太阳能光伏发电技术综述

太阳能光伏发电技术综述

0太阳能在绿色可持续发展中的应用前景广阔21世纪，能源和环境的缺乏是制约人类社会可持续发展的两个主要问题，特别是在中国。这是因为中国人口总数很大，技术总落后，人均资源总量无法达到世界平均水平。从世界范围看,不断增长的人口需要消费更多资源,常规化石能源(石油、天然气和煤炭等)将在100年左右用尽,且不可再生。因此,依靠科技进步节能减排,开发利用可再生清洁能源成为一个全球性的紧迫课题。在绿色可再生能源中,太阳能首屈一指,因为太阳能来自太阳辐射,有取之不尽、用之不竭、总量巨大、可直接利用和对环境无害等显著优点。当然,太阳能也存在分散、不稳定、利用效率低和成本高等严重缺点。尽管如此,世界上大多数国家认识到,一个可持续发展的社会必须立足于尽可能多地用清洁能源取代矿物能源,尽量减少污染物排放,保护环境。太阳能光热利用技术是目前最成熟、普及率最高的太阳能技术,如常见的太阳能生产热水,太阳能采暖、制冷以及太阳能热泵等。因此,从长远来看,太阳能光热利用技术和装备的研发必然会越来越受到重视。本文从太阳能光热利用的基本原理和系统组成的角度予以分析,以期对本领域的工作者有所启迪。1太阳能热泵供热简介太阳能光热转换是指特定装备内的工作物质通过反射、吸收或其它方式把太阳辐射能集中起来,转换为热能,获得足够高的温度,以满足不同的需要。常见的太阳能光热转换设备有太阳能热水器、太阳灶、太阳能海水淡化器等,其中以太阳能热水器最为典型,以下简要论述之。太阳能热水器是将太阳光能转化为热能,把水从较低温度加热到较高温度的一种光热转换装置,是我国光热利用最成功的领域。太阳能热水器按集热器结构不同,分为真空管式和平板式。目前,市面上以真空管式太阳能热水器为主,约占国内市场份额的90%。太阳能热水器由集热器、控制器、保温水箱、连接管路及支架等附件组成。集热器把太阳能转换成热量,传递给水,水温升高,热水储存到保温水箱里,达到生产热水的目的。在太阳能光热转换设备中,当前应用最广、技术最成熟、经济指标最好的就是太阳能热水器。我国虽已成为世界上最大的光热产品市场和太阳能集热器制造中心,但太阳能热水器普及率还不高,发展潜力巨大。1.1太阳能热泵保温系统真空管式太阳能热水器的基本原理是,阳光穿过吸热管的外层玻璃照到内层玻璃的深色吸热涂层上,将太阳光能吸收并转化成热量,由于两层玻璃之间是真空绝热的,热量不能向外散失,只能传给玻璃管里的水,使之加热,水温升高,密度变小,沿着玻璃管受热面向上流动进入保温水箱,箱内温度较低的水沿着玻璃管背光面进入玻璃管补充,如此不断循环,使保温水箱内的水温不断升高,产生热水。当前,国内市场上最常见的是全玻璃太阳能真空集热管。其结构分为外管、内管,在内管外壁镀有太阳光选择性吸收涂层,这种涂层的制备是真空集热管技术的关键,是获得较高光热转换效率的基础,如清华阳光采用磁控溅射沉积的铝-氮-氧薄膜,其阳光吸收系数高达0.93。选择性吸热膜的沉积可采用常规电镀、磁控溅射、真空蒸发、等离子喷涂以及溶胶-凝胶等镀膜工艺。全玻璃太阳能集热真空管一般用高硼硅3.3特硬玻璃制造。太阳能热水器保温水箱由内胆、保温层、外壳3部分组成。水箱内胆是储存热水的容器,所用材料强度和耐腐蚀性十分重要,市场上有不锈钢、搪瓷等材质。保温层保温材料的质量直接决定保温效果,在寒冷季节尤为突出,较好的保温措施是聚氨脂整体发泡工艺保温。外壳一般为彩钢板、镀锌钢板或不锈钢板。通过集热管采集的热水经过保温水箱储存,防止热量散失。太阳能热水器的容量是指热水器中可以使用的水容量,不包括真空管中不能使用的容量。对承压式太阳能热水器,其容量是指可发生热交换的介质容量。保温水箱要求保温效果好、耐腐蚀、抗冲击、水质清洁。支撑集热器与保温水箱的支架,要求结构牢固、稳定性好、抗风雪、耐老化和不易生锈,材质一般为不锈钢、铝合金或钢材喷塑。太阳能热水器里的冷水先进入蓄热水箱,然后通过集热器将热量输送到保温水箱。蓄热水箱与室内冷、热水管路相连,形成一个闭合的循环回路。设计合理、安装正确的太阳能管路对系统达到最佳工作状态至为关键。在北方寒冷地区,太阳能管路应做保温处理,一般在管道外壁铺设伴热带,以确保用户在寒冷冬季用上太阳能热水。一般家用太阳能热水器需要自动或半自动运行,控制系统是必不可少的。控制器的常用功能是自动上水、水满断水并显示水温和水位,带电辅助加热的太阳能热水器还有漏电保护、防干烧等功能。近年来,市场上有手机短信控制的智能太阳能热水器出售,其价格较高,具有水位水温查询、故障报警、启动上水、关闭上水、启动辅助电加热等功能,特别方便用户使用。图1是真空管式太阳能集热器的原理图和实物图。真空管式太阳能热水器的优点是安全、节能、环保、经济实惠。带辅助电加热的太阳能热水器,以太阳能光热转换为主、电加热为辅,使太阳能热水器全年全天候运行,环境温度低时,效率仍然比较高。其缺点是体积较庞大、玻璃管易碎、管中容易结水垢、结冰,不能承高压运行。1.2平板型太阳能热泵平板型太阳能热水器由平板集热器、铜连接器、水箱、副水箱、支架循环管道、控制系统、辅助电加热装备等组成。平板集热器是平板型太阳能热水器的核心部件,它由集热板热管、透明盖板、隔热层和壳体4部分组成。集热板热管是由焊接在金属管(如铜管等)上的带深色涂层的吸热板构成,吸收太阳光能,把金属管里的传热介质加热,传热介质再把热量传递给水。因此,平板型太阳能热水器比真空管热水器的热效率低一些。有些平板型太阳能热水器系统采用分体双回路,需要加循环泵,但平板型太阳能热水器产生的热水水质比真空管热水器好,使用寿命更长。平板型太阳能热水器的优点为体积小、质量轻、寿命长、故障少、安全性高、能承高压运行、吸热体面积大、易于和建筑物结合、耐无水空晒性强、热性能稳定等。其主要缺点是:由于集热器内部为非真空,保温性能差,故环境温度较低时集热性能较差,采用辅助电加热时相对耗电多;环境温度低或要求出水温度高时热效率较低,如冻坏需更换整个集热板。研究表明,在冬季不结冰的南方地区选用平板型太阳能热水器,比玻璃真空管式热水器有更好的热性能和经济性。近年来,用泵驱动防冻液在平板集热器及储热水箱的换热器间循环换热技术,解决了平板太阳能热水器中水的结冰、结垢及集热器冻坏问题,使平板太阳能热水器在我国北方寒冷地区也得到了大面积推广使用。图2为基于平板集热器的太阳能热水系统运行原理图。平板型太阳能热水器比真空管热水器的成本高,目前在我国还不是主流产品,但近几年市场需求呈现上升趋势,尤其在高层住宅的阳台式、壁挂式太阳能热水器方面有独特优势。从承压性能、双循环、热利用效率以及与建筑物结合的角度,平板型太阳能热水器均比真空管热水器优越。2太阳能光伏发电系统太阳能光热发电是利用聚光器(一般是大规模抛物镜面或碟形镜面阵列)把太阳光会聚,照射到接收器上,产生几百摄氏度甚至上千摄氏度的局部高温,加热工作介质(如导热油或熔盐),再把热量传给水,生成高温高压的蒸汽,推动汽轮机组运转,带动发电机组发电,并入电网。这种发电技术不需要任何昂贵的光电转换材料和复杂工艺,极大地降低了太阳能发电成本。这种发电形式的一个独特优势是,太阳能所加热的水储存于巨大的蓄热容器之中,在太阳落山后几个小时内仍可带动汽轮机组发电。蓄热容器和保温材料是保证光热发电系统稳定输出电力的关键。太阳能光热发电系统由聚光集热器、传热系统、蓄热系统、汽轮机组、发电机组及管道组成。在太阳能光热发电中,聚光集热器是核心部件,它通常有抛物面槽式、旋转抛物面式和定日镜式3种。对应的太阳能光热发电系统有塔式、槽式、蝶式和菲涅尔式,这4种发电系统各有优缺点。图3为在工程实践中安装较多的塔式和槽式太阳能光热发电系统简图。当前,塔式和槽式太阳能光热发电系统实现了商业化运营,蝶式系统尚处于示范阶段。3种系统可以单独利用太阳能运行,又可建造成燃料混合(如与天然气等)互补系统以及与火力发电厂联合运行,电力输出稳定,可调度性佳,污染物排放极低,这是它们突出的优点。在这几种形式的太阳能光热发电系统中,槽式热发电系统最成熟,具有较高的性价比,塔式热发电系统的成熟度目前不如抛物面槽式热发电系统,而配以斯特林发电机的抛物面盘式热发电系统虽然有比较优良的技术性能指标,但目前主要用于边远地区的小型独立供电(分布式供电),大规模应用的成熟度则稍逊一筹。应该指出,槽式、塔式和盘式太阳能光热发电技术同样受到世界各国重视,并正在积极开展研发工作。由中国科学院、皇明和华电集团联合投资建设的塔式太阳能光热电站于2010年8月在北京延庆竣工,这是我国首个具有自主知识产权的光热电站,发电容量为1MW,属于示范项目。电站建成后,年发电量为270万kWh,相当于1100余吨标准煤的发电量,可减排CO22300余吨、SO221t、氮氧化合物35t。该光热电站设备简洁、安装方便,运行可靠,设计寿命20年。由于太阳能反射镜是固定在地面上的,能有效抵御风雨的侵蚀破坏,也大大减少了反射镜支架的开销。该电站突破了以往一套控制装备只能控制一面反射镜的限制,采用菲涅尔凸透镜技术可以对数百面反射镜进行同时跟踪,将数百或数千平方米的太阳光聚焦到光能转换部件上(聚光度约50倍,可以产生三四千摄氏度的高温),改变了以往整个工程造价大部分为跟踪控制系统成本的困局,使其在总造价中只占很小的一部分。作为集热核心部件的镜面反射材料以及太阳能中高温直通管实现了国产化,在运输、安装上节省了大笔费用,降低了成本。这两项突破克服了制约太阳能光热发电在中高温领域内大规模应用的技术障碍,为实现太阳能中高温设备制造标准化、产业化和规模化开辟了广阔的道路。预计到2020年,我国太阳能光热发电装机容量将达到2000MW,步入光热发电强国行列。2013年,全球最大的槽式电站,美国首个熔盐储热的光热电站,装机280MW的Solana光热电站正式运营,超越了此前阿联酋投运的100MW的Shams1光热电站。Solana电站配备两个各140MW的汽轮发电机组,刷新了槽式电站装机容量的新记录。Solana是全球第二大太阳能光热电站,在太阳落山后的6h内仍可继续发电。Solana光热电站年发电量为9.44亿kWh,可满足7万个家庭的日常用电需求,电站总投资高达20亿美元。亚利桑那州的APS电力公司为该项目的PPA签约方,签约电价为14美分/(kWh),承购期30年,30年内的总售电收入预计可达40亿美元。3太阳能热泵发电一体化太阳能热水器已进入我国城乡的千家万户,市场也不断扩张、壮大,但在平板型太阳能热水器系统设计、热利用效率、使用寿命和可靠性等方面与发达国家尚有不小差距。在安装施工等方面,有待于完善可操作的统一标准。不规范、不专业的安装可能带来一些安全隐患,对建筑外貌和城市景观也有一定影响。在我国房地产业快速发展的今天,太阳能热水器没有成为建筑物的一个构件,很有必要尽快实施太阳能热水器与建筑物一体化方案,着重解决太阳能集热器与建筑的匹配以及太阳能热水系统和建筑物整体的融合问题。现在,太阳能建筑一体化示范点方兴未艾,它把太阳房设计、建造、太阳能热水器和太阳能光伏发电系统的安装与施工统筹进行,力争做成不消耗任何常规能源的宜居房屋。太阳能光热发电涉及光、机、电、建筑等行业。目前,我国存在核心技术不成熟、部分关键设备靠进口和发电成本高等问题。光热电站适合建在人口密度小、日照丰富的地区,其产业链长,建设投资巨大,回收周期长,收益可观,需要政府和业界大规模协作、合作。在我国,近10年内,应把全面掌握塔式、槽式太阳能光热发电系统的核心技术、关键设备以及在中西部人口稀少地区建造示范电站作为优先发展方向