太阳能发电系统状况及发展趋势
沈阳建筑大学交通与机械工程学院 2007-09-24 17:44:10
摘要：阐述了当前太阳能热发电系统和太阳能光伏发电系统的结构、原理和特点。同时对太阳能发电的现状和发展进行了介绍。
关键词：太阳能热发电 太阳能光伏发电 槽式 碟式 塔式 光伏
20世纪以来，随着社会经济的发展和生活水平的提高，使人们对能源的需求量不断增长。同时由于化石能源资源的有限性，以及他们在燃烧过程中对全球气候和环境所产生的影响日益为人们所关注，因此从资源、环境、社会发展的需求来看，开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势。在新能源和可再生能源家族中，太阳能是最引人注目，开展研究工作最多，应用最广的成员。
太阳能是一种清洁能源，这对于当前人类对环境污染的重视尤为重要。太阳能还属于无限的能源。据专家预测，太阳的寿命有600亿年，而地球的寿命只有50亿年，因此太阳能相对于我们人类来说是无限的。而且它也不受任何人的控制和垄断。这些优点都是常规能源所无法比拟的。当然太阳能也有不足的地方，比如太阳辐射的强度受到气候、昼夜、纬度、季节、海拔的影响，往往需要配备储能设备。又如它的能流密度低，实际利用时需要较大的太阳能收集装置，占地面积大，投资大。这些因素也都制约了太阳能的利用。
到本世纪以来，随着新材料的应用、电子技术等高科技的高速发展，为太阳能的有效利用提供了条件。人们将太阳能辐射通过收集和转换变为可直接利用的能源，使太阳能的利用得到相当大的发展。其中利用太阳能发电就是对太阳能最好的利用。
目前太阳能发电有两种方法。一种是将太阳能转换为热能，然后按常规方式发电，称为太阳能热发电。另一种是通过光电器件利用光生伏打原理将太阳能直接转换为电能，称为太阳能光伏发电。
一、 太阳能热发电
1、太阳能热发电系统
太阳能热发电也叫做太阳能聚光发电，是将太阳辐射从面积上浓缩产生高温发电的装置。由于太阳光聚集后可以产生高温，因此该技术用于与热发电机相连来构成发电系统。太阳能聚光技术最早可以追溯到140年前(D.Mills,2003),Mouchot和Pifre于1882年在法国所做的研究工作。其后，在1888年Ericsson，1901年Eneas，1913年Shuman和1968年Francia在该方面也进行了大量的研究工作。最值得一提的是在上世纪80年代，由于70年代的石油危机，太阳能热发电得到了重视，一批大规模的太阳聚光器在世界各国安装。如发电总功率354MW的槽式太阳能热电站在美国加洲建成，在十几年间已经发电超过5000GWh。
当前太阳能热发电按照太阳能采集方式可划分为（1）太阳能槽式发电；（2）太阳能碟式发电；（3）太阳能塔式发电；
（1） 太阳能槽式发电
槽式发电是最早实现商业化的太阳能热发电系统。它采用大面积的单轴槽式太阳能追踪采光板，通过对太阳光的聚焦，把太阳光聚集到安装在抛物线形反光镜焦点上的线形接收器上，并加热流过接收器的热传导液，使热传导液汽化，同时在能量区的热转换设备中产生高压、过热的蒸汽，然后送入常规的蒸气涡轮发电机内进行发电。通常接收太阳光的采光板采用模块化布局，许多采光板通过串并联的放置，均匀的分布在南北轴线方向。为了保证发电的稳定性，通常在发电系统中加入化石燃料发电机。当太阳光不稳定的时候，化石燃料发电机补充发电，来保证发电的稳定性和实用性。
一些国家已经建立起示范装置，对槽式发电技术进行深入的研究。到2000年，随着先进技术和设计的提出，减少了槽式发电在热收集方面的损耗和电的寄生效应，使槽式发电得到了较大的提高。可使一个80MW的发电站的光电转换效率达到12.9%。
当前，随着热能存储设备的加入，可使槽式发电的效率比最初提高7%。热能存储设备可以存储剩余的热量，保证发电的平稳，同时它也为独立的太阳能发电提供了保障。有了热能存储设备的加入，可使一个80MW的发电站的光电转换效率达到13.8%。
如表1所示为目前世界上太阳能槽式发电站列表。当前正在发展的技术方向为直蒸汽（DSG）技术。典型的PTC发电厂动力范围为30-150MW，工作温度约为400°C。
表1 世界太阳能槽式热发电站列表
（2） 太阳能碟式发电
碟式发电是目前利用太阳能发电效率最高的太阳能发电系统，最高可达到29.4％[1]。因此它有潜力成为最廉价的利用太阳能发电的系统。它利用双轴跟踪技术，采用一组反光镜聚集太阳光，同时利用接收器进行有效地热转变工作，之后利用常规发电机进行发电。通常接收器的接收面被放置于聚光焦点的后面以减小激烈的高温熔化。
碟式发电系统具有高效率、多功能、可和化石燃料混合发电等特点。高效率来自于它的低成本和高能量密度。和其它太阳能技术比较依赖场地和高费用来说,碟式发电每MW大约需要1.2到1.6公顷的占地。对于系统的安装成本，尽管当前为＄12000/kW，但是由于它具有的高效率,因此潜力巨大[2]。同时碟式发电系统功率较小，一般为5～50kW，因此它即可以单独分散发电，也可以组成较大的发电系统。研究表明，碟式太阳能热发电系统在空间上的应用，与光伏发电系统相比，具有气动阻力低、发射质量小和运行费用便宜等优点，因此目前世界各国也都在对碟式发电进行积极的研究和利用。如表2所示为目前世界上太阳能碟式发电站列表。[NextPage]
表2 世界太阳能碟式热发电站列表
(3) 太阳能塔式发电
太阳能塔式发电又叫做高温太阳能热发电，它利用独立跟踪太阳光的定日镜群把太阳光聚集到塔顶的能量转换器（接收器）上，通过能量的转换把热量传递给热传导液，再由蒸汽发生器产生蒸汽带动蒸汽涡轮发电机产生电能，同时利用冷却塔进行冷却再进入接收器进行循环发电。塔式太阳能发电系统是利用定日镜来实现对太阳光的反射和聚集，由于塔式发电系统中定日镜的数量众多，因此可实现大功率的发电，实际应用上可达到30-400MW之间。而且接收器的散热面积相对较小，因而可以得到较高的光电转换效率。同时由于储能槽的加入，使系统可以一天内连续发电13小时。
在美国的西南部，由于充足的日照强度和相对便宜的土地价格，使这里成为了建设塔式发电站的理想区域，同样北非、墨西哥、南美、中东和印度等地，也都是理想的塔式发电站建设地[3]。如表3所示为目前世界上太阳能塔式发电站列表。目前正在发展的技术方向为直加热空气发电技术。
表3 世界太阳能塔式热发电站列表
2、太阳能热发电系统的发展与展望
1950年，前苏联设计了世界上第一座太阳能塔式电站，建造了一个小型试验装置。70年代，太阳能电池价格昂贵，效率较低。相对而言，太阳能热发电效率较高，技术比较成熟，因此当时许多工业发达的国家都将太阳能热发电作为重点，投资兴建了一批试验性太阳能热发电站。据不完全统计，从1981～1991年，全世界建造的太阳能热发电站（500kw以上）约有20余座，发电功率最大达80MW。
80年代中期，人们对建成的太阳能热发电站进行技术总结后认为，虽然太阳能热发电在技术上可行，但投资过大，且降低造价十分困难，所以各国都改变了原来的计划，使太阳能热发电站的建设逐渐冷落下来。正当人们怀疑太阳能热发电的时候，美国和以色列联合组成的LUZ太阳能热发电国际有限公司，自1980年开始进行太阳能热发电技术研究，开发槽式太阳能热发电系统，并成功地进入了商品化阶段。于1985年至1991年间在美国加州沙漠建成了9座槽式太阳能热发电站，总装机容量达到了353.8MW[4]。并使发电成本逐渐下降，预期能达到5～6美分／kWh。
LUZ热发电站的成功实践，激发起人们对太阳能热发电继续进行研究开发的热情。为此，以色列、德国和美国几家公司进行合作，继续推动太阳能热发电的发展，并成功的在美国内华达州建造了两座80MW槽式太阳能热发电站，两座100MW太阳能与燃气轮机联合循环电站，在西班牙和摩洛哥分别建造了135MW和180MW太阳能热发电站各一座。
我国对太阳能热发电领域的研究也逐渐重视起来。在“六五”期间建立了一套功率为lkW的太阳能塔式热发电模拟装置和一套功率为lkW的平板式太阳能低温热发电模拟装置。此外，我国还与美国合作设计并试制成功功率为5kW的碟式太阳能发电装置样机。并在2005年与以色列合作，在江苏省南京市建成了第一座功率为75kW的太阳能塔式热发电示范电站，并成功运行发电。
太阳能热发电具有巨大的潜力，因此对于太阳能热发电未来的发展，应着眼于市场应用的开发，使太阳能热发电真正溶入到我们的生活当中。研究低成本的反射材料、接收器和发电设备成为了降低热发电成本的关键，也是当前热发电领域研究的重点。
二、太阳能光伏发电
太阳能光伏发电是利用太阳能光伏电池的光生伏打原理把太阳光能直接转化为电能的发电方式。
（1） 太阳能光伏发电系统的组成
太阳能光伏发电系统由太阳能光伏电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。
太阳能光伏电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分，也是太阳能光伏发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能光伏电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。
太阳能控制器控制着整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。
蓄电池一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。
在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能。[NextPage]
（2） 太阳能光伏电池的原理
太阳能电池内部存在P-N结，当P-N结处于平衡状态时，在P-N结处形成耗尽层，存在由N区到P区的势垒电场。当太阳光入射的能量大于硅禁带宽度的时候，射入电池内部的太阳光子，把电子从价带激发到导带，产生一个电子-空穴对。电子-空穴对随即被势垒电场分离，电子和空穴被分别推向N区和P区，并向P-N结交接面处扩散，当到达势垒电场边界时，受势垒电场的作用，电子留在N区，空穴留在P区，形成内建电场。而由于内建电场的作用，N区中的空穴和P区中的电子被分别推向对方区域，使N区积累了过剩的电子，P区积累了过剩的空穴，即在P-N结两侧形成了与势垒电场方向相反的光生电动势，当接入负载后，就会产生电流流出。
（3） 太阳能光伏发电系统的分类
当前太阳能光伏发电系统大致可分为三类：独立蓄电系统、反馈式发电系统、市电并联系统。
独立蓄电系统(图4-a)：这是比较原始的一种太阳能应用方式。在国内外应用已有若干年。系统比较简单、造价低。只因其一系列的电池维护困难，而限制了使用范围。
反馈式发电系统(图4-b)：当用电负载较大时，太阳能电力不足就向市电网络购电，而负载较小或不使用电器时，就可以将多余的电力卖给市电。这种方式的实施意义重大。适用于电网己全面改造的城市。
市电并联系统(图4-c)：这是介于上述两种方案之间的系统。常常是太阳能发电的中期运用形式。由于城市电网改造尚未进行，只好采用此灵活的做法。
图4 光伏发电系统的分类
（4）太阳能光伏发电的现状和发展趋势
①国外太阳能光伏发电现状和发展趋势
太阳能光伏发电产业是20世纪80年代以来世界上增长最快的高新技术产业之一。到2004 年,世界太阳能光伏发电装机总容量达到964.9MW,到2006年底,达到4961.69MW。已经商品化、实用化的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光电池、带状硅电池及薄膜电池等几类。在国际市场上, 目前太阳能光伏电池的价格大约为3.15美元/W,并网系统价格为6美元/W,发电成本为0.25美元/(kWh) [5]。光伏电池的光电转化效率也不断提高, 晶体硅光电池转化率达到15%,单晶硅光电池转化率是23.3%, 砷化镓光电池是25%,在实验室中特制的砷化镓光电池已达35%～36%[5]。同时太阳能光伏电池/组件的使用寿命也大大增长,最多可达到30年。
目前, 光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国,其光伏发电量约占世界光伏发电量的80%[6]。
今后光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。专家们预测到2050年,太阳能光伏发电在发电总量中将占13%-15%, 到2100 年将约占64%[9]。
②国内太阳能光伏发电现状和发展趋势
20世纪90年代以来是我国光伏发电快速发展的时期。在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强,成本不断降低,市场不断扩大,装机容量逐年增加,2006年累计装机容量达35MW, 约占世界份额的3%[7]。10多年来, 我国光伏产业长期平均维持了全球市场1%左右的份额。
到2020 年前, 我国光伏技术产业将会得到不断的完善和发展, 成本将不断下降,光伏市场会发生巨大的变化:预计 2005—2010 年,我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统,发电成本到2010年将约为1.20元/kWh；2010—2020年,光伏发电将会由独立系统转向并网发电系统,发电成本到2020年将约为0.60元/kWh。到2020年我国光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列[8]。
（5）太阳能光伏发电产业进一步发展需要解决的问题
目前,世界太阳能光伏发电产业还处于初级阶段，为了保证太阳能光伏发电产业的健康发展, 需要做好以下工作:a 继续研制太阳能电池新材料,提高电池的光电转化效率；b 研究太阳能光电电池最大功率跟踪算法,实现太阳光最大功率跟踪；c研究太阳能光电池阵列的优化组合算法, 实现太阳能光电电池阵列的优化组合；d 研究太阳能光伏发电的软并网技术, 减少光伏电能对电网的冲击；e探索并实现太阳能光伏发电与建筑物建设相结合,实现建筑物绿色发电与自我供电；f 探索并出台保护太阳能光伏发电发展的政策与法律、法规,对太阳能发电电价实行保护政策, 促进太阳能发电产业的发展。
三、结束语
随着全世界能耗的不断上升，滥用化石能源导致的环境污染日益严重，人类在应对经济持续发展的同时，还要着重关注生态平衡的问题。无论是太阳能热发电还是太阳能光伏发电，都是人类未来能够持续生存和发展的重要手段之一，因此人类对于太阳能利用方面的探索和研究将更加积极，同时也预示着太阳能发电将在未来的社会中扮演越来越重要的角色。
