1、国内外太阳能技术现状与发展情况摘要：简析太阳能技术原理，太阳能发电技术分类及发展状况。展现太阳能技术在当今世界发挥的巨大作用及其地位，通过对各种相关技术的介绍分析了解不同发电技术的应用情况及优缺点。关键词：太阳能 太阳能发电技术 热发电 光伏发电 热存储 1.太阳能技术1.1 太阳能简介太阳能（Solar Energy） ，一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。太阳能发电
2、一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等等。1.2 太阳能发电技术分类目前。应用的主要太阳能发电技术分类如表 1 所示。其中，非聚光类太阳能热发电技术有太阳池热发电、太阳能热气流发电等；聚光类太阳能热发电技术有塔式太阳能热发电、槽式太阳能热发电、碟式太一 12 一阳能热发电。较为成熟的太阳能发电技术是太阳能光伏发电和太阳能热发电。太阳能热发电技术通过聚光产生高温进而发电。效率较高，更具应用前景。尽管世界各国研究太阳能热发电技术已有多年。但目前只有槽式太阳能热发电站实现了商业化示范运行。而塔式、碟式发电系统仍处于示范阶段。2.国内外太阳能技术现状2.
3、1 太阳能热发电太阳热发电是一种很有发展前景的太阳能利用技术。它是将太阳能集光、集热产生高温驱动热机发电的系统。目前世界上已建成 9 座大型太阳热电站 , 总装机容全 30 兆瓦, 主要在美国。收集太阳光提供热能的方法主要有中央接收器、抛物面反射器和抛物面聚焦收集器三种。 中央接收器是将地面反射镜聚集到的阳光聚焦到中央接收器上。 这种方法在七十年代被人们认为是最有发展前途的。但由于存在中央接收器必须在高温下操作, 体积过大等间题, 使它的前途一度变得暗淡。但专家们认为这种系统容易适应高温热贮存, 它比蓄电池或其他非热贮存有更大的经济潜力, 并且指出 , 带有热贮存的中央接收器太阳热发电系统可与
4、化石燃料系统相竞争。抛物面反射器和中央接收器一样, 是用一台反射镜将太阳光聚焦在一台集热器上, 不同之处是每一反射镜加热它自身的集热器。大多数抛物面反射系统都是利用流体传热, 同样也存在接收器的间题。为了解决这些间题, 人们正在恢复外樵机, 其中以“ 斯特林循环 ” 发电系统效率最佳。这种系统保留了光伏电池的许多优点, 易于安装 , 无污染。 无论大小型装置效率都很高 , 是一种有发展前途的系统。抛物面引聚焦收集器是呈抛物面状的聚焦槽, 它是将太阳光聚焦在槽中央沿槽长方向卧置的管子上, 流体通过管子时被加热, 变成蒸汽或热液体, 从管子另一端出来、可用来驱动涡轮机或其他机械。 这种槽设计简单,
5、 只须增减槽的数量 , 便能产生较大或较小的电量, 在较低温度下也能顺利运行。 专家们预测, 这种技术在今后 50 年内将在太阳能市场上占主导地位。此外，我国还与美国合作设计并试制成功功率为 5kW 的碟式太阳能发电装置样机。并在 2005 年与以色列合作。在江苏省南京市建成了第一座功率为 75kw 的太阳能塔式热发电示范电站。并成功运行发电。太阳能热发电具有巨大的潜力，因此对于太阳能热发电未来的发展。应着眼于市场应用的开发。使太阳能热发电真正溶人到我们的生活当中。2.2 太阳能光伏发电2.2.1 太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统由太阳能光伏电池组、太阳能控制器、蓄电池(组)组成。如
6、输出电源为交流 220V 或 llov，还需要配置逆变器。太阳能光伏电池板是太阳能光伏发电系统中的棱心部分。也是太阳能光伏发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能转换为电能。或送往蓄电池中存储起来。或推动负载工作。太阳能光伏电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳能控制器控制着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。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。2.2.2 太阳能光伏电池的原理太
7、阳能电池内部存在 PN 结。当 PN 结处于平衡状态时，在 PN 结处形成耗尽层。存在由 N 区到 P 区的势垒电场。当太阳光入射的能量大于硅禁带宽度的时候，射人电池内部的太阳光子。把电子从价带激发到导带，产生一个电子一空穴对。电子一空穴对随即被势垒电场分离，电子和空穴被分别推向 N 区和 P 区。并向 PN 结交接面处扩散，当到达势垒电场边界时。受势垒电场的作用，电子留在 N 区，空穴留在 P区，形成内建电场。而由于内建电场的作用。N 区中的空穴和 P 区中的。电子被分别推向对方区域。使 N 区积累了过剩的电子。P 区积累了过剩的空穴。即在 P_N 结两侧形成了与势垒电场方向相反的光生电动势
8、。当接人负载后，就会产生电流流出。2.2.3 在太阳电池最新技术方面, 近年已有重大突破, 目前较先进的单晶硅太阳电池生产工艺有美国斯坦福大学的扩散点接触工艺, 喷气推进研究所的钝化发射区工艺, 橡树岭实验室的激光退火扩散炉钝化工艺,SP re 公司的沟状顶面工艺 ; 旧本的计算机模拟优选工艺, 澳大利亚的钝化发射区背电池工艺等。非晶太阳电池最新技术主要集中在组件的生产。在生产技术方面主要实施了绒面氧化锡正面电极, 改进尸层掺杂法, 高反射率的背面金属化, 组件的全激光划线圈形以及低成本的喷徐密封技术等。另外, 采用箔本征层, 多结器件结构等使 a 一 si 备件效率衰减低于 1%。通过采用异
9、质结和凸凹透明导膜基板以及 i 层的高质量化尸/i 界面控制技术, 使电池效率大大提高。研究认为, 采用多结组件, 可提高电池效率, 据预测, 利用各种合金制造的双结组件效率可达到 17 % , 三结组件可达到24 %。多晶箔膜太阳电池是近年研究最多的一种新型高效化合物半导体太阳电池。主要有栖锢铜(C IS )、啼化福(Cd T e )、砷化稼(G a A : )、磷化锢 (In S ) 等。C IS 太阳电池是仅次于非晶硅的新型电池, 其性能稳定, 吸收系数大, 禁带宽度在 1。Olev 左右, 其效率比非晶太阳电池高。近年对 C 了 5 和 CIS 与非晶硅配对的两种子组件研究, 已从技术
10、研究转向大面积工艺。目前, 以 CIS 为基础的多晶信膜户一, 异质结太阳电池效率已达到 14。1%。美国 A R (为太阳能公司通过改善器件的蓝响应, 改进电池设计, 用一个箱层ds 层和一个宽带隙 Z , O 窗层取代 2。4e V 带隙的 Cd , 层, 使效率达到 15 呱。当前, c IS 太阳电池的主要课题是改进晶格匹配和提高电池效率, 发展多元化合物光伏材料及盈层多结太阳电池, 同时解决大规模生产的有关间题。啼化福也是一种有前途的箔膜太阳电池材料, 美国光子公司已成功地用喷射法制造了效率为 1 2。3 肠的高效太阳电池和效率为 7。3% 的组件。同时也制造了四方底板 Cd Te
11、组件样品。 A 耐成和 BP so la r 公司采用电沉积法, 并采用新颖的 n 一一户电池设计解决了电极稳定性间题 , 并获得了n。2 铸的高效率。砷化稼是目前唯一能以单晶箔膜太阳电池形式加以利用的材料。美国九ria 二公司已研制出 A 16 妞 A s / G a A : 异质结电池, 取 n/ P 和户/n 结构时, 效率超过 27 % , 改进金属有机化学气相沉积(拍陌屹, D ) 条件的控制, 改进电他格网规定和电缘钝化, 预计效率可达到 30 %。在 Ga A , 基片上施以为陌屹 v 。技术制成的单结 In G a A : 聚光太阳电池效率超过 24 肠, 试验证明, 提高 I
12、n Ga A: 电流集流量可大大提高效率, 这种技术也可用在多结太阳电池上。磷化铜太阳电池具有效率高耐辐射性强的特点, 可用于航天飞机。不少科研机构在研究结的制造和电池的加工方法。美国 SP rs 公司研制的 InP 太阳电池效率已达到 19。5 铸, 太阳能研究所用半导体工艺制造的上部为 In 尸下层为 In Ga A : 的多层申联电池效率高达 31。8 % , 可聚集 50 倍太阳光。2.3 有源太阳系统有源太阳系统是将太阳能转换为热能, 用于供热水、供冷供暖、产业用热源等的系统。具有集热、蓄热、供热水、放热等功能。太阳热水器, 技术上已相当成熟, 世界上利用太阳能的国家均已达到工业性生
13、产阶段, 并作为商品进入市场。英、澳、美、日、以色列、法国和意大利等国已广泛使用太阳能热水器, 并建立了强大的太阳能热水器工业。据报导, 美国生产的平板式太阳能热水器、真空管热水器, 其性能均居世界先进水平。生产各类太阳能热水器厂家有 200 多家,年销售额 10 亿美元以上。日本民用型系统巳商品化, 全国已安装强制循环式太阳能热水器 3 万多台, 1990 年底达到 70 万台,13 %以上的家庭热水均由太阳能提供。以色列法令规定新建筑物必须配备太阳热水器, 1990 年底,家用太阳能热水器普及率达到 60 % , 能满足全国热水需要量的 40 % , 满足国家一次能源需求量的2%。澳大利亚
14、是世界上太阳能热水器工业最发达的国家之一, 目前已有 30 多万个住宅安装太阳热水系统, 在西澳大利亚洲, 家庭太阳热水器普及率已达到 25 % 以上。欧洲共同体为了促进太阳热水器工业的发展, 大力支持英、法、西德、意大利和希腊五国的研究开发工作,1990 年底已推广热水器 3。万平方米。比 1981 年增长 1 倍, 但普及率不算高。2.4 无源太阳系统无源太阳系统是收集太阳光和热, 利用绝热材料或建筑物进行放热调节, 控制太阳光的热传递 t 和方向, 有效地利用太阳能的系统。过去的系统技术主流是利用建筑物等提高无探效果。 最近由于材料技术的进步, 已开发使用了具有调光材料 , 透明绝热材料
15、等新机能无源太阳元件(控制能裸量及方向的能量转换元件) 的无源太阳系统。这是最有前途的系统, 已引起了人们普遍的关注。有代表性的无源太阳元件有调光材料、选择放射材料、透明绝热材料等。2.5 太阳化学系统太阳一化学系统是以太阳能作为化学反应动力的系统, 也称从动化学系统。近年由于开发了利用光电子传递作用来促进化学反应的光催化半导体, 所以可利用太阳能进行水分解、二氧化碳固定和氮的固定等多种反应。太阳化学系统主要是光解水制氢。 其一是利用阳光产生 2 0 以上的高温, 使水分解, 产生氢, 这种方法目前尚难形成生产规模。另一种方法是以过镀金属络合物为催化剂, 进行光解水制氢 , 专家们认为, 这是
16、最佳的制氢方法。 新型的太阳化学系统, 有德国的利用新的超坚韧塑料箔片太阳能收集器 , 用来收集太阳能, 利用太阳能进行化学反应, 释放, 然后再吸收氢从而获得高效能源的装置, 以色列的 10 千瓦化学热管系统是用 64 面由计算机控制的巨型菲涅耳透镜收集太阳能。太阳能在化学热管中被一专门化学反应器吸收, 在反应器中, 甲烷或其他碳氢化合物被转化为合成气体, 通过管道输送到用户。3.太阳能技术的发展与展望3.1 太阳能光伏发电的现状和发展趋势(1)国外太阳能光伏发电现状和发展趋势。太阳能光伏发电产业是 20 世纪 80 年代以来世界上增长最快的高新技术产业之一。2004 年。世界太阳能光伏发电
17、装机总容量达到964.9MW。2006 年底达到 4961.69Mw。已经商品化、实用化的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光电池、带状硅电池及薄膜电池等几类。在国际市场上，太阳能光伏电池的价格大约为 3.15 美元佃。光伏电池的光电转化效率也不断提高，目前，光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其光伏发电量约占世界光伏发电量的 80。今后光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。专家们预测到 2050 年，太阳能光伏发电在发电总量中将占 1315。到 2100 年将约占“目。(2)国内太阳能光伏发电现状和发展趋势。20 世纪 90 年代以来是我国光
18、伏发电快速发展的时期。在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强。成本不断降低，市场不断扩大。装机容量逐年增加，2006 年累计装机容量达 35Mw。约占世界份额的 3口。10 多年来，我国光伏产业长期平均维持了全球市场 1左右的份额。到加 20 年前。我国光伏技术产业将会得到不断的完善和发展。成本将不断下降。光伏市场会发生巨大的变化：预计 20052010 年。我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统。发电成本到 2010 年将约为 1.20元/kwh。光伏发电将会由独立系统转向并网发电系统。3.2 太阳能光伏发电产业发展中需要解决的问题目前。世界太阳能光伏发电产业还处于初级阶段，为了保证太阳能
19、光伏发电产业的健康发展。需要做好以下工作：继续研制太阳能电池新材料，提高电池的光电转化效率；研究太阳能光电电池最大功率跟踪算法，实现太阳光最大功率跟踪：研究太阳能光电池阵列的优化组合算法，实现太阳能光电电池阵列的优化组合；研究太阳能光伏发电的软并网技术，减少光伏电能对电网的冲击；探索并实现太阳能光伏发电与建筑物建设相结合。实现建筑物绿色发电与自我供电；探索并出台保护太阳能光伏发电发展的政策与法律、法规。对太阳能发电电价实行保护政策。促进太阳能发电产业的发展。3.3 太阳能热发电系统的发展与展望研究低成本的反射材料、接收器和发电设备成为了降低热发电成本的关键。也是当前热发电领域研究的重点。太阳能
20、热发电技术商业化发展的主要矛盾是成本问题。建立高效率、大容量、高聚光比的太阳能热发电系统是降低发电成本的主要研究方向。为推动太阳能热发电技术的商业化，必须考虑太阳辐照的不连续性。可采取与化石燃料互补的联合发电途径。3.4.1 建设成本有关统计数据表明。塔式太阳能热发电站初次投资成本比例为：定日镜占钾，蓄热占20，发电机组、电气设备等占 30。建设成本约 33。2 万元，kW。槽式太阳能热发电站初次投资成本比例为：聚光、吸热部分占 55，蓄热占 20，发电机组、电气设备等占25。建设成本约 2。5 万元kW。与常规火电机组建设相比。尽管考虑环境污染以及能源供给等因素，太阳能热发电的建设成本仍然较
21、高且难以降低，无法形成各国大规模投资建设的形势。3.4.2 槽式太阳能热发电技术即使是目前已经商业示范运行的槽式系统，尽管热发电成本已经低于光伏发电成本。却没有出现和光伏发电市场一样的快速增长。太阳能热发电的产业化还有待关键技术的更大突破。比如提高真空集热管的效率，开发先进的热存储技术等。目前，槽式太阳能集热管主要使用直通式金属一玻璃管，集中体现了吸收膜层技术、玻璃与金属封接技术和波纹管技术等尖端科技。只有德国 schott、以色列 solel、意大利 An 黔 lantoni 公司能生产长度 4 m 的真空集热管。国内高效能的真空金属一玻璃管真空集热管只能应用在小容量热力系统中。最大加工长度
22、仅 2 m。这是大容量、高参数机组的投产应用的障碍。3.4.3 塔式太阳能热发电技术尽管塔式太阳能热发电技术起步较早。人们也一直希望通过尽可能多的定日镜将太阳能量集聚到几十兆瓦的水平。但塔式太阳能热发电系统的造价较高。产业化困难重重。各反射镜在塔上形成的光斑大小随反射镜与中心塔的距离增加而现形、增长，塔上最后形成的太阳聚焦光斑在一天内可随定日镜场的大小，从几米变化到几十米。聚光强度出现大幅度波动，因此，光学设计的复杂性大大增加了建设成本。在塔式系统中。各定日镜相对于中心塔有着不同的朝向和距离。因此，每个定日镜的跟踪都要进行单独的二维控制，且各定日镜的控制各不相同，极大增加了控制系统的复杂性和安
23、装调试特别是光学调整的难度。对外抗风性能及对太阳能自动跟踪性能的要求提高了集热器装配的极限公差和结构承载力要求。系统机械装置笨重等，都大大提高了系统建设费用。3.4.4 热存储技术太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙必须依靠储存的能量维持系统正常运行。储能工质的工作温度范围决定了机组初参数。因而决定了机组的总体效率。使用较多的蓄热方法为：温高导热油跃层储能，高压饱和水胞和蒸汽、熔融盐储能，高温混凝土蓄热，SiC 陶瓷蓄热等。关键是提高储能材料的热容、工作温度和工质的化学及物理稳定性。增强工质容器及输运管路的防腐能力。具有良好传热特性的多种材料多相复合的储热工质合成的材料及相变蓄热装置的研究尚处于起
24、步阶段。3.4.5 DSG 技术目前，世界许多科研机构致力于开发单回路槽式太阳能热发电系统。即直接用水作吸热介质的 DSG(Direct Ste 锄 Genemtion)系统。与双回路系统相比，DSG 系统省去了换热环节。但为了应对 DSG 系统所产生的高压以及低流速问题，需对系统作很大的调整。控制系统、电站布置以及集热器倾斜角度方面很复杂，而且储存热能也会很困难。当沸水流入接收管或集热管的倾斜率到达边界状态时。两相流产生的层流现象机率便增加。管子会因压力发生变形。并会引起永久性变形或造成玻璃管破裂。参考文献【1】肖湘宁，徐永海电能质量问题剖析J电网技术，200l，25(3)：66_69【2】
25、王守相,王成山基于区间算法的配电网三相潮流计算模型J中国电机工程学报，2002(2)：52_58【3】艾斌，扬洪兴，沈辉，等风光互补发电系统的优化设计回：cAD 设计方法太阳能学报 2003.4 【4】刘玲群，肖湘宁供电电压凹陷域的分析J现代电力，200l，18(2)：24-31【5】李光琦电力系统暂态分析M北京：水利电力出版社，1995【7】李振，余翔太阳能产业专利发展趋势及专利战略应用【J】电子知识产权20082：3538，63【8】胡润青，李俊峰全球太阳能热水器产业与技术发展状况及启示【J】太阳能，2007，(2)：811【9】张焕芬，喜文华.国外太阳能技术的最新进展及发展趋势.甘肃科学学报.1992 年第 l 期.【10】汤延令.太阳能热发电技术及发展.福建电力与电工. 第 28 卷第 4 期.
