太阳能发电技术现状及远景

1、太阳能发现技术现状及远景研究 太阳能发电技术 1 .太阳能简介 太阳能能源是来自地球外部天体的能源主要是太阳能，人类所需能量的绝大局 部都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物 体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。 太阳能是一种干净的可再生的新能源，在人们生活、工作中有广泛的作用，其中 之一就是将太阳能转换为电能， 太阳电池就是利用太阳能工作的。 而太阳能热电站的工作原理那么是利用会聚的太阳光，把水烧至沸腾

2、变为水蒸气，然后用来发电。 2 .太阳能发电的应用背景 1）现有的能源 随着经济的开展、社会的进步，人们对能源提出来的要求也越来越高，寻找新能源 成为当前人类面临的迫切课题。现有的店里能源的主要来源有3种，即火电、水电和核 电。 火电的缺点 火电需要燃烧煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料蕴藏量有限、越烧越少，正面临着枯竭的危险。据估计，全世界石油资源再有30年便将枯竭。另一方面燃烧燃料将 排出二氧化碳和硫的氧化物，因此会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。 2）水电的缺点 水电要淹没大量土地，有可能导致生态环境破坏，而且大型水库一旦塌崩，后果将不堪设想。另外，一个国家的水力资源也是有限的，而且还

3、要受季节的影响。 核电的缺点 核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样是可怕的。前苏联切尔诺贝利核电站事故，已使900万人受到了不同程度的损害，而且这一影响并未终止;今年3月11日发生的东日本大地震引发的福岛核电站的辐射危情也依然未能完全解除。 2）新能源 新能源又称非常规能源。是指传统能源之外的各种能源形式。指刚开场开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。 新能源要同时符合两个条件：一是蕴藏丰富不会枯竭；二是平安、干净，不会威胁人类和破坏环境。目前找到的新能源主要有两种，一是太阳能，二是燃料电池。另外，风力发电也可算是辅助

4、性的新能源。其中，最理想的新能源是太阳能。 太阳能发电的现状 1,现阶段利用太阳能发电的现状 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。 1）国内的太阳能发电现状 国内太阳能热发电的现状 2005年1月，我国首座70kW太阳能热发电示范系统在扛苏江宁建成并成功发电，揭开了热发电技术研究崭新的一页。该示范电站系统由一个塔柱和32面定日镜组成, 利用众多的定日镜，将太阳热辐射反射到高塔顶部的接收器，加热工作介质产生过热蒸汽或高温高压空气，驱动蒸汽轮机或燃气轮机发电机组发电

5、，变太阳能为电能。 70kW示范站的成功是进一步大规模推广太阳能热发电的探路石，下一个目标是建立兆瓦以上的太阳能热电站。眼下丁F准备正式启动槽式太阳能热发电工程，为早日建 成商业化的兆瓦级太阳能电站作好准备。如果太阳能热发电实现3万千瓦以上的发电能 力。就标志着有望实用化、商业化，那时的发电本钱可能会降至6角钱一度。大大接近 现在煤炭发电的电价水平，届时，太阳能热发电就能得到大规模的应用。 目前国内热发电技术研究成果有：中科院电工所的定日镜、碟式聚光器、槽式聚光 器等；中国科技大学的新型定日镜以及槽式聚光器、接收器等；河海大学的系统整体控制；XX航空航天大学的小型碟式系统和XX工业大学的热管技

6、术以及XX春辉公司的各类聚光集热部件、系统整体技术以及相关工程建立等。 Q）国内太阳能光伏发电的现状 我国太阳电池的研究始于1958年，1959年研制成功第一组有实用价值的太阳电池。1979年开场生产单晶硅太阳电池_4A但是光伏发电的真正应用起步于20世纪80年代, 当时主要是为了解决实际的应用问题，比方在卫星和海港浮标灯上的应用，并没有作为重点能源开发。 20世纪80年代中后期，引进国外太阳电池生产线和关键没备，初步形成生产能力到达4.5MW太阳能光伏产业，并逐步进人到工业、农业、商业和通讯公用设施等领域，有了数家完整的电池和组件生产企业。20世纪90年代末，光伏产业出现了较快开展， 太阳电

7、池组件的生产能力和实际产量有了较快增加，性能也不断提高。 近几年，随着科研能力的提升和政府对光伏发电的深入认识，在国际光伏市场巨大 潜力的推动下，我国光伏产业正以每年30%的速度增长，2005年底国内光伏电池生产 能力已达200MW以上，实验室光伏电池的效率已达21%,可商业化光伏组件效率达 1415%。一般商业化电池效率1013%。太阳能光伏电池生产本钱随之逐年大幅下 降，这对国内太阳能市场走向壮大与成熟起到了决定作用。 到2005年，国内光伏发电的总装机到达了7万千瓦。 2）国外的太阳能发电现状 目前全世界有136个国家正在普及推广应用太阳能发电技术，其中95个国家正在 大规模研究开发和生

8、产各种太阳能发电设备和太阳电池应用产品。2005年全世界太阳 电池总产量已经到达2000MW。其中日本开展较快，10年内太阳电池的每W本钱下降90%2001年时日本太阳能发电设备累计总装机容量为450MW,2003年为887MW, 2004年为1900MW,2021年为2350MW,2021年为5000MW,而2021年全世界的太阳能发电设备累计总装机容量到达18000MW。 世界各主要国家都在努力提高太阳能发电设备的生产规模和应用规模， 因为太阳电池从生产量10MW开场，没增加一倍，本钱将降低20%应用上建立MW级的大型太 阳能发电站，不但可以降低本钱，还可以缓解荒漠和海岛地区的供电和环境问

9、题，为荒漠地区打井抽水和海岛淡化海水提供动力，改善生态环境。现在世界上MW级太阳能发 电站已超过10座，其中最大的一个容量到达6.45MWo 日本 日本从1994年开场开展并网型户用太阳能发电设备， 到2004年已安装58000套， 到2021年要到达147600套。 日本为了开展并网型户用太阳能发电设备35kW，把它作为一种新的家用电器 来对待，突破关键技术，降低本钱。这其中包括把太阳电池的转化效率提高到15%A上， 开展新型的高频变压器绝缘方式或正激变亚器绝缘方式逆变器。据资料介绍，2005年 日本太阳电池价格为140日元/W,并网型户用太阳能发电设备价格为370日元/W,发电 本钱为30

10、日元/kW.h,2021年分别下降为120日元/W,300日元/W和25日元/kW.h。到2021年将分别下降为60日元/W,200日元/W和15日元/kW.h。到那时完全可以和火力发电价格相竞争。 美国 在美国，一些地方政府借鉴德国的补贴政策，强制电力公司在未来20年内，保证 用双倍价格收购家庭电厂的太阳能电力。2021年，美国总统还签署了价值数百亿美元的绿色能源投资补贴制度延长法案，其中，把住宅建成太阳能电厂，可获得30%勺财 政补贴，该政策继续延长生效8年。 在强有力的政策推动下，国外一些地方政府、企业陆续启动了庞大的太阳能发电投资方案。例如，洛杉矶市政府投资15亿美元，方案在未来5年内

11、把全市居民屋顶、市 政不动产屋顶等改造成太阳能电厂。太平洋天然气和电力公司正在兴建的一个太阳能电 厂可满足15万个家庭的用电需求。加州亮源能源公司正在兴建的一个太阳能电厂那么足供84万个家庭使用。 德国 德国是世界上利用太阳能发电最多的国家，德国对太阳能的利用可追溯到20世纪 70年代，如今，德国已经在太阳能热电系统的研发、生产等方面积累了大量经历，创造了一系列高效的太阳能热电系统，成为世界上利用太阳能发电最多的国家。目前全德国 太阳能发电量相当于一个大城市的使用量。据德国RWI经济研究所统计，2021年德国 太阳能发电新增装机容量大1625兆瓦。截至2005年底，德国共有670万平方米的屋顶

12、 铺设了太阳能集热器，每年可生产4700兆瓦的热量。已有4%勺德国家庭利用了清洁环 保、用之不竭的太阳能，估计每年可节约2.7亿升取暖用油。 在德国，随着对太阳能系统工程的进一步开发，特别是与普通供热技术的不断融合， 使得太阳能系统成为德国供热系统中一个不可或缺的组成局部。目前，德国拥有的选择性吸收涂层和智能控制技术使其太阳能利用处在欧洲I领先地位。 2.太阳能发电的主流技术 1）太阳能热发电 太阳能热发电，也叫聚焦型太阳能热发电，是将太阳辐射从面积上浓缩产生高温，从而再利用传统方式产生电能，因此该技术用于与热发电机相连来构成发电系统。 太阳能热发电系统主要有集热系统、热传输系统、蓄热贮能系统

13、、热机、发电机等组成。集热系统聚集太阳能之后，经过热传输系统将聚集的太阳能传给热机，由热机产生动力，带动发电机发电。本系统按太阳能采集方式即集热器的类型不同，可分为槽式系统、塔式系统、烟囱式系统、太阳池和碟式系统。 槽式系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，并将管内的传热工质加热产生蒸汽，推动常规汽轮机发电；塔式系统是利用众多的定日镜，将太阳热辐射反射到置于高塔顶部的高温集热器（太阳锅炉）上，加热工质产生过热蒸汽，或直接 加热集热器中的水产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电；碟式系统利用曲面聚光反射镜，将入射阳光聚集在焦点处，在焦点处直接放置斯特林发动机发电。这三种方式的性能

14、及优缺点如下表： 槽式 塔式 碟式 开展状况 中、高温过程热，联网发电运运 行最高的单元容量为80MW， 总的装机容量为354MWo 高温过程热，联网运行 最高的单元容量为10MW,另一个10MW的电站正在建立。 独立的小型发电系统构 成大型的联网电站最 高的单元容量为25k W,目前设计的单元容 量为10kWh 优点 1 .具有商业运行的经历1.2X10 kWh,潜在的运行温度可达50 0 C（商业化运行的温度已到达4 00 C）o 2 .商业化的年净效率14% 3 .最低的材料要求。 4 .可以模块化或联合运行 1.从中期来看具有高的转化效率和潜在的运行温度超过1000 C5 65 C在1

15、0MW的电站中实现。 2 .可高温蓄热。 3 .可联合运行。 1 .非常高的转化效率， 峰值效率30% 2 .可模块化或联合运行。 3 .处于实验示范阶段。 可以采用蓄热降低本钱。 缺点 导热油传热工质的使用限制了运行温度只能到达400 C,只能停留在中温阶段。 处于实验示范阶段，商业化的投资和运行本钱需要证实。 商业化的可行性需要证实。大规模生产的预计本钱目标需要证实 规模 30-320兆瓦 10-20兆瓦 5-25兆瓦 运行温度C 390/734 565/1049 750/1382 年容量因子 23%-50% 20%-77% 25% 峰值效率 20% 23% 24% 年净效率 11%-16

16、% 7%-20% 12%-25% 可否储能 有限制 可以 蓄电池 互补系统设计 可以 可以 可以 美元/平方米 630275 475200 3.100320 美元/瓦 4.02.7 4.42.5 12.61.3 美元/峰瓦 4.01.3 2.40.9 12.61.1 在这三种系统中，目前只有槽式发电系统实现了商业化。从1981年至1991年的10年间，相继在美国加州的Mojave沙漠相继建成了9座槽式太阳能热发电站，总装机 容量353.8MW最小的一座装机14MW,最大的一座装机80MW ， 总投资额10亿美元， 年发电总量为8亿KWh。太阳能热发电技术同其它太阳能技术一样，在不断完善和 开展

17、，但其商业化程度还未到达热水器和光伏发电的水平。太阳能热发电正处在商业化前夕，专家预计2021年前，太阳能热发电将在兴旺国家实现商业化，并逐步向开展中国家扩展。 2）太阳能光伏发电 太阳能发电系统主要包括：太阳电池组件（阵列）、控制器、蓄电池、逆变器、用户 即照明负载等组成。其中，太阳电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。 1）太阳能电源系统 太阳电池与蓄电池组成系统的电源单元，因此蓄电池性能直接影响着系统工作特性。 电池单元： 由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限的，实用中的太阳电池是单一 电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件（阵列）。单一

18、电池是一只硅晶体二极管， 根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，在导 带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同于P-N结势垒区存在着较强的内建静电 场，因而能在光照下形成电流密度J,短路电流Isc,开路电压Uoco假设在内建电场的 两侧面引出电极并接上负载，理论上讲由P-N结、连接电路和负载形成的回路，就有 光生电流流过，太阳电池组件就实现了对负载的功率P输出。 理论研究说明，太阳电池组件的峰值功率Pk,由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷（需电量）决定。 电能储存单元： 太阳

19、电池产生的直流电先进入蓄电池储存，蓄电池的特性影响着系统的工作效率和 特性。蓄电池技术是十分成熟的，但其容量要受到末端需电量，日照时间（发电时间）的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的连续无日照时间决定。 控制器 控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得最 高效率。而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即PWM控制方式，使整个系统始终运 行于最大功率点Pm附近区域。放电控制主要是指当电池缺电、系统故障，如电池开路或接反时切断开关。目前日立公司研制出了既能跟踪调控点Pm,又能跟踪太阳移动参 数的“向日葵式控制器，将固定电池组件的效率提高了50%左右。 DC-AC逆

20、变器 逆变器按鼓励方式，可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能是将蓄电 池的直流 电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照 明负载频率f,额定电压UN等匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。 太阳能光伏发电的优缺点如下表： 优点 1 .构造简单，体积小且轻；易安装，易运输，建立周期短； 2 .使用方便，维护简单，在-50C-65C温度范围均可正常工作；清洁能源，平安，无噪声，零排放； 3 .可靠性高，寿命长；可以与蓄电池相配组成独立电源，也可以并网发电。 缺点 1 .太阳能能量密度低，覆盖面积大； 2 .光伏发电具有间歇性和随机性，各个地区太阳

21、能资源情况不通，所以光伏发电区域性强； 3 .太阳能电池与太阳能逆变器转化效率不是很高，还需要技术上的突破。 三.太阳能发电的应用前景 太阳能发电有更加冲动人心的方案。一是日本提出的创世纪方案。准备利用地面上 沙漠和海洋面积进展发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全 球供电。据测算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为65.11万平方公里、186.79万平方公里、829.19万平方公里。829.19万平方公里才占全部海洋面积2.3癖全部沙漠的51.4%,甚至才是撒口拉沙漠的91.5%。 因此这一方案是有可能实现的。 另一是天上发电方案。早在1980年美国宇航局和能源