（工程热物理专业论文）反射聚光利用太阳能的基础理论与实验研究.pdf

中国科学技术大学博士学位论义 摘要 摘要 利用太阳能高效率低成本发电是当前重要研究课题。聚光系统可极大地减少 昂贵的光伏电池使用量，降低成本。而采用分频技术则将可用于光电转换频段的 太阳能投射到光伏电池上，减小光伏电池散热负荷，提高效率，同时把其余波段 集热回收，从而进一步提高太阳能的综合利用效率。因此本文重点对几种太阳能 聚光系统的聚光性能进行理论和实验研究分析，并探讨分频器光学特性对性能的 影响。 首先以光谱辐射热力学理论为基础，对分频利用太阳能方法进行了分析。提 出两级反射聚光分频光伏发电和光热利用的两种方案，采用无量纲分析方法推导 了二次反射聚光分频槽式系统几何聚光比的解析计算式。根据光学薄膜的基本 原理，使用n e e d l e 方法设计了在两级聚光分频系统中使用的低通高反截止膜分 频器，高低折射率材料分别选用五氧化二铌和二氧化硅，使用磁控溅射进行了镀 膜，实验测得垂直入射时硅电池有效频段的反射率高于9 5 。采用光线追踪法建 立了能流密度分布的光学计算模型，推导了考虑分频作用的局部能流密度分布的 计算公式。模型考虑了太阳形状的影响，能够对安装误差、表面坡度等光学误差 进行分析，并对跟踪系统误差进行评估。根据所提出的b u i ec s r6 的年平均太阳 形状模型进行了计算，得到了二次反射聚光分频槽式及碟式系统的分频器、接收 器、光伏电池等入射表面上的能流密度分布。由于二次反射存在遮挡使得分频器 及热接收器中心能流密度较低，而光伏接受面呈中间高两边低的分布，采用再次 反射聚光可以得到均匀的能流密度。同时计算表明分频器安装误差对热接受器能 流密度分布影响较小，而对光伏接受面的光强分布有较大影响。 自行设计了双轴调节太阳跟踪装置，其特征在于通过南北向布置的赤经轴按 时钟角速度转动，同步带动一个挂在赤经轴两端的内框转动，在内框的东西框边 的赤纬轴上安装有接收面支架，由手动螺旋调节机构调节接收面支架的平面与赤 经转轴的夹角每天等于赤纬度。跟踪时限从早7 点到下午5 点，受光面为1 0m 2 ， 驱动器功率1 2w ，该装置可安装四碟式聚光器、半抛物槽和菲涅尔聚光器，其控 制系统简单，跟踪精度高，成本低廉，很有应用前景。 提出了半槽式反射聚光系统，该系统可避免接收器遮挡，实现高倍聚光，并 中国科学技术大学博士学位论义摘要 且抗风性能好。建立了考虑太阳光不平行度影响的光学模型，研究了几何集中比 与聚光镜相对口径和光电池安装位置的关系，给出了不同开口下光伏表面能流密 度分布最均匀的电池倾角。对半槽式反射系统的能流密度分布及聚光光伏性能进 行了实验研究。采用c c d 法得到了能流密度的相对分布并用热流计标定出能流 密度分布。进行了光伏组件聚光发电的实验研究。设计了一种以二氧化钛和二氧 化硅分别作为高低折射率膜料的分频器，透射全部的可见光及近红外小部分而反 射其余辐射光线，理论分析了采用分频技术对电池温度分布及系统效率影响，计 算结果表明采用分频可以降低电池温度提高聚光系统的聚光比以及光电转换效 率。 提出了两种使用平板玻璃镜获得等光强分布的反射聚光设计新方法，即等光 强半槽式和折平板式反射聚光系统。给出了考虑太阳光不平行度影响的等光强半 槽式反射聚光系统的设计公式，得到了均匀的能流密度分布。推导了折平板反射 聚光系统的平行光聚光公式，可在给定接收截面宽度、倾角、与第一反射面的距 离高度时，计算出聚光度所需的反射板数，每块反射板的宽度、倾角及坐标位置； 建立了实验装置对折平板聚光系统接收平面能流密度分布进行了测量并进行了 光伏组件性能实验，结果表明折平板玻璃镜聚光系统可以得到比半槽式系统更为 均匀的辐射能流密度，并且系统的发电效率也较高。 特别感谢国家自然科学基金委的资助( n o 5 0 5 7 6 0 9 2 ，5 0 7 3 6 0 0 5 ) 。 关键词：太阳能利用光伏发电反射聚光光学分析分频技术 中国科学技术大学博士学位论义英文摘要 a b s t r a c t e m c i e n ta n dc o s t e 矗e c t i v es o l a rp o w e rg e n e r a t i o ni sa ni m p o r t a n tr e s e a r c h i s s u en o w a d a y s c o n c e n t r a t i n gp h o t o v 0 1 t a i cs y s t e mc a n 耵e a t l yr e d u c et h e 锄o u n t o ft h ee x p e n 8 i v es o l a rc e l l sa n dd e c r e a s et h ec o s to ft h ep 们陀rg e n e r a t i o n u s i n g t h es p e c t r a lb e 锄s p l i t t i n gt e c h n o l o g y ，t h es p e c 嫩cs p e c t r a ls 0 1 a ri r r a d i a n e et h a ti s s u i t a b l ef o rp h o t o v 0 1 t a i cc o i l v e r s i o nw i l lb et r a n s m i t t e do n t ot h ec e l l ，s ot h eh e a t 1 0 a d0 ft h ec e l lc a nb er e d u c e da n dt h ec o n v e r s i o ne 伍i e n c yw i l lb ei n c r e a s e d m e a l l w h i l e ，t h er e s tp a r to ft h es 0 1 a ri r r a d i a n c ew i l lb er e c o v e r e dt oi n c r e a s et h e o v e r a l lu t i l i z a t i o ne 伍c i e n c yo ft h es o l a re n e r g y t h e r e f o r e ，t 1 1 i sd i s s e r t 8 t i o nm a i n l y f o c u s e so nt h et h e o r e t i c a la n de ) 叩e r i m e n t a la n a l y s i so ft h ec o n c e n t r a t i n gs y s t e m p e r f o r m a n c ea sw e ua u st h ee 髓c to ft h eo p t i c 越p r o p e r t i e so ft h eb e a m6 l t e r f i r s t ，b a s i so nt h et h e o r y0 ft h es p e c t r u mr a d i a t j o nt h e r m o d y n a m i c s ，t h e m e t h o do ft h es o l a re n e r g yu t i l i z a t i o nw i t hb e a ms p l i t t i n gt e 出n o l o g yi sa j l a - l y z e d t h et w 阻s t a g er e f l e c t i v ec o n c e n t r a t i n gb e a ms p l i t t i n gs y s t e mi sp r o p o s e d a n dt w ds o l u t i o i l so fs o l a rp h o t o v 0 1 t a i c t h e r m a lh y b r i ds y s t e m 盯ep r e s e n t e d n o n - 山m e n s i o n a la n a l y t i c a l le x p r e s s i o n so ft h eg e o m e t r i cc o n c e n t r a t i o nr a t i oo ft h et w 伊 s t a g ep a r 如o l i et 。u 曲r e 丑e c 乞i v ec o n c e n t r a t i n gs y s 乇e ma r ed e r i v e d b ，l s i so nt h e e l e m e n t a r yp r i n c i p l eo ft h eo p t i c a lt h i nf i l m ，t h el o 晡r - p a s sb r o a d - c u tf i l t e re n l p 1 0 ) r e di nt h e 饥协s t a g ec o n c e n t r a t i n gs p l i t t i n gs y s t e mh a sb e e nd e s i g i l e du s i n g n e e d l eo p t i m i z a t i o nm e t h o d u s i n gn i o b i u mp e n t a o x i d ea n ds i l i c o nd i 嘲d ea st h e h i 曲a n d1 0 wr e f r a u e t i v ei n d e xm a t e r i 如，r e s p e c t i v e l y t h ef i i mc o a t i n gi sc a r r i e d o u t 丽t hm a g n e t r o n8 p u t t e r i n gm e t h o d ，a n dt h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h er e f l 盼 t i v j t yo ft h ea v a i l a b l es p e c 打u mf o rt h es i l i c o ns 0 1 a rc e l li sa b o v e9 5 b a u s e do n t h er a yt r a c i n ga l g o r i t h m s ，ad e t a i l e dt h r e e - d i m e n s i o n a lo p t i c a lm o d e l i ss e tu pt o e v a l u a t et h e 丑u ) ( d e n s i t yd i s t r i b u t i o no nt h ee l e m e n t s s u r f a c e s ，a n dt h ee x p r e 鲥o n 0 ft h e1 0 c a lf l u ) ( d e n s i t yw i t he 圩e c to ft h es p e c t r a lb e a m s p l i ti sd e r i v e d t h ee 疗e c t s o ft h es o l a rb r i g h t n e s sd i s t r i b u t i o na n do p t i c a le r r o r s ( e 。g ，a l i g n m e n te r r o ra n d s u r f a c es l o p ee r r o r ) a r e 如oi i l v o l v e da n dt h et r a c k i n ge r r o ri sa l s oa n a l y z e d t h e - n l n u m e r i c a lc a l c u l a t i o ni se 缸r i e do u tu s i n gt h ea n n u a lm e a nb u i ec s r6s u n s h a p e ， t h en u xd e n s i t vd i s t r i b u t i o n so nt h eb e 锄m t e r ，h e a tr e c e i v e ra n dp h o t o 、，0 l t a i c c e ua r eo b t a i n e d d u et ot h es h i e l d i n go ft h eb e a m6 l t e r ，t h ef l u xd e n s i t yo nt h e c e n t r a lp a r to ft h es p l i t t i n gm i r r o rs u r f a c ei s1 0 ww h i l et h er e s tp a r ti su n i f o r m ， a n dt h en u xd e n s i t yo nt h ec e n t r a lp a r to ft h es o l a rc e l li sh i g h e rt h a nt h a to nt h e s i d e s i t 话a l s os h o w nt h a tt h ed i s t r i b u 七i o no nt h ef i l t e ri ss l i g h t l ya a e c t e db yi t s a l i g n m e n te r r o rw h n ei tg r e a t l ya 髓c tt h ed i s t r i b u t i o no nt h ep h o t o v o l t a i cr e c e i v e r 8 u r f a c e t h ed u a l a x i ss u nt r a c k i n gd e v i c ei sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e d t h er o t a t i o n a x i so ft h er i g l l ta s c e n s i o ni sa r r a n g e di nn o r t h s o u t hd i r e c t i o na n dr u i 塔a 七t h e s p e e d0 f1 5 0p e rh o u r m e a n w h i l et h ei n n e r a m es e to nt h et w oe n d so ft h e r i g h ta s c e i l s i o na x i s 出or o t a t e s t h ed e c l i n a t i o na 妇si ss e to nt h et w oe n d so f t h ei n n e rf r a m ei ne a s t w e s td i r e c t i o n u s i n gah a n d o p e r a t e ds c r e wa 棚u s t i n g m e d l a n i s m ，t h ea n g l eb e t w e e nt h er e c e i v ep l a n ea n dt h er i g h ta s c e n s i o na x i si s c o n t r o u e dt ob ee q u i v a l e n tt ot h el a t i t u d ee v e r yd a y n a c k i n gt i i n ei s l i m i 协d 丘o m7a mt o5p m ，t h ec o n c e n t r a t i n ga r e ai s1 0 工1 1 2 ，a n dt h ed r i v e rp r e ri so n l y 1 2w t h et r a c k i n gd e v i c ei s1 0 a d e dt h ef o u r - d i s hc o n c e n t r a t o r ，s e m i p a r a b o l i c t r o u g ha n dn e s n e lc o n c e n t r a t o r 7 r i h el o w - c o s td e v i c ei sap r o m i s i n gs y s t e mf o r t h a tt h ec o n t r o ls y s t e mi ss i m p l e ，t h et r a c k i n gp r e c i s i o ni sh i 曲。 as e m i p a r a b o l i ct r o u 醇c o n c e n t r a t i n gs y s t e mi sp r e s e n t e d ，w h i c hc a n r e a l i z e h i 曲c o n c e n t r a t i o nr a t i ob ya v o i d i n gt h es h i e l d i n go ft h er e e e i v e r ，a n dt h e a n t i - w i n dp e r f o r m a n c ei sg o o d ad e t a i l e do p t i c a lm o d e li sp r e s e n t e dt oe v a l u a 上et h e r e l a t i o i l sb e t w e e nt h eg e o m e t r i cc o n c e n t r a t i o nr a t i o ，t h er e l a t i v ea p e r t u r ea n dt h e p h o t a v o l t a i cc e l l1 0 c a t i o n ，a n dt h eo p t i m a li n c l i n a t i o na n 9 1 e so ft h ec e na r eg i v e n t oo b t 撕nu n i f o r mf l u xd e 矗i t ya td i 珏e r e n tc o n c e n t r a t o rr e l a t i v ea p e r t u r e s t h e s d a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ef l u ) ( d e n s i t yo nt h es o l a rc e l lp l a n ea n dt h ep e r f o m a n c e s o ft h es e m i p 盯a b o l i ct r o u g hc o n c e n t r a t i n gp h o t o v 0 1 t a i c8 y s t e ma r ee x p e r i m e n t a l l y s t u d i e d t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no ft h ef l u xd e n s i t yi si n v e s t i g a t e db yt h ec c d m e t h o da n dc a l i b r a t e db yh e a tf l o wm e t e r t h ee l e c t r i c a lp e r f o m a n c eo ft h e p h o t o v o l t a i cs y s t e m i se x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d ab e a mf i l t e rc o a t e dw i t hm a t e r i a l s 0 fh i g l lr e f r a c t i v ei n d e xt i t a n i u md i 嘲d ea n dl o wr e f r a c t i v ei n d e xs i l i c o n 出o x i d e h a sb e e nd e s i g n e d ，w h i c hc a j l 乞r a n s m i 七a 1 1t h ev i s i b l e1 i 曲ta n dp a r to ft h en e a r 一l v 中国科学技术大学博士学位论义 英文摘要 i n 行a r e db a n da n dr e f l e c tt h er e s tb a n di r r a d i a n c e t h ei n f l u e n c eo ft h e8 p e c t r a l b e a ms p l i t t i n gt e c h n 0 1 0 9 yo nt h ec e ut e m p e r a t u r e 锄dt h e8 y s t e me m c i e n c yi s t h e o r e t i c a u ys t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a ts p e c t r a lb e a ms p l i t t i n gt e c h n o l o g y o nt h ec o n c e n t r a t i n gp h o t o v o l t a i cs y s t e mc a nr e d u c et h ec e l lt e m p e r a 乞u r ea n d i n c r e a s ec o n c e n t r a t i o nr a t i ot o g e t h e rw i t hp h o t o e l e c t r i cc o i e r s i o ne m c i e n c y t w on e wr e f l e c t i v ec o n c e n t r a t i n gs y s t e m s ，t h es e m i p a r a b 0 1 i c t r o u 曲s y s t e m a n dz i g z a g p l a t es y s t e m ，w h i c hc a no b t a i ni s 0 - i n t e n s i t yd i s t r i b u t i o nu s i n gp l a t e m i r r o r s ，a r ep r o p o s e d c o n s i d e r i n gt h ee 能c to ft h ei n c i d e n ts u nr a y s n o n p a r - a l l e l i s m ，t h ed e s i g nf o r m u l a sa n du n i f o r mf l u xd e n s i t yd i s t r i b u t i o nf o rt h es e m i p a r a b o l i c _ t r o u g hs y s t e ma r ep r e s e n t e d a sf o rt h ez i g z a 分p l a t es y s 七e m ，t h ed e s i g n f o r i n m a sw i t ht h ep a r a l l e l r a y sa r e 幽od e r i v e d w i t ht h el 【i l o w np o s i t i 伽( i n - c l u d i n gt h et i l ta n g l ea n dt h ed i s t a n c eo nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n ) a n dt h ew i d t ho f t h er e c e i v e rp l a n e ，t h en u m b e ra n dt h ew i d t ho fe a c hm i r r o ra sw e l la s 灿et i l e a n g l ea n dt h ep o s i t i o nw i l lb ee v a l u a t e d e x p e r i m e n t a ld e v i e eh a sb e e n s e tu pt o t e s tt h en u xd e n s i t yd i s t r i b u t i o no ft h ec o n c e n t r a t i n gs y s t e m ，a n dt h ep h o t o 、，o l t a i c p e r f o r m a n c ee x p e r i m e n th a sa l s ob e e nc a r r i e do u t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h 0 w t h a tt h ef l u xd e n s i t yd i s t r i b u t i o no ft h ez i g z a g p l a t em i r r o rc o n c e n t r a t i n gs y s t e m i sm o r eu n i f o r mt h a nt h a to ft h es e m i t r o u g hc o n c e n t r a t i n gs y s t e mu s i n gp a r a b o l i c r e f l e c t o r ，a n dt h ep h o t o v o l t a i cc o n v e r s i o ne 伍c i e n c yo ft h ez i g z 盼p l a t es y s t 哪i s h i g h e rt h a nt h a to ft h es e m i - p a r a b o l i cs y s t e m t h e r o r k 隐ss p o n s o r e db yt h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c e 】南u n d a t i o no fe h i n a ( n o 5 0 5 7 6 0 9 2 ，5 0 7 3 6 0 0 5 ) k e yw b r d s ：s o l a re n e r g yu t i l i z a t i o n ；p h o t o v 0 1 t a i cp o w e rg e n e r a t i o n ；r e f l e c t i v e c o n c e n t r a t i n gs y s t e m ；o p 七i c a la n a l y s i s ；s p e c t r a lb e a ms p l i t 七i n gt e c h n o l o 钉 一v 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作 了明确的说明。 作者签名： 签字慨吲靴 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 磁开口保密( 年) 作者签名：乏兰当趔l签字日期：趔隆亟旦主旦作者签名：之兰绥型l签字日期：趔坦鱼旦主璺 巾国科学技术大学博士学位论义第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，人类加剧了对能源的 需求，而由于常规能源尤其是化石燃料的有限性和分布的不均匀性，造成了世界 上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济社会发展的需要。随着化石能源 的逐步消耗，能源危机已经展现在人类面前。同时，矿物燃料的大量使用对环境 的污染及破坏很大，目前大气二氧化碳含量增加温室效应日趋严重，全球气侯异 常。因此，为了保护环境实现人类社会的可持续发展，需要寻找洁净丰富的新能 源，大力发展可再生能源已是当务之急。2 0 0 7 年在印度尼西亚巴厘岛召开了联合 国气候变化大会，着重讨论京都议定书第一承诺期结束后如何应对气候变化 等问题。在2 1 世纪全球能源结构必将发生根本性变化，当今占主导地位的石油 将逐渐减少直至枯竭，完成其历史使命；煤炭的利用将受到限制，但考虑发展中 国家发展经济的需要，在2 0 3 0 年前可能还会有所增长，此后将逐渐下降；而太阳 能和其它可再生能源将替代石油和煤炭，逐渐成为世界能源的主角。据权威专家 估计如果实施强化可再生能源的发展战略，到2 1 世纪中叶，可再生能源可占世界 电力市场的3 5 ，燃料市场的2 5 。 在生物质能、风能、海浪能、海洋温差能和太阳能的各种可再生能源中，太 阳能是最根本，最普遍，最安全，最丰富，最洁净，最永久的能源。无需运输，普 天同享，社会的应用面最广，产生的效益最大。在世界能源结构转换中，太阳能 处于重要位置，太阳能利用的研究受到各国重视，特别是对太阳能发电和太阳能 制氢方面的研究。壳牌石油公司经过长期研究得出结论，下一世纪的主要能源是 太阳能；日本经济企划厅和三洋公司合作研究后则乐观地估计，到2 0 3 0 年，世界 电力生产的一半将依靠太阳能。温家宝总理说：“太阳能技术关系到中国的能源 战略，要大力发展这一产业! ”随着中国可再生能源法的正式实施和国内相关 配套政策的相继出台，太阳能电力对发展循环经济的巨大贡献将迅速显现。我国 政府在可再生能源中长期发展规划中提出了可再生能源发展规划的发展目 标：提高可再生能源在能源消费结构中的比重，争取2 0 1 0 年达到1 0 ，2 0 2 0 年达 到1 6 。 人类对利用太阳能已经进行了长期的研究，取得了丰硕的成果。最为明显的 一1 一 r f l 国科学技术大学博士学位论义 1 2 太研1 能利用的方式 是已走进千家万户的太阳能热水器。太阳能热水器的应用可以起到节约能源的作 用，但不能解决能源短缺的根本性问题。要让太阳能真正成为主要能源，必须使 太阳能转化电能的过程是高效率，获得的电能是低成本的，投资是低风险和有回 报。只有如此，社会发展的电能才可以大规模地从太阳能获取，经济可持续发展 和环境保护才能得到更好的保障，太阳能的取之不尽、洁净的优点才能充分显现 和发挥作用。所以开展高性能低成本低风险的太阳能电热利用的研究是战略性 重要课题。 1 2 太阳能利用的方式 利用太阳能的形式多种多样，主要分为太阳能光热转换、光化学转化、光生 物和太阳能光电转换等方式u 一。 光热利用是太阳能利用的最基本方式p 1 ，接受或聚焦太阳能使之转换为热能， 然后再用于生产和生活，太阳能热水系统是目前利用光热太阳能的最主要形式， 它是利用太阳能将水加热并储存起来使用的装置，如热水器、开水器、干燥器、 采暖和制冷、温室与太阳房、太阳灶和高温炉、海水淡化装置、水泵、热力发电装 置及太阳能医疗器具。 太阳光电转换利用半导体器件( 称为光伏电池) 的光生伏打效应将太阳能转 换为电能输出h 。光电转换的基本装置就是太阳能电池，受到当太阳光照时就能 产生电流；当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳 能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和 灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投 资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太 阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能 电池组，这是其它电源无法比拟的。太阳电池的应用范围很广，例如人造卫星、 无人气象站、通讯站、电视中继站、太阳钟、电围杆、黑光灯、航标灯、铁路信号 灯嗍。 太阳光化学转换包括光合作用、光电化学作用、光敏化学作用及光分解反应 等，使用太阳能通过催化作用制氢气、甲烷等燃料就属于光化学利用，目前该技 术领域尚处在实验研究阶段。 据中国太阳能产业协会的最新统计，截至2 0 0 7 年底，中国太阳能热水器产量 达2 3 0 0 万平方米，总保有量达1 0 8 亿平方米，占世界的7 6 ，成为全球太阳能热 2 一 中国科学技术大学博士学位沦义第一章绪论 水器生产和使用第一大国，且拥有完全自主知识产权，技术居国际领先水平。虽 然太阳能热利用在中国开展的非常普及，但从根本上解决能源动力的问题，还是 要依赖太阳能发电技术。 。 1 3 太阳能发电 太阳能发电系统有两种：光伏发电系统及光热发电系统。 普通光伏电站系统依赖于最为常用的硅太阳能电池，单晶硅和多晶硅等硅基 光伏电池几乎占到全部产量的9 4 以上，由于近年来太阳能级硅材料供不应求， 且持续大幅度涨价，在一定程度上制约了硅基光伏电池的发展。在这样一种背景 下，非晶硅、硫化镉、碲化镉及铜铟硒等薄膜电池应运而生。其中，非晶硅电池效 率低下，且稳定性有待提高。尽管硫化镉、碲化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜 电池效率高，成本较晶体硅电池低，且易于大规模生产，但是镉有剧毒，会对环 境造成严重污染，硒和铟是储量很少的稀有元素，因此大规模发展必将受到材料 制约，砷化镓化合物材料具有十分理想的禁带宽度以及较高的光吸收效率，适合 于制造高效电池，但是其基材料价格昂贵目前只在航天等特殊领域应用，离地面 应用的商业化运行还有很大距离。因此本文下面讨论的内容，除非特别指出，使 用的电池均为单晶硅太阳电池卜1 。 光热发电方法是把太阳光聚焦后投射在太阳能接收器上，在太阳能接收器上 转化为热量，加热接收器内的工质水或导热油、或金属盐，再加热水变为水蒸汽 推动汽轮机发电。与普通的火力发电一样，太阳能热发电的缺点是效率很低而成 本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5 1 0 倍，一座1 0 0 0m w 的太阳能 热电站需要投资2 0 _ 2 5 亿美元，平均1k w 的投资为2 0 0 0 - 2 5 0 0 美元。因此，目 前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与 普通的火电站或核电站相竞争。 发电利用太阳能面临的缺点首先是能量密度较低，日照较好时，地面上单位 面积所接受的能量只有1 千瓦左右，往往需要相当大的采光集热面才能满足使用 要求，从而使装置占地面积大、用料多成本高；其次是太阳辐射不稳定，受昼夜、 季节、地理和气候等外界条件影响较大，时强时弱、时有时无，这是与矿物燃料 相比的最大不足。太阳能要成为一种真正可承担重任的新能源，必须解决廉价规 模发电和高效率问题。 太阳能热发电研究在发达国家已进行了多年研究，并建立起若干示范太阳 3 中国科学技术大学博士学位论义1 3 太阳能发电 能热电站，国内有关文献也都进行了介绍r ”，例如：1 9 8 5 年起以色列美国鲁 兹( l u z ) 国际公司在美国加州的m o j a v e 沙漠上建成9 个槽式太阳能发电装置，总 容量3 5 4 兆瓦，系统效率达1 3 6 ；1 9 8 8 年1 0 月美国在加州靠近波士顿地区建立的 “s 0 1 8 ro n e 7 的1 0m w 的太阳能中心接收电站，接着又建了“s 0 1 a rt w o ”，由西 班牙建造的“c e s a - 1 1 2m w 的太阳能中心接收电站，日本香川县塔式太阳电 站( 1 0 3 k w ) 、由欧洲共同体建设的意大利西里岛电站( 1 0 3 k w ) ，另外，前苏联也 建成5 1 0 3 k w 的塔式太阳能电站；碟式系统太阳能热发电系统也在研究中，主 要以分散应用和小型为主l 引。1 9 8 2 年美国加州建造了碟式斯特林太阳能热发电实 验装置，最大功率2 4 6k w ，目前由美国s e s 公司( s t i r l i n ge n e r g ys y s t e m s ) 开始 生产2 5k w 这种机组，并与s c e 公司( s o u t h e r nc a l i f o r n i ae d i s o n ) 签订了售电协 议。太阳能热发电系统需要规模大效益才好，一次性投资很大，风险也很大，例 如波士顿的塔式太阳能热电站造价1 4 2 亿美元，每千瓦装机成本约1 4 2 万美元， 折合人民币约1 1 4 万，约为常规热电站的2 0 倍。目前比较实用的是抛物面槽式 系统。对于发展中的国家，是否要沿着建大型太阳能热电站的道路去走，值得认 真评估。2 0 0 5 年1 0 月在中国工程院张耀明院士带领下，由中国材料集团南京玻 璃纤维研究设计院和河海大学联合，在南京江宁经济技术开发区，建立了我国第 一座7 0k w 塔式太阳能热发电的示范站，采用空气为工质例。国家科技部已立项 建立一个塔式太阳能热发电装置，由中国科学院电工所负责。这种探索的试验， 也许有助于我们确定今后太阳能利用的战略。太阳能光伏发电在我国发展迅速有 几方面原因，首先是单晶硅和多晶硅光电池技术成熟，有较高的效率，单晶硅光 电池效率约l 昏1 8 ，多晶硅也有1 4 1 6 ，性能稳定，寿命可达3 0 年，发电系统 简单，无运动件，组合方便，可大可小，所以普遍受欢迎p 引。第二是我国光伏电 池的生产量急速增长，在2 0 0 2 年全国光电池生产量仅2 4 兆瓦，2 0 0 3 年起无锡尚 德太阳能电力有限公司从建立1 0 兆瓦光电池生产线，到2 0 0 5 年9 月建成1 2 0 兆 瓦( 单晶多晶) 硅光电池生产线，我国已成为硅光电池生产大国，无锡尚德已进入 世界四强的生产厂家。此外还有保定天威英利新能源有限公司将建成5 0 0m w 硅 光电池生产线，以及目前众多企业和公司都有大量投资进入光伏发电生产行列。 第三是国家政策支持，许多省市都建立了光伏发电示范站。可以预见，光伏发电 在我国将会迅速发展。 4 中国科学技术大学搏士学位沦义笫一章绪论 1 4 提高太阳能发电效率和降低成本的几种途径 太阳能的优点很多，但要让它担负发电重任也有几个重要不足之处：能流密 度低，日夜交替不连续性和受气象因素影响较大，太阳能发电系统成本太贵。针 对太阳辐射密度低、光伏电池昂贵等导致光伏发电系统的成本居高不下的问题， 人们提出了聚光光伏系统的概念p 0 。1 2 1 。 聚光光伏系统使用廉价聚光器可以减少昂贵的光电池板的用量，降低系统造 价成本使光伏电站系统有可能与传统发电系统相竞争u 3 1 卅。但在高能流密度的 照射下，光伏电池的温度要升高而致使效率下降，因此需要对其冷却系统特别设 计1 引。 为了提高太阳能发电效率和降低成本，在太阳能光热利用中，必须采用和研 究聚光技术，接收器多吸进太阳能少放出热量的多进少出技术，高温蓄热技术等； 另外，采用太阳能与化石能源互补方法，也是一种有效方法。例如，金红光等提 出用太阳能聚光到2 0 0 多度裂解甲醇，再用甲醇燃烧发电，可以减少常规燃烧甲 醇过程中消耗的有效能，变相地提高太阳能的有效能利用率，是一种很好的思路 和创新p “。 尽管我国已成为硅光电池生产大国，但在应用上还是小国。我国生产的硅光 电池的9 0 出国，国内只使用1 0 。这主要是硅光电池贵，其次是用户直接利用 的终端产品少。太阳能电池板的价格为4 0 元峰瓦，加上蓄电池、逆变器等，每 峰瓦的成本要上升到5 0 元以上。太阳能发电系统的发电成本上升更大的原因是 太阳能平均日照强度只有太阳峰值照度的0 5 o 6 ，且每天有效工作时数不足1 0 小时，还有阴雨天，以全年晴好工作日9 个月计算，太阳能发电设备的利用率仅 是设计峰值全照射的约0 1 8 8 倍，而矿物燃料电厂可连续运行( 除检修时间) 。一 般矿物燃料电厂的造价约6 元瓦，附加污染处理设备后造价约7 5 元瓦。因此， 目前的与矿物燃料电厂可比价格为3 5 倍。太阳能光伏发电按寿命2 0 年，维护管 理按初始投资0 6 倍计算得到太阳能光伏发电成本在2 4 元千瓦时，约为常规发 电成本的6 倍，尚缺乏竞争力。光伏发电的风险小，灵活性大，如果能使其发电 的成本大幅度降低，那么光伏发电的前景将是非常光明。 目前，为了降低太阳能光伏发电的成本和提高效率，材料科学工作者是在半 导体材料上下功夫，设计多级串联式光伏电池，把不同能带隙的光电池组合，扩 大光伏发电光谱范围，或研究非晶硅膜式光伏电池，降低成本；热物理科学工作 一5 一 中国科学技术大学博十学位沦义1 5 本文的珂f 究思路和任务 者则是依据热力学第一定律和热力学第二定律，提出聚光光电光热混合利用， 或聚光光电光热分级利用的方法u8 珀。目前用于聚光法可承受高温的光电池有 砷化镓光电池等，但成本太高，难以迅速进入民用忙0 2 。最近陈应天教授2 2 ，2 3 1 研 制出一种四倍聚光的单晶硅光电池发电样机，初步分析可使1k w 峰电的初始投 资成本比平板固定式节省2 0 3 0 ，发电成本降低4 4 4 9 。可见降低太阳能发电 成本受到国家很大的重视。电热混合利用方法可以提高太阳能的利用率，目前主 要提出的电热混合利用方法基本上是把光伏发电板背面收集的低温( 4 0 5 0 ) 热 量用于供暖、热水。但这种低温热量在大型光伏电站是无法利用的。要更大幅度 降低太阳能发电成本，更好地提高太阳能有效能的利用率，需要对太阳能利用中 的