太陽能發電研究現狀與展望

國外太陽能發電技術發展現狀作為一種理想的可能源能源，太陽能具有“不喝，不喝”的特點。利用太陽能發電具有環保等優點，無需考慮安全問題。只要太陽有一個可以使用的地方。隨著全球能源需求的不斷增長,資源、環境和氣候變暖等問題日益突出,各國政府十分重視太陽能發電的研究,紛紛制定有關法規和相關鼓勵政策,促進了太陽能發電技術發展。經過幾十年的探討和發展,在歐美一些發達國家初步實現了太陽能發電的產業化。但較高的發電成本是制約太陽能進一步發展的主要因素。隨著產業化進程,太陽能發電成本飛速下降,同時遇到一些技術瓶頸。本文通過對光熱發電和光伏發電研究和應用現狀進行研究分析,對制約其發展的關鍵技術進行分析討論,指出太陽能發電將給人類提供更多清潔能源。1電技術的種類目前成熟的太陽能發電技術主要有太陽能光熱發電、太陽能光伏發電技術2種。前者是利用光學系統聚集太陽輻射能,用以加熱工質產生高溫蒸汽,驅動汽輪機發電;后者是通過光電轉換直接把光能轉化成電能。2000~2009年太陽能發電裝機容量變化見圖1。1.1太陽能聚光發電太陽能光熱發電系統主要由聚光系統(聚熱式沒有)、集熱系統、熱傳輸系統、蓄熱貯存系統、汽輪機等組成。集熱器接收聚光器聚集的太陽能,通過管內熱載體將水加熱成蒸汽,推動汽輪機發電。由于地球表面接收太陽能輻射分散(≤1000W/m2),利用太陽能發電時通過鏡場聚光,把分散的太陽能集中在一起,變成高品質熱能提高其利用效率。國內外目前采用的聚光方式以塔式、槽式和碟式3種為主;直接利用太陽熱能的聚熱式有太陽煙囪和太陽池等發電技術。1.1.1太陽能供熱發電技術20世紀初就有關于太陽能熱發電的研究,由于當時太陽能熱電技術落后及能源供應相對穩定,太陽能熱利用發展緩慢。直到20世紀70年代的石油危機,太陽能熱電產業又被重新激起。近年來由于一系列技術成熟及各國政府支持,太陽能熱電產業發展迅速。美國、澳大利亞、德國等發達國家的光熱技術相對領先。美國已經建立了完善發展規劃,并成功建成多個示范項目,如美國內華達一號太陽能發電廠于2007年投產,可產生6400萬kW·h/a,見圖2,美國加州LUZ槽式太陽能熱發電站成功運行引起我國的關注,并計劃引進該類機組在拉薩建立一座35MW的太陽能熱電站。2008年,世界上第一座可儲式的太陽能電站在西班牙投入商業運營。白天凹面鏡吸收的太陽能給熔鹽加熱,晚上利用高溫熔鹽冷卻釋放熱給水加熱產生蒸汽,該系統可以提高太陽能熱發電的效率及穩定性。2009年西班牙又建立一座10萬kW的太陽能熱發電站,采用熔融鹽進行蓄熱,使發電設備得到充分利用。其它一些國家也先后建立了一些太陽能熱發電站。我國對太陽能熱發電技術研究起步較晚,直到上世紀70年代開始一些基礎研究。近年來我國對太陽能熱電技術給予政策扶持,使我國太陽能光熱發電取得了一定的發展,如2005年在南京建成70kW塔式太陽能熱發電系統,并成功投入并網發電,由中科院電工所在北京延慶縣進行的1MW塔式太陽能發電項目正在實驗中等。與發達國家相比差距較大,我國太陽能工作者任重道遠。1.1.2加大技術攻關,加快技術創新前面介紹了國內外太陽能熱發電技術研究和應用現狀,太陽能聚光熱發電3種方式性能對比見表1。大規模商業化應用使其成本大幅降低,相對傳統能源而言過高成本是制約其進一步廣泛應用的根本原因。過高成本由兩個方面原因引起:(1)作為一種新興能源其發展規模有限,進一步大力推廣其應用能使成本得到降低;(2)一些關鍵技術沒有得到很好解決,如高溫蓄熱技術、聚光技術、高效廉價跟蹤技術和新型高效換熱器等。立足國內,加大科研投入和政策扶持,依靠廣大科研工作者進行技術攻關,實現能量流轉換、傳遞過程高效化和儲能技術創新及其它相關技術攻關;面向世界,積極參與國際合作和競爭,學習發達國家先進技術和管理經驗,消化、吸收相關技術并創新,爭取核心技術具有自主知識產權,太陽能熱發電才能真正廉價在我國得到廣泛應用和發展。1.2太陽能和照明設備1.2.1光伏發電系統太陽能光伏發電技術最先應用于航空領域,由于過高的成本,其發展受到限制。近年來由于一些關鍵技術的解決及其光伏電池產業規模化,太陽能光伏發電成本大大降低,從幾美元/kW·h減少到25美分/kW·h,促進光伏發電快速發展,全球光伏系統裝機量變化見圖3。美國是最早制定光伏發電發展規劃的國家,1997年提出“百萬屋頂計劃”推動了光伏產業進一步發展。美國能源部正在實施的HiPerfPV(High-PerformancePhotovoltaic)計劃,是為了探求光伏技術的性能極限,以便更好地提供有成本效益的潔凈能源,建立了1.5MWp的Prescott荒漠電站和300kWp的APSStarCenter電站等光伏發電工程。1992年日本啟動了新陽光計劃,在1999年底,日本已在3萬戶住宅屋頂安裝了120MW太陽電池組件,到2003年日本光伏組件生產占世界的50%。1999年,澳大利亞國立大學和Solahart共同建立了Rockingham光伏發電系統,瑞士、法國、意大利等國也紛紛制定光伏發展計劃,并建立了商業運轉光伏電站。到2007年底,我國光伏系統累計裝機容量達到100MW,2009年12月云南石林66MWp并網光伏電站實驗示范項目成功并網發電,北京南站采用了太陽能光伏發電技術,該系統峰值發電功率約為220kWp,輸出電量約為223600kW·h/a,截至目前中國政府批準了3個太陽能電站示范項目:1MW的上海市崇明島項目、255kW的內蒙古鄂爾多斯項目、10MW敦煌并網發電項目。2002年國家啟動的“送電到鄉”工程實施后,在內蒙古、青海、新疆等地建成了多座光伏電站,解決了當地眾多人口生活用電問題,同時也帶動了國內光伏產業發展。1.2.2采用新技術、新材料,提高電池光電轉換效率制約光伏產業發展的主要技術因素有:(1)光伏電池成本較高;(2)蓄電池及逆變器等增加了系統成本;(3)光伏發電并網技術不成熟等。針對光伏電池成本較高問題,主要可從以下兩個方面進行改進:(1)采用新技術、新材料提高電池光電轉換效率,如將納米技術應用在太陽電池中,納米TiO2晶體化學能太陽能電池,其光電效率穩定在10%,成本僅為硅電池的1/5~1/10;(2)根據太陽電池原理,通過聚光提高入射光強,提高太陽電池輸出功率,降低系統配置功率。表2給出了未來幾年聚光光伏發展目標,可以預見隨著聚光技術不斷提高、發電成本不斷降低,光伏發電將會有很大的發展;加緊進行光伏并網實驗和研究,開發高效廉價逆變器,光伏發電有了成熟技術和政策支持可以實現并網,光伏發電并網后既可以提高電網穩定性,又可以降低光伏系統成本。未來太陽能光伏發電的成本與傳統能源的發電成本抗衡趨勢見圖4。2太陽能發電一體化目前太陽能發電成本比常規能源高是制約其發展主要原因,現階段研究的重點:(1)要改進技術、開發新材料及擴大建設規模以降低發電成本,如采用高效廉價跟蹤系統提高聚光系統運行效率能有效降低太陽能光熱和光伏發電成本,提高系統運行經濟效益;(2)建立設計、運行、控制3個層次一體化模型、目標函數、決策變量和約束集,開發相關計算軟件和設計軟件,提高太陽能發電設計、運行、管理智能化水平,將大大提高其運行效率。針對我國在這方面起步較晚這個實際情況應該制定太陽能發電技術近期、中期及長期開發內容和目標;明確研究期限和階段成果;著重確定與研究設計的關鍵技術,確定研究難點,進行相關攻關研究,如熱發電蓄熱問題,光伏電池轉換效率問題;設計太陽能電站時應綜合考慮當地氣象、水文等實際條件影響,合理選擇發電方式,如缺水的地方則優先考慮光伏發電;實