摘要:文章针对我国能源、电力供求趋紧状况,根据可再生能源开发利用的意义,详细分析了太阳能特性；对国内外太阳能的开发与利用状况作了概述,并对太阳能产业的发展前景进行了预测分析。
关键词:太阳能；发电；发电厂
为了减少大气污染、保护人类生态环境、保证能源的长期稳定供应,必须实施可持续发展战略,逐步改变现有的能源结构,大力开发利用新能源。在新能源中,技术含量最高、最有发展前途的是太阳能发电。太阳能发电可分为太阳能热发电和太阳能光发电两大类。
1.太阳能发电产业链
太阳能发电技术包括太阳能光伏(PV)电池技术和聚光太阳能(CSP)技术，本文论述的太阳能发电只涉及前者。以硅为基础原料的太阳能发电产业也分为上、中、下游——上游生产多晶硅材料，由原料硅砂(二氧化硅)经纯化过程冶炼出太阳能发电级的多晶硅(polysilicon)，接着将多晶硅材料加工成硅晶片(siliconwafer)；中游包括制造太阳能电池(solarcell)和电池组件(module)，其过程包括硅晶片清洗、蚀刻、镀膜、网印和烧结等，做成太阳能电池片，把太阳能电池片组装成一块太阳能电池板，即为电池组件；下游是系统、零部件行业，将太阳能电池组件与转换器、连接器等零部件组合，制作成发电设备。太阳能电池就是利用半导体的光电效应，直接把光能转化成电能的电池。目前，市场主流是硅结晶(单晶、多晶)型太阳能电池。单晶硅纯度高，转化效率20%以上；多晶硅价格比单晶硅便宜，但转化效率低一些，二者竞争激烈。非结晶硅型太阳能电池的成本预计将大大降低。化合物半导体太阳能电池主要原料采用多种元素，也分单晶和多晶，单晶主要用于人造卫星等特殊用途。
2.太阳能具有的特点
照射在地球上的太阳能非常巨大,大约40min照射在地球上的太阳能,便足以供全球人类一年能量的消费。可以说,太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净,不产生公害。所以太阳能发电被誉为是理想的能源。从太阳能获得电力,需通过太阳电池进行光电变换来实现。它同以往其他电源发电原理完全不同,具有以下特点:①无枯竭危险；②绝对干净(无公害)；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。不足之处是:①照射的能量分布密度小,即要占用巨大面积；②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。但总的说来,瑕不掩瑜,作为新能源,太阳能具有极大优点,因此受到世界各国的重视。要使太阳能发电真正达到实用水平,①要提高太阳能光电变换效率并降低其成本,②要实现太阳能发电同现在的电网联网。
3.太阳能热发电类型及其优点
聚光式系统的集热部分由聚光器、跟踪定位器、吸收器构成,不同的技术常在此部分有所区别；传输部分由管道和介质构成,介质常是空气或水；储热部分用来保证发电的连续性,介质多为熔盐。聚光式系统可分为塔式太阳能热发电系统、槽式太阳能热发电系统以及碟式太阳能热发电系统。
3.1塔式太阳能热发电系统
塔式太阳能热发电系统也称为集中式太阳能热发电系统。它利用定日镜将太阳光聚焦在中心吸热塔的吸热器上,在那里将聚焦的辐射能转变成热能并传递给热力循环的工质,再驱动热机做功发电。塔式太阳能热发电系统通常可达到的聚光比为300～1500,运行温度可达1000～1500℃。该方式的优点是:在所有的太阳能发电技术中用地最少；可以混合发电；可以储能。
3.2槽式太阳能热发电系统
槽式太阳能热发电系统是利用槽式抛物面反射镜聚光的太阳能热发电系统的简称。该聚光镜面从几何上看是将抛物线平移而形成的槽式抛物面,它将太阳光聚在一条线上,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,并常常将众多的槽式抛物面串并联成聚光集热器阵列。槽式抛物面对太阳辐射多进行一维跟踪(设备轴线南北放置,然后东西旋转跟踪),其几何聚光比在10～100之间,温度可达400℃左右。该系统一般由聚光集热装置、蓄热装置、热机发电装置或辅助能源装置(如锅炉)等组成。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆利用导热油作为集热介质,293℃的低温导热油从储油罐中泵入槽式太阳能集热场,被加热到390℃,然后依次通过再热器、过热器、蒸发器、预热器等,将收集到的太阳能交换给动力回路中的蒸汽,产生10.4MPa/370℃的过热蒸汽进入汽轮机中做功。
4.太阳能发电面临的困难和解决措施
上述几种太阳能热发电技术,除碟式发电系统外,都属于大规模发电系统,只有建设几十到几百兆瓦级的发电站,成本才可能降下来。太阳能塔热气流发电和太阳池发电占地面积大,利用效率只有1%左右,因此太阳能塔热气流发电适合于土地广阔、人口稀少的沙漠地区；而太阳池发电适合日照条件好、盐资源比较丰富的地区。总体来看,槽式发电系统技术上最为成熟,且跟踪机构比较简单、易于实现,总体成本最低。太阳能热发电系统要实现的是低投资和高可靠性运行,这就要求未来要进行新型集热材料的研究和开发,快速提高跟踪机构的技术并降低成本。同时发电产业要实现规模化,建立大规模的并网系统,既节约成本又保证系统平稳安全运行。光伏发电产业尚处于起步阶段,主要是由于太阳能发电初期投资大,控制成本高,而太阳能转化效率比较低,且容易受天气等多种因素影响。根据目前光伏发电发展状况和技术难点,未来的光伏发电研究需要重视以下几个方面:
(1)加快太阳能原材料晶体硅生产技术的研究和新型替代材料的开发,降低材料成本并提高其转化效率。
(2)提高系统控制技术,如实现光伏电池阵列的最优化排列组合和太阳光最大功率跟踪等。
(3)研究光伏发电的并网技术,减少光伏电能对电网的冲击。
(4)研究光伏发电与其他可再生能源发电技术的结合应用,保证供电持续性。
5.我国太阳能发电的前景分析
根据“可再生能源中长期发展规划”,到2010年我国太阳能发电设备累计装机容量将达到500MW,其中300～350MW用于解决边远地区无电区的供电。2020年达到2000MW,为我国太阳能发电产业的发展提供了巨大的市场机遇,除了通讯、交通和照明,我国的太阳能发电设备的市场主要有两个:独立型发电设备和并网型太阳能发电设备。
我国发展独立型太阳能发电设备具有独特的优势。现在的无电区都处于太阳能资源丰富的一、二、三类的西部地区和东南部海岛,太阳能辐射总量大,年平均日照时间长,建设太阳能发电站可以少用太阳电池和蓄电池,年发电量高,从而使太阳能发电成本显著下降。如果用柴油发电来解决这些无电地区的供电问题,其发电成本考虑运输费用在内,超过太阳能发电成本。如果从现有输电网架设线路来解决这些无电地区的供电问题,投资费用大。据资料介绍,建设1km的输电线路,相当于5～6kW太阳能电设备的投资费用。无电地区绝大部分都离输电网几十公里,即使建设100kW以上的太阳能发电站的投资费用也低于建设输电线路的费用。因此,在我国建设太阳能发电站具有很强的优势,发展前景广阔。
并网型户用太阳能发电设备将成为我国太阳能发电产业的另一个主要市场。根据2006年1月1日实施的《可再生能源法》,并网型户用太阳能发电设备可以合法地与电网相联,在白天可以把太阳发电设备发出的多余的电供给电网,在晚上可以由电网供电,标志着太阳能发电由边远和海岛地区的特殊供电电源向一般电网电源发展,由补充能源向替代能源发展。不过,目前并网型户用太阳能发电设备的上网电价远远高于电网城乡电价,只有通过试验性并网型户用太阳能发电设备,解决关键技术问题,使发电成本降到接近火力发电成本,并网型户用太阳能发电设备才能实现真正意义上大规模推广。
结论
在近期内,应用的重点仍应是解决农村及边远地区的供电。太阳能发电对于我国电力发展的重要作用也已开始被认识,独立光伏站已开始示范运行。经过10多年的持续努力,我国已建立了太阳能发电的研究、设备制造与应用的良好基础,制定了至2010年的发展规划。积极开拓光电市场,我国太阳能发电的前景将会十分光明。
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论文作者:王金勇
论文发表刊物:《电力设备》2018年第17期
论文发表时间:2018/11/11
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