太阳能发电技术的研究

太阳能发电技术的研究

1太阳能利用发电在21世纪，太阳能成为世界上最重要的能源之一。中国属太阳能资源丰富的国家之一。太阳能是最原始的能源,地球上几乎所有其他能源都直接或间接来自太阳能。太阳能具有资源充足、长寿,分布广泛、安全、清洁,技术可靠等优点。由于太阳能可以转换成多种其他形式的能量,因此应用范围非常广泛。在热利用方面有太阳能温室、物品干燥和太阳灶、太阳能热水器等。经过多年的开发,太阳能发电也得到了长足的发展。太阳能发电主要有太阳能光发电和太阳能热发电两种基本方式。不通过热过程直接将太阳的光能转换成电能的利用方式称为太阳能光发电,目前得到实际应用的是光伏电池。太阳能热发电是将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置。太阳能热发电有多种类型,主要有以下五种:塔式系统、槽式系统、盘式系统、太阳池和太阳能塔热气流发电。前三种是聚光型太阳能热发电系统,后两种是非聚光型。一些发达国家将太阳能热发电技术作为国家研发重点,制造了数十台各种类型的太阳能热发电示范电站,已达到并网发电的实际应用水平。2能源塔热流输技术2.1太阳能-就位机发电太阳能塔热气流发电系统包括三个主要部分:太阳能集热器、太阳能塔和涡轮发电机组。其基本原理是利用了温室效应、烟囱效应和涡轮旋转发电这三项人们早已熟悉并且是成熟的技术组合形成了一个全新的发电方式,它的结构并不复杂。在地面上设置一个庞大的太阳能集热器大棚,在太阳能集热器的中央竖立一个高大的太阳能塔,集热器顶棚与塔的底部紧密封接,在塔的底部安装涡轮机。运行原理也不复杂。由于太阳的照射,太阳能集热器大棚下的空气被加热,加热后的空气形成上升气流,通过中部的太阳能塔排出,热气流驱动设置在太阳能塔底部的涡轮机旋转带动发电机发电,大棚外的冷空气则通过四周不断被吸入补充。2.2中心电站的资源及配套参数(1)大容量清洁的可再生能源发电技术。可以大规模开发建成大容量机组,对缓解日益严重的能源危机有重要意义。(2)连续运行,稳定发电。对天气的依赖性较小,夜间也有电能输出,有条件成为能源体系中的主力能源,扮演中心电站的角色。电站综合参数见表1。(3)充分利用太阳能。可开发利用全部太阳辐射能,包括直射幅射和散射幅射。(4)结构简单,技术成熟。大量使用的是钢材、混凝土、玻璃等常规材料。(5)寿命长、运行维护简便。无需冷却水。(6)占地面积大。在集热器大棚下面可以进行蔬菜、水果、花卉种植等农业活动,是一特大温室。(7)超高建筑,可开发旅游观光。这将带来巨大的社会效益和经济效益。有效规划上述(7)、(8)两点,则可以变缺点为优点,达到太阳能规模化综合利用的目的。3物面聚焦系统通过水或其他工质和装置将太阳辐射能转换为电能的发电方式,称为太阳能热发电。目前世界上现有的最有前途的太阳能热发电系统大致可分为:槽形抛物面聚焦系统、中央接受器或太阳塔聚焦系统和盘形抛物面聚焦系统。目前,太阳能热发电在技术上和经济上可行的三种形式是:30~80MW聚焦抛物面槽式太阳能热发电技术(简称抛物面槽式);30~200MW点聚焦中央接收式太阳能热发电技术(简称中央接收式);7.5~25kW的点聚焦抛物面盘式太阳能热发电技术(简称抛物面盘式)。除了上述几种传统的太阳能热发电方式以外,太阳能烟囱发电、太阳池发电等新领域的研究也有进展。3.1太阳池或太阳能池简单地说,太阳池是一种池内水加盐(一般用NaCl、CaCh、MgCl2、Na2CO和芒硝等盐类)使对流受到抑制的太阳能集聚工程。它可以兼作太阳集热器和储热器,并且构造简单,操作方便,宜于大规模开发,所以近年来得到快速发展。太阳池发电的突出优点,一是建造发电站的成本较低,几乎无需使用价格昂贵的不锈钢、玻璃等材料,只需要一处浅水池和发电设备即可;二是由于它能够储存大量的热能,再利用池中特定介质汽化后相互对流产生的能量推动气轮机运转发电,所以对光照的强度要求不高,即便是在夜晚和阴雨雪天也能照常进行工作。太阳池的应用也有一定的局限性:一是在高纬度地区,只能水平设置的太阳池接收的太阳辐射较少;二是在某些有地下流动含水层的地区,如果太阳池发生泄露,会造成水源污染和严重的热损失;三是大型太阳池只能建造在土壤贫瘠又无矿藏的地区,以免占用耕地,影响开矿以及引起生态环境和地球物理方面的变化。除上述方法外,还有太阳能热离子发电、太阳能磁流体热发电、太阳能海水温差发电等。美国是世界上太阳能发电技术开发较早的国家,太阳能槽式发电系统已经积累了10多年联网营运的经验,1×104kw塔式和5~25kw盘式太阳能发电系统正处于示范阶段。法国、西班牙、日本、意大利等国太阳能发电的应用也有一定发展。我国虽然早在20世纪70年代末就对太阳能热发电开展了应用基础研究工作;在“八五”、“九五”和“十五”期间,原国家科委和现在的科技部,均将大型太阳能热发电关键技术列为国家重点科技攻关计划,并将盘式小型太阳能热发电装置的研制列入863计划,但从总体上讲,我国太阳能热发电技术的实际应用尚未真正起步,尚无工业的装置,也无应用实例。3.2斯特林发动机—太阳能斯特林热发电在对航天航空的努力探寻过程中,人们认识到了斯特林太阳能发电机作为空间动力的重要性,而其中较普遍应用的碟式抛物面斯特林发电系统独立运行的特点,非常适合急需电力补充的发展中国家的需要,其单机容量为几十千瓦至上百千瓦,显示了该项技术目前发展的规模。作为碟式系统的抛物面,斯特林系统是由许多镜子组成的抛物面反射镜组成,接收器在抛物面的焦点上,把收集到的600~2000℃的热源引到斯特林发动机内,把传热工质加热到750℃左右,最后驱动发电机进行发电。又因为太阳能聚光器和斯特林发动机能非常好的结合产生电能,其将太阳能转换为电能的净效率可达29.4%,所以斯特林循环在相同的运行温度范围内是所有太阳能发电中效率最高的。而像自由活塞式的斯特林发动机,作为一种外燃的、封闭循环往复式热力发动机,它的运动部件间没有机械连接,无须润滑密封简单,被其带动的微型热电共生器既生电又生热。这种技术有几个优势,一是能量转换效率高,二是机器非常“安静”,三是寿命长,四是非常环保,完全燃烧后只产生很少一点氧氮化物和一氧化碳,内燃机在这方面远不能与它相比。除此之外,我国如果发展太阳能斯特林热发电还有气候上的优越性,因为只有年太阳辐射大于1900kWh/m2的地区才适合采用太阳热发电技术,而我国西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量都很大。还有我国的西藏,新疆和内蒙古地域辽阔,土地资源丰富,农(牧)民居住分散,适于建造分散式太阳能斯特林热电站,而建立大规模大容量集中式的太阳热电站,采取远距离输变电方式是不经济的,可见发展太阳能斯特林发电在国土资源上还具有优越性。发展电站还需要考虑的是建热电站的财政投入问题。斯特林发动机冷却采用空冷方式,系统耗水量低,所以在缺水的内蒙古西部沙漠地区很适合建立大面积、大容量的蝶式斯特林太阳热发电站,也能部分解决内蒙古地区发展火电站缺水的问题。并且集中供电方式的电输线缺少安全保障,因为局部故障的影响可能是全局的。例如美国西部洛杉矶市在2005年9月12日下午发生的大规模停电,2005年8月14日美国俄亥俄州的大规模停电,还有2003年9月23日,北欧的瑞典南部、丹麦东部因输电线路遭雷击,至少3个核电站停止运行和停电事件都导致了大规模经济损失和人员伤亡。这些案例说明,大电网集中供电的单一模式很难抵御突发性灾难,而电网安全又直接涉及到国家的安全,所以现在许多发达国家都在考虑就集中和分散相结合的供电的方式进行发展。而太阳能斯特林热发电是一个可用于分散发电的节能的,清洁的太阳能利用新技术。太阳能斯特林发电的优越性也预示着我国有必要研究和发展它。4光伏发电系统太阳能光发电是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能级半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能,并使之转变成电能的直接发电方式,是当今太阳光发电的主流。目前世界上应用最广泛的太阳电池是单晶体硅太阳电池、多晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池等。4.1高效晶硅材料单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的加工处理工艺基础上的。它的转换效率最高,技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%。单晶硅高效电池的典型代表是斯坦福大学的背面点接触电池、新南威尔士大学的钝化发射区电池(PERL)以及德国Fraunhofer太阳能研究所的局域化背场电池等。硅电池进展的重要原因之一是表面钝化技术的提高。此外,倒金字塔技术、双层减反射膜技术以及陷光理论的完善也是高效晶硅电池发展的主要原因。如新南威尔士大学的钝化发射区电池和激光刻槽埋栅电池分别取到24.7%和19.6%的转化率,日本Sanyo公司采用PECVD工艺开发的HIT电池取得了21%的转化率。4.2太阳能电池技术多晶硅太阳能电池与单晶硅比较,由于所使用的硅远比单晶硅少,其成本远低于单晶硅电池,具有独特的优势。但是由于它存在着晶粒界面和晶格错位的明显缺陷,造成多晶硅电池光电转换率一直无法突破20%的关口,低于单晶硅电池。多晶硅太阳能电池的实验室以往的最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。不过乔治亚工大光伏中心采用磷吸杂和双层减反射膜技术,使电池的效率达到18.6%;新南威尔士大学光伏中心采用类似PERL电池技术,使电池的效率达到19.8%;日本Kysera公司采用了PECVD-SiN技术,起到钝化和减反射双重作用,加上表面织构化和背场技术,使15×15cm2面积多晶硅电池效率达17.1%,此种电池技术已经实现了工业化生产,商业化电池效率在14%以上。最近德国弗劳恩霍夫协会科研人员采用新技术,在世界上率先使多晶太阳能电池的光电转换率达到20.3%。如能在工业生产中大规模使用该新技术,基于成本低廉的优势,预计多晶硅电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。4.3非晶硅太阳能电池由于受到原材料、加工工艺和制造过程的制约,若要再大幅度地降低单晶硅太阳电池成本是非常困难的。作为单晶硅电池的替代产品,现在发展了薄膜太阳电池。目前薄膜电池主要有硅基薄膜太阳电池、化合物半导体薄膜电池、染料敏化TiO2太阳电池等。具有代表性的产品主要有:(1)非晶硅(a-Si)太阳电池,即硅和氢(约10%)的一种合金。最早提出非晶硅太阳能电池思路的是美国RCA实验室的Carlson和Wronski。2000年我国把以双结非晶硅电池为重点的硅基薄膜太阳电池的研究列入国家重点基础研究发展计划(973)项目,使我国非晶硅电池的研究又进入一个新阶段。(2)CVD多晶硅薄膜及电池,即利用PECVD(等离子强化CVD),RECVD(快速热CVD),Hot-wireCVD(热线CVD)等技术来生长多晶硅薄膜。德国Fraunhofer太阳能研究所使用SiO2和SiN包覆陶瓷或SiC包覆石墨为衬底,用RTCVD沉积多晶硅薄膜,硅膜经过再结晶后制备太阳电池,两种衬底的电池效率分别达到9.3%和11%。(3)CdTe和CIGS电池被认为是未来实现低于1美分/W成本目标的典型薄膜电池。从2003年11月公布的第21版的太阳电池组件的转换效率数据,可以看出由日本昭和壳牌石油公司开发的CIGS太阳电池组件,转换效率达到了13.4%,Pacificsolar公司开发的薄膜Si系薄膜太阳能电池转换效率也达到了8.2%。4.4电源输送系统(1)可以有效利用建筑物屋顶和幕墙,无需占用土地资源;(2)可原地发电,原地使用,减少电力输送的线路损耗;(3)各种彩色光伏组件可取代和节约外饰材料(如玻璃幕墙等);(4)在白天用电高峰期供电,从而舒缓高峰电力需求;(5)配备蓄电池后,还能满足安全用电设施的不断电要求;(6)太阳能发电板阵列直接吸收太阳能,降低墙面及屋顶的温升,减轻建筑空调负荷。4.5太阳能发电系统太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池(组)组成。如输出电源为交流220V或110V,还需要配置逆变器。各部分的作用为:(1)太阳能电池板:太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。(2)太阳能控制器:太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态,并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他如光控开关、时控开关都应当是控制器的附加功能。(3)蓄电池:一般为铅酸电池,小微型系统中,也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来,到需要的时候再释放出来。在并网太阳能发电系统中,可不加蓄电池组。(4)逆变器:太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能,需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能,因此需要使用DC-AC逆变器。4.6并网光伏系统(1)独立光伏系统,此为完全依靠太阳电池供电的电源系统,太阳电池方阵受光照时发出的电力是唯一的能量来源。(2)并网光伏系统,并网光伏系统指的是,太阳电池方阵发出的直流电力经过逆变器变换成交流电,并且与电网并