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1、新能源技术导论：太阳能技术摘要本文论述了太阳能的利用技术, 讨论了太阳能的发电技术, 综合介绍了太阳能塔热气流发电技术、太阳能热发电技术和太阳光发电等国内外各种太阳能发电技术, 其中重点讨论了太阳能光伏发电的优势、特点等，并对这次发电方式进行了比较。在阐述各种发电技术的理论与优缺点的基础上, 对太阳能发电技术的前景做了探讨。关键词：太阳能利用技术 光伏发电 太阳能热发电 太阳能电池 前景展望一、前言由于世界对能源需求的日益增长、常规能源的日益短缺、石油价格不断上涨、全球气候变暖以及环境的压力，世界各国,为寻求能源安全和人类社会可持续发展,将战略目光转向可再生能源的开发。未来能源体系发展的趋势是
2、由集中的以化石能源为主的体系逐步过渡到由分布能源参与的、多样化的体系。尽管新兴的可再生能源(大型水力发电除外,包括小水电、风能、太阳能、地热和现代生物质和生物燃料)在目前世界一次能源中仅占2% (其中,发电1.2% ,热水/采暖0.7%,生物燃料0.2% ) 1 ，但近十年来可再生能源在各国政府政策激励下其市场开发取得了长足的进展，与常规能源的价格差距逐渐缩小，已开始体现其作为替代能源的生命力。太阳能资源特征：清洁、无污染,到达地球表面的太阳辐射总功率巨大并取之不尽，但另一方面却是它的分散性和间歇性。所谓分散性是指太阳能在地球表面到处可得，但它的辐照度低,到达地球表面的太阳辐照度的最大值小于1
3、000 W /m2 ，年曝辐量因地而异，其最大值也只在2500 kWh /m2 a 左右。太阳辐照度的间歇性源于地球绕太阳的公转和自转。因此,太阳能利用装置要求有足够的采光面积(太阳能装置本身有能量转换效率，1050% 不等)，而且还需要其他能源作备用、补充或设置储能系统。在常规能源供应丰富,价格低廉的时代，太阳能在能源市场上一般缺乏竞争性。然而，太阳能资源的分散性却又是能源安全供给的可靠保证，不论是国家、地区或是个人均可以运行属于自己的太阳能系统,不受常规能源资源分布不均和短缺的限制。虽然目前太阳能发电仅占可再生能源发电的3.2% 2 ，太阳能供热占生物质供热的35% 3 ，但近十年来太阳能
4、技术与产业发展迅速，平均年增长率达30%左右,预期在4050年后太阳能将在新的能源体系及能源经济中将占一定的地位。开发太阳能任重道远。二、太阳能发电技术综述1、 太阳能塔热气流发电技术1.1 结构与原理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
5、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。1.2 太阳能塔热气流发电技术特点4 (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
6、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。表1 电站综合参数2、 太阳能热发电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：3080 MW聚焦抛物面槽式太阳能热发电技术(简称抛物
7、面槽式)；30200 MW点聚焦中央接收式太阳能热发电技术(简称中央接收式)；7.525kW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。2.1 槽式太阳能热发电槽式太阳能热发电系统的聚光反射镜从几何上看是将抛物线平移而形成的槽式抛物面，它将太阳光聚焦在一条线上(如图1所示) 。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。因此槽式聚焦方式亦常称为线聚焦。槽式抛物面一般依其焦线按正南北方向摆放,因此其定日跟踪只需一维跟踪。槽式的聚光比为10100之间，一般在50 左右，温度可达400 左
8、右。由于槽式的聚光比小，为维持高温时的运行效率,必须使用真空管作为吸热器件。高温真空管的制造技术要求高，难度大。目前，只有德国SCHOTT等少数几家公司生产的真空管可基本满足槽式聚光集热的要求。图1 槽式聚光集热系统与塔式太阳能热发电系统相比，槽式太阳能热发电系统除聚光和集热装置有所不同外，两者在系统构成和工作原理等方面，基本上都是一样的,都是通过汽轮机将热能转化为电能。由于槽式系统结构简单，温度和压力都不高，技术风险较低，因此较早实现了商业化的大规模应用。最著名的商业化槽式电站位于美国南加州Mojave沙漠地区的SEGS ( Solar Electric Generating Systems
9、)系列电站（图2为SEGS电站的系统示意图5）。图2 SEGS电站的系统示意图2.2 碟式太阳能热发电碟式太阳能热发电系统一般由旋转抛物面反射镜、吸热器、跟踪装置以及热功转换装置等组成,如图3所示。碟式反射镜可以是一整块抛物面,也可由聚焦于同一点的多块反射镜组成。因此碟式聚焦方式亦常称为点聚焦，其聚焦比可高达5001000之间,焦点处可产生1000 以上的温度。整个碟式发电系统安装于一个双轴跟踪支撑装置上，实现定日跟踪，连续发电。碟式系统的吸热器一般为腔式,与斯特林发电机相连，构成一个紧凑的吸热、做功、发电装置。整个装置安装于抛物面的焦点位置，吸热器的开口对准焦点。图3 中科院电工所研制的碟式
10、太阳能热发电装置由于聚焦比大,工作温度高,碟式系统的发电效率高达30 %，高于塔式和槽式。但是，这类系统的单元容量较小，一般为3050 kW。比较适用于分布式能源系统,也可以将多个单元系统组成一簇，集中向电网供电。目前,碟式系统正处于商业化进程中，相关示范研究项目主要有美国的SAIC公司和STM公司联合开发的SunDish系统和欧洲的EuroDish计划。2.3 太阳池发电简单地说，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
11、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
12、磁流体热发电、太阳能海水温差发电等。3、 太阳能光发电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。3.1 单晶硅电池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
13、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2417%和1916%的转化率，日本Sanyo公司采用PECVD 工艺开发的H IT电池取得了21%的转化率。4.2 多晶硅太阳能电池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，
14、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1816%；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1918%；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1515 cm2面积多晶硅电池效率达1711%， 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
15、换率达到2013%。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 薄膜太阳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T iO2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
16、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)，Hot2wireCVD(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913%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
