太阳能发电技术的应用与发展.pdf

《太阳能发电技术的应用与发展.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能发电技术的应用与发展.pdf（5页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、太阳能发电技术的应用与发展 Benjamin Kroposki , Robert Margolis , Dan Ton 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

2、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 太阳能在现代能源系统中所占比重虽然很 小,但其能量规模非常巨大。地球1 h内从太阳 获得的能量要比全球人口1年所消耗的能量还 多。此外,太阳能光伏发电产业也在迅速发展,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 产能力已从155 MW上升到了3 733 MW。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

3、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。 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

4、能发电,但两者对太阳辐射热能的利用迥然 不同。而地球表面对太阳辐射的接受方式又分为 直接太阳辐射和散射太阳辐射。 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

5、“太阳能之沙特阿拉伯” 之称。 2. 2 太阳能光发电技术 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

6、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 %。 633 国外电力 上海电力2009年第4期 (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 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170200m ,而薄膜型太阳 电池的半导体层厚度为23m。 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

7、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 第二代太阳电池的另一种类型是高效多结电 池,其主要采用 元素周期表 中第三价和第五价 元素的化合物。这种多结电池的结构为: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

8、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(quantum dot) ,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110m。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

9、平衡 光伏发电的系统平衡(balance of systems)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 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 线聚焦太阳能热发电,通常采用

10、大量太阳光 反射镜,将太阳光聚焦在一条线上,在这条焦线上 安装有管状集热器,以吸收聚焦后的太阳辐射能。 在集热器里被加热的循环流动传热工质,气化后 产生过热蒸汽,从而推动涡轮发电机组发电。这 种发电方式是采用线聚焦技术,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

11、输 送到涡轮机用以发电。槽式太阳能热发电的聚光 比为10100 ,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

12、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 733 2009年第4期上海电力 国外电力 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

13、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。定日镜系统对 太阳进行实时跟踪,将太阳光通过大量的、 大型 的、 平面型的定日镜,反射到位于太阳能高塔顶部 的聚光集热器。 吸热与热能传递系统则将集热器里的高热流 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

14、温熔盐储罐被送到塔顶 的熔盐集热器,在平均热流密度为430 kW/ 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

15、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 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

16、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。 碟式太阳能热发电的特点是聚焦比高达500 1 000 ,焦点处的温度超过1 000,发电效率高 达30 % ,明显高于槽式和塔式。缺点是碟式太阳 能热发电系统的单元容量较小,通常为325 kW ,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。

17、 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15 m/ 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

18、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 833 国外电力 上海电力2009年第4期 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

19、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技术中 的一种。该系统中一罐装有高温液体,而另一罐 则装有低温液体。 双罐系统又分为直接双罐系统和间接双罐系 统。直接双罐系统中集热器和储罐里的传热流体 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

20、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 - change materials , 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

21、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。 3 太阳能技术的发展前景 3. 1 能源市场份额的增长 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

22、了陈述,主要涉及技术、 规章制度以及商业 运营方面。 该报告提出了一个值得人们关注的问题,即 可再生系统并网是目前推广应用的关键问题,其 发展势头要比专家们预料得快。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510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10 MW ,到2006年,增长 到180 MW。这样的快速增长,也使美国

23、光伏并 网的累计基本装机容量,到2006年底达到了480 MW。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. 1 GW ,由此,累计基本 装机容量到2015年将会高达24 GW ,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

24、。 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 933 2009年第4期上海电力 国外电力 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。 图3 太阳能并网系统的应用前景 就集中式太阳能发电而言,若在美国西南部 建立4 GW的集中式太阳能电站,那么到2015年 集中式太阳能发电将以10美分/ (kW h) 或者 更低的价格供电。这种低成本可以通过生产规模 的调整及改进工艺来实现。 此外,从2009年开始的长达8年的太阳能发 电

25、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2 8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500 MW。为了实现这个目标, 在建的12个50 MW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(Smart Grid)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

26、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 图2 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 能并网系统需要改变现在的电网输电方式,积极 地参与到与智能电网结合的进程中来。 未来太阳能发电与电力系统、 能源储存的结 合,被称为 “太阳能并网系统” 。该系统将使太阳能 发电技术在未来的电力市场中扮演积极、 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:“An Overview of Solar T echnologies”, IEEE power & energy magazine.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) 043 国外电力 上海电力2009年第4期