太阳能发电技术的应用与发展

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2009年第4期

太阳能发电技术的应用与发展

BenjaminKroposki,RobertMargolis,DanTon

摘　要:随着全球能源需求的不断增长,能源、环境和气候变暖等问题日益突出。倡导低碳经济运行,提高资源利用率,加大利用可再生能源力度,进一步减少化石能源消耗,保护生态环境,共同推进人类社会和谐可持续发展,已成为全社会的共识和责任。文章介绍了太阳能光发电与太阳能热发电的基本方式和发电技术,阐述了随着能源市场份额的不断增长,需要重点关注和解决独立运行与并网运行的安全、可靠及系统兼容问题,并指出将太阳能发电与智能电网、大容量热储存系统进行整合,是今后太阳能发电的方向。关键词:太阳能光伏发电;太阳能热力发电;热储存系统;智能电网中图分类号:TM615　　文献标识码:B

1　引言

小,多。此外,,并且保持着比过去10年高40%的年增长率。自1998年至2007年底,光伏电池片及其组件的生

。

直接太阳辐射是指直接从太阳垂直照射到太阳能装置平面的太阳辐射。这种形式,通常适用于集中式太阳能发电和高效太阳能光伏发电系统。散射太阳辐射是指太阳光穿过单薄的云层,或者折射到其它质点,或者折射到物质表面,最终到达地表。由此可知,全球太阳辐射总量,是指直接太阳辐射和间接太阳辐射的总和。

在太阳能发电系统中,太阳光的反射和聚焦,尤其是高效的光能、热能转换技术,是整个发电过程的关键。就美国西南部接受太阳辐射的形式而言,其直接太阳辐射更为集中。因而,美国西南部的沙漠有“太阳能之沙特阿拉伯”之称。2.2　太阳能光发电技术

产能力已从155MW上升到了3733MW。而过去10年中,太阳能市场又尤以分布式光伏发电的容量和规模在迅速发展。正是太阳能光伏发电产业的迅猛发展,不断降低生产成本、不断创新制造

技术、不断深化工艺改革,以及太阳能光伏发电、分布式太阳能光伏发电技术的日趋成熟和产业规模化步入良性循环,才使得太阳能发电技术步入当今能源市场,进而发挥重要作用,成为满足人类能源需求的首选绿色能源。

太阳能光发电包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。而光伏发电是当今太阳光发电的主流,拥有多种电池组件和形式,其中包括:晶体硅片电池、薄膜电池、高效多结电池、第三代太阳能电池以及光伏发电系统平衡的组件。

(1)晶体硅片电池

晶体硅片电池被称为第一代太阳能电池。纯硅含有极少量的诸如硼和磷之类的元素。这些元素分别形成空穴型半导体和电子型半导体,而这两种半导体一旦接触将会产生内置电场。正是因为这种电场的存在,半导体装置就会释放出大量电子,电子通过晶体硅片电池将光能转换成电能。在实验室里测出单晶硅太阳能电池的最高转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池转换效率只有15%。

2　太阳能应用技术

2.1　发电方式及太阳辐射

太阳能发电一般分为太阳能光发电和太阳能热发电两种基本方式,虽然这两种发电方式都是利用太阳能发电,但各自的发电方式却不同。通常,太阳能光发电也称太阳能光伏发电,它是利用太阳能电池的光生伏特效应,直接将太阳能转换成电能。而太阳能热发电通常则称集中式太阳能发电,它是利用反射镜通过集热器,将吸收的太阳辐射能转换成电能。

虽然光伏发电和集中式太阳能发电都是利用太阳能发电,但两者对太阳辐射热能的利用迥然—336

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(2)薄膜型太阳电池

第二代太阳能电池是继晶体硅片电池之后发展起来的薄膜型太阳电池,主要有硅基薄膜型太阳电池、化合物半导体薄膜型太阳电池、染料敏化TiO2太阳电池等,若按衬底分,其又分为硬衬底

支撑,以保持其朝向太阳,并防止户外如风雪等复

杂天气的影响。光伏发电系统将太阳光转换成电能,若需将直流电转换成交流电,就需在系统中安装逆变器,就会使转换效率下降5%～10%。而逆变器也是整个发电系统中的关键部件。不过,提高太阳能发电系统的转换效率,还可以通过在太阳能电池组件上安装跟踪器得以提高。2.3　太阳能热发电技术2.3.1　聚焦式太阳能热发电2.3.1.1　线聚焦太阳能热发电

和柔性衬底两大类薄膜型太阳电池。

与晶体硅片电池相比,薄膜型太阳电池的特点在于它所采用的半导体层更薄。晶体硅片电池的半导体层厚度为170～200μm,而薄膜型太阳电池的半导体层厚度为2～3μm。

此外,随着薄膜光伏技术的快速发展,也呈现多样化的特点,除微晶体硅薄膜技术处于发展中外,其他如碲化镉电池(CdTe)、铜铟镓锡(CIGS)电池等技术也在逐步发展起来,并且开始步入商业化。

(3)高效多结电池

池,其主要采用元素的化合物:从底至上,分别为锗、磷化铟、砷化镓三层结构。高效多结电池的这种结构,可使光电转换率达到40%。但因第三价和第五价元素的材料生产成本居高不下,所以高效多结电池的应用范围受到较大限制。

(4)第三代太阳能电池目前,科学家们正致力于第三代太阳能电池的研发和探索。一种趋向是研发转换效率非常高的太阳能电池,但会大幅度增加生产成本。目前太阳能电池转换效率处于领先水平的磷化铟、砷化镓多结电池也只有40.8%。另一种趋向是研发生产成本较低的电池,虽然降低了生产成本,但其太阳能电池转换效率也较低。比如:染料敏化电池,这种电池的太阳能电池转换效率仅为10%,但其制作材料简单,生产成本低廉。再一种趋向是研发包括以量子点为基础的高效电池、有机电池等,但这类电池的研发目前还处于概念性阶段。量子点(quantumdot),又称纳米晶、“人造原子”,是准零维的纳米材料,由少量原子组成,其粒径一般介于1～10μm。预期采用纳米技术的这种材料,在21世纪有着极大的应用前景。

(5)光伏发电的系统平衡

光伏发电的系统平衡(balanceofsystems)不仅涉及太阳能光伏电池,还涉及其他所有光伏系统的组件。太阳能光伏电池组件需要框架结构的

线聚焦太阳能热发电,通常采用大量太阳光反射镜,,在这条焦线上,。,气化后从而推动涡轮发电机组发电。这,其特点是热发电系统不需要热交换装置,但需要在整个太阳能发电场中,安装适用于压力的真空传热管道的费用十分昂贵,而且运作温度也比较低。

(1)槽式太阳能集热器目前,在美国太阳能热发电领域中占主导地位的是槽式太阳能热发电。其工作原理是将太阳能集热器的吸热管,被安装在反射镜的聚焦线上,用以吸收太阳辐射能。传热工质(液体)从太阳能集热管中流过,被加热气化成过热蒸汽后,直接输送到涡轮机用以发电。槽式太阳能热发电的聚光比为10～100,温度可达400℃。

槽式太阳能集热器是由集热管、聚光器和跟踪机构组成。集热管采用真空集热管,分为热管式、双层玻璃式、聚焦式和空腔式4种。空腔式真空集热管的主要特点是利用空腔的黑体效应,充分吸收聚焦后的太阳光。槽式太阳能聚光器由反射镜和支架组成,反射镜从几何上看,是一个将抛物线平移而形成的槽式抛物面,被安置在支架上。支架分为管式和扭矩盒式2种,在跟踪机构的控制下,使其反射的阳光被安装在反射镜聚焦线上的吸热管吸热。槽式太阳能跟踪机构,分为开环、闭环和开闭环3种控制方式。

(2)菲涅耳式聚光集热器线聚焦技术也应用于菲涅耳式反射系统。集热器是由反射镜、聚光器和跟踪机构组成。平展或微曲的菲涅耳式聚光集热器,被固定在地面的太阳跟踪机构上,将太阳辐射光线聚焦到集热器

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上方焦线的集热管上。

集热管具有二次反射功能,可将所有的入射光投射到吸热管上。一次反射镜面有一定的弯曲度,该弯曲度由机械弯曲而成。二次反射镜的背面涂有不透明的绝缘层,正面装有窗玻璃,以减少对流热损失。采用二次聚光的作用是加大聚光比以及对集热管的选择性涂层进行隔离。其特点是集热器不采用真空技术,由此增加了集热管的长度,提高了可用率,而且聚光效果是常规槽式线聚焦集热器的3倍,而且建造费用降低了50%。缺点是工作效率只有普通集热器的70%,因而需要进一步完善。2.3.1.2　塔式太阳能热发电

塔式太阳能热发电主要由定日镜系统、吸热与热能传递系统和发电系统组成。太阳进行实时跟踪,、的、平面型的定日镜,的聚光集热器。

密度辐射能,转化为工作流体的高温热能,通过传热管道传递到地面的蒸汽发生器,产生高温过热蒸汽,推动常规涡轮发电机组发电。其传热工质通常采用熔盐、空气和水/蒸汽。

在塔式熔盐系统中,常以熔融硝酸盐为工质。低温熔盐通过熔盐泵从低温熔盐储罐被送到塔顶的熔盐集热器,在平均热流密度为430kW/m2的聚焦辐射下,将热量传递给流经集热器的熔盐。吸热后的熔盐温度上升到565℃,通过传热管道送到地面的高温熔盐罐,再被送到蒸汽发生器,产生高温过热蒸汽,推动涡轮发电机组发电。

将熔盐作为吸热传热介质具有许多优点:易于蓄热,无压运行,经济、安全性好;在吸热传热循环中无相变,熔盐热容大,可将集热器造得更为紧凑,进一步降低热损;吸热传热同用熔盐作为介质,可使系统极大简化。缺点是高温熔盐易挥发和腐蚀,其次是熔盐的熔点高,需要夜间保温,清晨开机时要对全部管道预热。

在塔式空气系统中,空气系统通常采用容积式吸热器。缺点是空气的热容低、系统结构大和技术风险大。在塔式水/蒸汽系统中,集热器好比是一个将水直接加热成过热蒸汽的太阳能锅炉。

美国已有2个规模很大的塔式太阳能热发电示范工程正处于建设中,而西班牙目前也有几座—338

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塔式太阳能热发电工程正在建设,有的即将投入运行。2.3.1.3　碟式太阳能热发电

碟式太阳能热发电系统是由旋转抛物面反射镜、集热器、跟踪机构以及热能转换装置组成。反射镜可以是单块旋转抛物面,也可以由聚焦于同一点的多块旋转抛物面反射镜组成。集热器为腔式,与斯特林发电机相连,构成一个紧凑的集热、做功、发电装置。该装置安装于旋转抛物面的聚焦点上,集热器开口对准焦点。整个热发电系统安装于一个双轴跟踪支撑机构上,实现定日跟踪,连续发电。

500～11000℃,发电效率高。缺点是碟式太阳,通常为3～25kW,适用于分布式能源系统,但可将多个单元系统整合成一簇,集中向电网供电。2.3.1.4　向下反射式太阳能热发电向下反射式太阳能热发电系统有一个高塔,在塔顶中央装有一个反射镜,在地面则装有一个带复合抛物面聚光镜的熔盐式吸热器。位于地面的反射镜场,先将太阳辐射聚焦到塔顶中央反射镜,中央反射镜再将其向下反射到腔式吸热器。优点是经过二次聚焦,极大地提高了太阳辐射热流密度,可使集热器做得更紧凑,缺点是系统构件的相关技术和材料有待进一步研发。2.3.2　非聚焦式太阳能热发电

(1)太阳能热气流发电太阳能热气流发电也称太阳烟囱发电。其工作原理是利用太阳能将集热棚中的空气加热,热空气由于高烟囱的拔气作用,沿烟囱内壁快速上升,推动风机做功发电。整个集热棚实际上是一个温室,其室内外温差可达35℃,在烟囱内形成的上升气流速度可达15m/s。

太阳能热气流发电的优点是技术简单、材料便宜、易于建造、无需额外的蓄热系统。缺点是发电效率低、占地面积大、热气流烟囱高。

(2)太阳能池热发电太阳能池热发电是以太阳能池底的高温盐水作为热源,通过热交换器加热传热工质,驱动热机做功发电。太阳能池是热发电系统的核心装置,由3层不同浓度的盐水构成。其优点是结构简

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单、操作方便,适宜在盐湖资源丰富的地区应用。目前正处于试研阶段。2.3.3　热能储存系统

一般来说,安装集中式太阳能系统的太阳能场里主要包括三大组件。即用于收集太阳热能的反射镜、跟踪器以及接收器;拥有涡轮机、发电机或斯特林热机的发电设备;确保持续稳定运行的热能储存装置(TES)。

热能储存技术解决了有效持续发电的难题。在集中式太阳能系统中,若接收器采用油或者熔盐作为热传递媒介,那么就可以将热能储存下来以备后续使用。这使得集中式太阳能发电在为人类提供干净的、可再生的能源方面具备了强有力的竞争优势。自1985年以来,TES技术已被尝试并予以推广应用。双罐系统便是TES的一种。,则装有低温液体。

统。是同一种介质;而在间接双罐系统中,传热流体则需要通过热交换器将其热量传递到储罐中的介质中。还有一种单罐温跃层系统,这种系统通常在其储罐中通过装用加热的固体材料,如用沙粒来建立一定的温度梯度。

先进的传热流体研究和新型的热储存观念,主要是寻求TES效率的提高和成本的减少。科学家们正致力于对拥有改善热能储存的物理和化学特性的新型液体和材料的研发。例如,相变型材料(phase-changematerials,PCMs)可以在相对较小的体积里储存大量的热能,这样就可以节省储存媒介的成本。最初,PCMs只考虑在采用合成的耐高温的传热流体的抛物槽电站中加以应用,而现在可能会在抛物槽太阳能电站的直接蒸汽发电中应用PCMs热能储存技术。

将TES技术整合到集中式太阳能电站会加强电力公司调峰能力。随着TES技术的不断改善和进步,热能储存的时间会更长,生产成本会更低,相信会有越来越多的电力公司考虑用集中式太阳能发电取代或者补充那些只依靠矿物燃料的火电站发电。

随着人类对气候变化的日益担忧、国家级可再生组合标准与鼓励政策的采用,以及随着可再生能源发电成本的降低,使得太阳能光伏发电和集中式太阳能发电日趋成熟。它们在为人类提供大量电力需求方面有着巨大的潜力。然而,随着太阳能光伏发电和集中式太阳能发电市场份额的增长,对并网运行和系统稳定的担忧,也将阻碍它们进一步发展。

2008年,美国能源部(DOE)发布了《可再生系统并网研究》报告,报告就潜在的可能限制分布式光伏发电和其他可再生能源技术的市场发展问题进行了陈述,、规章制度以及商业,即,其。但是,在美国的一些地区,未来增长涉及并网问题的阻力也可能将在接下来的5～10年内浮现。比如,目前加利福利亚州的大多数新房,按标准都安装了光伏发电系统,并将它作为建筑节能的一个特征。显然,按照光伏发电系统在市场上的快速发展态势,现在是将大量的分布式可再生能源系统整合到电网中的时候了。

美国光伏并网市场在过去5年里发展非常迅速,2001年装机容量为10MW,到2006年,增长到180MW。这样的快速增长,也使美国光伏并网的累计基本装机容量,到2006年底达到了480MW。然而,目前光伏发电和集中式太阳能发电市场份额的快速增长,不过是冰山一角。伴随着技术的改进,联邦政府和各个州的政策鼓励,也将有利于创造更为广阔的太阳能应用市场。事实也是如此,在《可再生系统并网研究》报告中,它占有很重要的部分。

据报道,美国光伏发电系统并网的年装机容量到2015年有望达到7.1GW,由此,累计基本装机容量到2015年将会高达24GW,如图1所示。在光伏发电的推广应用上,有三项关键的管理制度和政策对其发挥着重要的作用,即网上计量装置的建立,联邦政府投资税收抵免的扩大以及并网连接标准的实施。3.2　合适的上网电价

2006年,美国宣布了一项国家级太阳能计划,即《太阳能美国计划》,该计划由美国能源部的

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3　太阳能技术的发展前景

3.1　能源市场份额的增长

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图2　未来太阳能光伏发电的成本

图1　分布式光伏发电并网的增长预测

太阳能技术发展规划引导实施。计划的总体目标

是:到2015年使美国的光伏发电成本能够与传统能源的成本相抗衡。

就集中式太阳能发电而言,建立4GW的集中式太阳能电站,/(h)或者。

此外,从2009年开始的长达8年的太阳能发电投资税收抵免政策的进一步实施,也将是这一地区的集中式太阳能发电项目突破数十亿瓦。美国能源部对未来太阳能光伏发电的成本与传统能源的发电成本相抗衡趋势,如图2所示。

此外,西班牙也正积极投入到槽式和塔式太阳能发电的建设中,旨在采用28美分/(kW・h)的上网电价进行收购,使集中式太阳能发电的装机容量到2010年达到500MW。为了实现这个目标,在建的12个50MW的电站中,热储存项目是电站建设中最重要的一部分。3.3　与智能电网的结合

由于电力系统已向智能电网(SmartGrid)发展,太阳能发电系统也需要做相应的调整,以便与常规电网更为兼容。智能电网的特点在于它通过简单的内在连接,自然、平滑地与多种发电形式和热能储存系统结合

。这就意味着太阳—340

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,积极。

能源储存的结,。该系统将使太阳能重要的角色,并且有能力为当地居民提供更为安全、可靠的电力。太阳能并网系统的应用前景如图3所示。摘译自:“AnOverviewofSolarTechnologies”,IEEEpower&energymagazine.2009,7(3):22233.

邓　琳　编译　　杜建军　校

收稿日期:2009208215

作者简介:邓　琳(19882),女,四川阆中人,上海电力学院外语系在读。

(责任编辑:杜建军)

图3　太阳能并网系统的应用前景