，蓄熱占20%，發(fā)電機(jī)組、電氣設(shè)備等占25%，建設(shè)成本約2.5萬元/kW。與常規(guī)火電機(jī)組建設(shè)相比，盡管考慮環(huán)境污染以及能源供給等因素，太陽能光熱發(fā)電的建設(shè)成本仍然較高且難以降低，無法形成大規(guī)模投資建設(shè)的形勢(shì)。

（2）槽式太陽能光熱發(fā)電技術(shù)。即使是目前已經(jīng)商業(yè)示范運(yùn)行的槽式系統(tǒng)，盡管光熱發(fā)電成本已經(jīng)低于光伏發(fā)電成本，卻沒有出現(xiàn)和光伏發(fā)電市場(chǎng)一樣的快速增長(zhǎng)。太陽能光熱發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化還有待關(guān)鍵技術(shù)的更大突破，比如提高真空集熱管的效率，開發(fā)先進(jìn)的熱存儲(chǔ)技術(shù)等。目前，槽式太陽能集熱管主要使用直通式金屬—玻璃管，集中體現(xiàn)了吸收膜層技術(shù)、玻璃與金屬封接技術(shù)和波紋管技術(shù)等尖端科技。國(guó)內(nèi)高效能的真空金屬—玻璃管真空集熱管只能應(yīng)用在小容量熱力系統(tǒng)中，最大加工長(zhǎng)度僅2m，這是大容量、高參數(shù)機(jī)組的投產(chǎn)應(yīng)用的障礙。

（3）塔式太陽能光熱發(fā)電技術(shù)。盡管塔式太陽能光熱發(fā)電技術(shù)起步較早，人們也一直希望通過盡可能多的定日鏡將太陽能量集聚到幾十MW的水平