1、太陽能發(fā)現(xiàn)技術現(xiàn)狀及遠景研究一 太陽能發(fā)電技術1. 太陽能簡介太陽能能源是來自地球外部天體的能源（主要是太陽能），人類所需能量的絕大部分都直接或間接地來自太陽。正是各種植物通過光合作用把太陽能轉變成化學能在植物體內貯存下來。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動植物經過漫長的地質年代形成的。它們實質上是由古代生物固定下來的太陽能。此外，水能、風能、波浪能、海流能等也都是由太陽能轉換來的。太陽能是一種干凈的可再生的新能源，在人們生活、工作中有廣泛的作用， 其中之一就是將太陽能轉換為電能，太陽電池就是利用太陽能工作的。而太陽能熱電站的工作原理則是利用匯聚的太陽光，把水燒至沸騰變?yōu)樗魵?/p>

2、，然后用來發(fā)電。2. 太陽能發(fā)電的應用背景1) 現(xiàn)有的能源隨著經濟的發(fā)展、社會的進步，人們對能源提出來的要求也越來越高，尋找新能源成為當前人類面臨的迫切課題。現(xiàn)有的店里能源的主要來源有3種，即火電、水電和核電?；痣姷娜秉c火電需要燃燒煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料蘊藏量有限、越燒越少，正面臨著枯竭的危險。據估計，全世界石油資源再有30年便將枯竭。另一方面燃燒燃料將排出二氧化碳和硫的氧化物，因此會導致溫室效應和酸雨，惡化地球環(huán)境。水電的缺點水電要淹沒大量土地，有可能導致生態(tài)環(huán)境破壞，而且大型水庫一旦塌崩，后果將不堪設想。另外，一個國家的水力資源也是有限的，而且還要受季節(jié)的影響。核電的缺點核電在

3、正常情況下固然是干凈的，但萬一發(fā)生核泄漏，后果同樣是可怕的。前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故，已使900萬人受到了不同程度的損害，而且這一影響并未終止；今年3月11日發(fā)生的東日本大地震引發(fā)的福島核電站的輻射危情也依然未能完全解除。2) 新能源新能源又稱非常規(guī)能源。是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式。指剛開始開發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽能、地熱能、風能、海洋能、生物質能和核聚變能等。新能源要同時符合兩個條件：一是蘊藏豐富不會枯竭；二是安全、干凈，不會威脅人類和破壞環(huán)境。目前找到的新能源主要有兩種，一是太陽能，二是燃料電池。另外，風力發(fā)電也可算是輔助性的新能源。其中，最理想的新能源是太陽能

4、。二 太陽能發(fā)電的現(xiàn)狀1. 現(xiàn)階段利用太陽能發(fā)電的現(xiàn)狀目前太陽能發(fā)電有兩種方法：一種是將太陽能轉換為熱能，然后按常規(guī)方式發(fā)電，稱為太陽能熱發(fā)電；另一種是通過光電器件利用光生伏打原理將太陽能直接轉換為電能，稱為太陽能光伏發(fā)電。1) 國內的太陽能發(fā)電現(xiàn)狀國內太陽能熱發(fā)電的現(xiàn)狀2005年1月，我國首座70kW太陽能熱發(fā)電示范系統(tǒng)在扛蘇江寧建成并成功發(fā)電，揭開了熱發(fā)電技術研究嶄新的一頁。該示范電站系統(tǒng)由一個塔柱和32面“定日鏡”組成，利用眾多的定日鏡，將太陽熱輻射反射到高塔頂部的接收器，加熱工作介質產生過熱蒸汽或高溫高壓空氣，驅動蒸汽輪機或燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)電，變太陽能為電能。70kW示范站的成功是進

5、一步大規(guī)模推廣太陽能熱發(fā)電的探路石，下一個目標是建設兆瓦以上的太陽能熱電站。眼下丁F準備正式啟動槽式太陽能熱發(fā)電項目，為早日建成商業(yè)化的兆瓦級太陽能電站作好準備。如果太陽能熱發(fā)電實現(xiàn)3萬千瓦以上的發(fā)電能力。就標志著有望實用化、商業(yè)化，那時的發(fā)電成本可能會降至6角錢一度。大大接近現(xiàn)在煤炭發(fā)電的電價水平，屆時，太陽能熱發(fā)電就能得到大規(guī)模的應用。目前國內熱發(fā)電技術研究成果有: 中科院電工所的定日鏡、碟式聚光器、槽式聚光器等; 中國科技大學的新型定日鏡以及槽式聚光器、接收器等; 河海大學的系統(tǒng)整體控制; 南京航空航天大學的小型碟式系統(tǒng)和南京工業(yè)大學的熱管技術以及南京春輝公司的各類聚光集熱部件、系統(tǒng)整體

6、技術以及相關工程建設等。國內太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀我國太陽電池的研究始于1958年，1959年研制成功第一組有實用價值的太陽電池。1979年開始生產單晶硅太陽電池_4J。但是光伏發(fā)電的真正應用起步于20世紀80年代，當時主要是為了解決實際的應用問題，比如在衛(wèi)星和海港浮標燈上的應用，并沒有作為重點能源開發(fā)。20世紀80年代中后期，引進國外太陽電池生產線和關鍵沒備，初步形成生產能力達到4.5 MW太陽能光伏產業(yè)，并逐步進人到工業(yè)、農業(yè)、商業(yè)和通訊公用設施等領域，有了數(shù)家完整的電池和組件生產企業(yè)。20世紀90年代末，光伏產業(yè)出現(xiàn)了較快發(fā)展，太陽電池組件的生產能力和實際產量有了較快增加，性能也不斷提高。

7、近幾年，隨著科研能力的提升和政府對光伏發(fā)電的深入認識，在國際光伏市場巨大潛力的推動下，我國光伏產業(yè)正以每年30的速度增長，2005年底國內光伏電池生產能力已達200MW以上，實驗室光伏電池的效率已達21，可商業(yè)化光伏組件效率達1415。一般商業(yè)化電池效率1013。太陽能光伏電池生產成本隨之逐年大幅下降，這對國內太陽能市場走向壯大與成熟起到了決定作用。到2005年，國內光伏發(fā)電的總裝機達到了7萬千瓦。2) 國外的太陽能發(fā)電現(xiàn)狀目前全世界有136個國家正在普及推廣應用太陽能發(fā)電技術，其中95個國家正在大規(guī)模研究開發(fā)和生產各種太陽能發(fā)電設備和太陽電池應用產品。2005年全世界太陽電池總產量已經達到2

8、000MW。其中日本發(fā)展較快，10年內太陽電池的每W成本下降90%。2001年時日本太陽能發(fā)電設備累計總裝機容量為450MW，2003年為887MW，2004年為1900MW，2008年為2350MW，2010年為5000MW，而2010年全世界的太陽能發(fā)電設備累計總裝機容量達到18000MW。世界各主要國家都在努力提高太陽能發(fā)電設備的生產規(guī)模和應用規(guī)模，因為太陽電池從生產量10MW開始，沒增加一倍，成本將降低20%。應用上建立MW級的大型太陽能發(fā)電站，不但可以降低成本，還可以緩解荒漠和海島地區(qū)的供電和環(huán)境問題，為荒漠地區(qū)打井抽水和海島淡化海水提供動力，改善生態(tài)環(huán)境。現(xiàn)在世界上MW級太陽能發(fā)電

9、站已超過10座，其中最大的一個容量達到6.45MW。日本日本從1994年開始發(fā)展并網型戶用太陽能發(fā)電設備，到2004年已安裝58000套，到2008年要達到147600套。日本為了發(fā)展并網型戶用太陽能發(fā)電設備（35kW），把它作為一種新的家用電器來對待，突破關鍵技術，降低成本。這其中包括把太陽電池的轉化效率提高到15%以上，發(fā)展新型的高頻變壓器絕緣方式或正激變亞器絕緣方式逆變器。據資料介紹，2005年日本太陽電池價格為140日元/W,并網型戶用太陽能發(fā)電設備價格為370日元/W，發(fā)電成本為30日元/kW.h，2010年分別下降為120日元/W，300日元/W和25日元/kW.h。到2020年將

10、分別下降為60日元/W，200日元/W和15日元/kW.h。到那時完全可以和火力發(fā)電價格相競爭。美國在美國，一些地方政府借鑒德國的補貼政策，強制電力公司在未來20年內，保證用雙倍價格收購“家庭電廠”的太陽能電力。2008年，美國總統(tǒng)還簽署了價值數(shù)百億美元的綠色能源投資補貼制度延長法案，其中，把住宅建成太陽能電廠，可獲得30%的財政補貼，該政策繼續(xù)延長生效8年。在強有力的政策推動下，國外一些地方政府、企業(yè)陸續(xù)啟動了龐大的太陽能發(fā)電投資計劃。例如，洛杉磯市政府投資15億美元，計劃在未來5年內把全市居民屋頂、市政不動產屋頂?shù)雀脑斐商柲茈姀S。太平洋天然氣和電力公司正在興建的一個太陽能電廠可滿足15萬

11、個家庭的用電需求。加州亮源能源公司正在興建的一個太陽能電廠則足供84萬個家庭使用。德國德國是世界上利用太陽能發(fā)電最多的國家，德國對太陽能的利用可追溯到20世紀70年代，如今，德國已經在太陽能熱電系統(tǒng)的研發(fā)、生產等方面積累了大量經驗，發(fā)明了一系列高效的太陽能熱電系統(tǒng)，成為世界上利用太陽能發(fā)電最多的國家。目前全德國太陽能發(fā)電量相當于一個大城市的使用量。據德國RWI經濟研究所統(tǒng)計，2008年德國太陽能發(fā)電新增裝機容量大1625兆瓦。截至2005年底，德國共有670萬平方米的屋頂鋪設了太陽能集熱器，每年可生產4700兆瓦的熱量。已有4%的德國家庭利用了清潔環(huán)保、用之不竭的太陽能，估計每年可節(jié)約2.7億

12、升取暖用油。在德國，隨著對太陽能系統(tǒng)工程的進一步開發(fā)，特別是與普通供熱技術的不斷融合，使得太陽能系統(tǒng)成為德國供熱系統(tǒng)中一個不可或缺的組成部分。目前，德國擁有的選擇性吸收涂層和智能控制技術使其太陽能利用處在歐洲領先地位。2. 太陽能發(fā)電的主流技術1) 太陽能熱發(fā)電太陽能熱發(fā)電，也叫聚焦型太陽能熱發(fā)電，是將太陽輻射從面積上濃縮產生高溫，從而再利用傳統(tǒng)方式產生電能，因此該技術用于與熱發(fā)電機相連來構成發(fā)電系統(tǒng)。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要有集熱系統(tǒng)、熱傳輸系統(tǒng)、蓄熱貯能系統(tǒng)、熱機、發(fā)電機等組成。集熱系統(tǒng)聚集太陽能之后，經過熱傳輸系統(tǒng)將聚集的太陽能傳給熱機，由熱機產生動力，帶動發(fā)電機發(fā)電。本系統(tǒng)按太陽能采集方式

13、即集熱器的類型不同，可分為槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)、煙囪式系統(tǒng)、太陽池和碟式系統(tǒng)。槽式系統(tǒng)是利用拋物柱面槽式反射鏡將陽光聚焦到管狀的接收器上，并將管內的傳熱工質加熱產生蒸汽，推動常規(guī)汽輪機發(fā)電；塔式系統(tǒng)是利用眾多的定日鏡，將太陽熱輻射反射到置于高塔頂部的高溫集熱器(太陽鍋爐)上，加熱工質產生過熱蒸汽，或直接加熱集熱器中的水產生過熱蒸汽，驅動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電；碟式系統(tǒng)利用曲面聚光反射鏡，將入射陽光聚集在焦點處，在焦點處直接放置斯特林發(fā)動機發(fā)電。這三種方式的性能及優(yōu)缺點如下表：槽式塔式碟式發(fā)展狀況中、高溫過程熱，聯(lián)網發(fā)電運運行（最高的單元容量為80MW），總的裝機容量為354 MW。高溫過程熱，聯(lián)網運

14、行（最高的單元容量為10MW，另一個10MW的電站正在建設）。獨立的小型發(fā)電系統(tǒng)構成大型的聯(lián)網電站（最高的單元容量為25 kW，目前設計的單元容量為10 kW）。優(yōu)點1.具有商業(yè)運行的經驗（1.210 kWh），潛在的運行溫度可達500C(商業(yè)化運行的溫度已達到400C)。 2.商業(yè)化的年凈效率14 %。 3.最低的材料要求。 4.可以模塊化或聯(lián)合運行 可以采用蓄熱降低成本。1.從中期來看具有高的轉化效率和潛在的運行溫度超過1000 C（56 5C在10MW的電站中實現(xiàn)）。 2.可高溫蓄熱。 3.可聯(lián)合運行。1.非常高的轉化效率，峰值效率30 %。 2.可模塊化或聯(lián)合運行。 3.處于實驗示范階

15、段。缺點導熱油傳熱工質的使用限制了運行溫度只能達到400 C，只能停留在中溫階段。處于實驗示范階段，商業(yè)化的投資和運行成本需要證實。商業(yè)化的可行性需要證實。大規(guī)模生產的預計成本目標需要證實規(guī)模30-320兆瓦10-20兆瓦5-25兆瓦運行溫度（）390/734565/1049750/1382年容量因子23%-50%20%-77%25%峰值效率20%23%24%年凈效率11%-16%7%-20%12%-25%可否儲能有限制可以蓄電池互補系統(tǒng)設計可以可以可以美元/平方米6302754752003.100320美元/瓦4.02.74.42.512.61.3美元/峰瓦4.01.32.40.912.61

16、.1在這三種系統(tǒng)中，目前只有槽式發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)了商業(yè)化。從1981年至1991年的10年間，相繼在美國加州的Mojave沙漠相繼建成了9座槽式太陽能熱發(fā)電站，總裝機容量353.8MW（最小的一座裝機14MW，最大的一座裝機80MW），總投資額10億美元，年發(fā)電總量為8億KWh。太陽能熱發(fā)電技術同其它太陽能技術一樣，在不斷完善和發(fā)展，但其商業(yè)化程度還未達到熱水器和光伏發(fā)電的水平。太陽能熱發(fā)電正處在商業(yè)化前夕，專家預計2020年前，太陽能熱發(fā)電將在發(fā)達國家實現(xiàn)商業(yè)化，并逐步向發(fā)展中國家擴展。2) 太陽能光伏發(fā)電太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要包括：太陽電池組件(陣列)、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負載等組成

17、。其中，太陽電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護系統(tǒng)，負載為系統(tǒng)終端。太陽能電源系統(tǒng)太陽電池與蓄電池組成系統(tǒng)的電源單元，因此蓄電池性能直接影響著系統(tǒng)工作特性。電池單元：由于技術和材料原因，單一電池的發(fā)電量是十分有限的，實用中的太陽電池是單一電池經串、并聯(lián)組成的電池系統(tǒng)，稱為電池組件(陣列)。單一電池是一只硅晶體二極管，根據半導體材料的電子學特性，當太陽光照射到由P型和N型兩種不同導電類型的同質半導體材料構成的P-N結上時，在一定的條件下，太陽能輻射被半導體材料吸收，在導帶和價帶中產生非平衡載流子即電子和空穴。同于P-N結勢壘區(qū)存在著較強的內建靜電場，因而能在光照下形成電流密度J

18、，短路電流Isc，開路電壓Uoc。若在內建電場的兩側面引出電極并接上負載，理論上講由P-N結、連接電路和負載形成的回路，就有光生電流流過，太陽電池組件就實現(xiàn)了對負載的功率P輸出。理論研究表明，太陽電池組件的峰值功率Pk，由當?shù)氐奶柶骄椛鋸姸扰c末端的用電負荷(需電量)決定。電能儲存單元：太陽電池產生的直流電先進入蓄電池儲存，蓄電池的特性影響著系統(tǒng)的工作效率和特性。蓄電池技術是十分成熟的，但其容量要受到末端需電量，日照時間(發(fā)電時間)的影響。因此蓄電池瓦時容量和安時容量由預定的連續(xù)無日照時間決定?？刂破骺刂破鞯闹饕δ苁鞘固柲馨l(fā)電系統(tǒng)始終處于發(fā)電的最大功率點附近，以獲得最高效率。而充電控制通

19、常采用脈沖寬度調制技術即PWM控制方式，使整個系統(tǒng)始終運行于最大功率點Pm附近區(qū)域。放電控制主要是指當電池缺電、系統(tǒng)故障，如電池開路或接反時切斷開關。目前日立公司研制出了既能跟蹤調控點Pm，又能跟蹤太陽移動參數(shù)的向日葵式控制器，將固定電池組件的效率提高了50%左右。DC-AC逆變器逆變器按激勵方式，可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。通過全橋電路，一般采用SPWM處理器經過調制、濾波、升壓等，得到與照明負載頻率f，額定電壓UN等匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。太陽能光伏發(fā)電的優(yōu)缺點如下表：優(yōu)點1.結構簡單，體積小且輕；易安裝，易運輸，建設周期短；2

20、.使用方便，維護簡單，在-50-65 溫度范圍均可正常工作；清潔能源，安全，無噪聲，零排放；3.可靠性高，壽命長；可以與蓄電池相配組成獨立電源，也可以并網發(fā)電。缺點1.太陽能能量密度低，覆蓋面積大；2.光伏發(fā)電具有間歇性和隨機性，各個地區(qū)太陽能資源情況不通，所以光伏發(fā)電區(qū)域性強；3.太陽能電池與太陽能逆變器轉化效率不是很高，還需要技術上的突破。三 太陽能發(fā)電的應用前景太陽能發(fā)電有更加激動人心的計劃。一是日本提出的創(chuàng)世紀計劃。準備利用地面上沙漠和海洋面積進行發(fā)電，并通過超導電纜將全球太陽能發(fā)電站聯(lián)成統(tǒng)一電網以便向全球供電。據測算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太陽能發(fā)電供給全球能源，占地也不過為 65.11萬平方公里、 186.79萬平方公里、829.19萬平方公里。829.19萬平方公里才占全部海洋面積 2.3%或全部沙漠的 51.4%，甚至才是撒哈拉沙漠的 91.5% 。因此這一方案是有可能實現(xiàn)的。另一是天上發(fā)電方案。早在1980年美國宇航局和能源部就提出在空間建設太