陳昊 王綱

太陽能發(fā)電現(xiàn)狀

當能源問題日益成為制約國際社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，越來越多的國家開始開發(fā)太陽能資源，從而尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動力。太陽能作為一種可再生的新能源，日益引起人們的關(guān)注。從能源供應安全和清潔利用的角度出發(fā)，世界各國正把太陽能的商業(yè)化開發(fā)和利用作為重要的發(fā)展方向。歐盟、日本和美國把2030年以后能源供應安全的重點放在太陽能等可再生能源方面。預計到2030年太陽能發(fā)電將占世界電力供應的10％以上，2050年達到20％以上。大規(guī)模的開發(fā)和利用使太陽能在整個能源供應中將占有一席之地。

中國蘊藏著豐富的太陽能資源，太陽能利用前景廣闊。目前，我國太陽能產(chǎn)業(yè)規(guī)模已位居世界第一，是重要的太陽能光伏電池生產(chǎn)國。中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于20世紀70年代起步，90年代中期進入穩(wěn)步發(fā)展時期，太陽能電池及組件產(chǎn)量逐年穩(wěn)步增加。經(jīng)過30多年的努力，已迎來了快速發(fā)展的新階段。在“光明工程”先導項目和“送電到鄉(xiāng)”工程等國家項目及世界光伏市場的有力拉動下，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。到2007年年底，全國光伏系統(tǒng)的累計裝機容量達到10萬千瓦，從事太陽能電池生產(chǎn)的企業(yè)達到50余家，太陽能電池生產(chǎn)能力達到290萬千瓦，太陽能電池年產(chǎn)量達到1188MW，超過日本和歐洲，并已初步建立起從原材料生產(chǎn)到光伏系統(tǒng)建設(shè)等多個環(huán)節(jié)組成的完整產(chǎn)業(yè)鏈，特別是多晶硅材料生產(chǎn)取得了重大進展，突破了年產(chǎn)千噸大關(guān)，沖破了太陽能電池原材料生產(chǎn)的瓶頸制約，為我國光伏發(fā)電的規(guī)?；l(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

目前，我國《可再生能源法》的頒布和實施，為太陽能利用產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了政策的保障；京都議定書的簽訂，環(huán)保政策的出臺和對國際的承諾，給太陽能利用產(chǎn)業(yè)帶來機遇；中國能源戰(zhàn)略的調(diào)整，使得政府加大對可再生能源發(fā)展的支持力度，這些都為太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了機會。

太陽能發(fā)電的主要技術(shù)

太陽能發(fā)電的主要形式包括：平板型光伏電池與陣列、聚光型光伏發(fā)電成套設(shè)備、槽式聚光熱發(fā)電系統(tǒng)、塔式聚光熱發(fā)電系統(tǒng)、槽式聚光集熱助發(fā)電技術(shù)和混合發(fā)電系統(tǒng)。

平板型光伏電池與陣列

目前投入商用的平板型光伏電池主要采用單晶硅或多晶硅電池技術(shù)。通常由單個電池組件串聯(lián)成電池串，若干個電池串再并聯(lián)后進行封裝，從而制成太陽能電池板。每塊太陽能電池板的電池安裝容量為150Wp至200Wp，即在理想條件下(陽光垂直照射，環(huán)境溫度不超過25℃，光照度DNI數(shù)值達到一類地區(qū)或二類較高地區(qū)指標)，其直流峰值發(fā)電能力為150W至200W。通常情況下，為了保證發(fā)電量，太陽能電池板的安裝容量要大于預期使用容量。一般條件下，安裝容量需要設(shè)計為使用容量的1.3到1.5倍。

在歐美國家，太陽能電池板主要應用于獨立的民居發(fā)電，安裝容量一般為3kWp至5kWp；或者大規(guī)模公用建筑或商業(yè)建筑的屋頂或幕墻發(fā)電，其安裝容量通常為100kWp至1000kWp。這種太陽能發(fā)電形式被稱為建筑集成光伏發(fā)電，即BIPV(Building Integrated Photovoltaic)。

平板型光伏發(fā)電系統(tǒng)向直流負荷供電時，電池板陣列經(jīng)匯線箱(盒)匯集后直接提供負荷用電；當與傳統(tǒng)交流系統(tǒng)并用時，直流電源匯集后經(jīng)逆變器產(chǎn)生符合交流電壓、頻率的單相或三相交流電，匯入用戶的電源系統(tǒng)。將太陽能電池板陣列按照規(guī)劃發(fā)電容量進行鋪設(shè)，形成大規(guī)模平板式光伏發(fā)電系統(tǒng)，也可以建成大規(guī)模光伏電廠。根據(jù)國外已建成的大規(guī)模平板式光伏電廠經(jīng)驗數(shù)據(jù)測算，固定式安裝的平板光伏發(fā)電技術(shù)，其每一MW安裝容量需占地3.5英畝，約合21市畝。目前最大的平板式光伏電廠，規(guī)模不超過5MW。

平板型光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要包括太陽能電池板、直流保護與匯集系統(tǒng)、逆變器、交流保護與開關(guān)系統(tǒng)、發(fā)電量計量、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等部分。如果為大規(guī)模并網(wǎng)型電廠，還要考慮直流線路、交流線路、升壓站等部分。平板式光伏發(fā)電系統(tǒng)光－電總轉(zhuǎn)換效率大約為16％－18％。在該系統(tǒng)中，為了提高太陽光的發(fā)電利用率，可以采用單軸或雙軸追蹤系統(tǒng)，使陽光直射的時間加長，從而提高發(fā)電量。單軸追蹤系統(tǒng)可以提高發(fā)電量約25％，雙軸追蹤系統(tǒng)可以提高發(fā)電量約40％。由于追蹤系統(tǒng)需要驅(qū)動電池板根據(jù)太陽方位角旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生陰影效應，所以占地面積將增加一倍左右。

根據(jù)目前國際市場晶體硅原材料的價格，平板式光伏發(fā)電系統(tǒng)的單位成本約為每千瓦安裝容量2萬元至5萬元，如果建設(shè)兆瓦級平板式光伏電廠，其線路成本將大大增加。綜合考慮由于氣候原因而造成的電池組件污物遮擋損耗、直流損耗、逆變損耗和電池板陣列場地線路損耗，平板式光伏發(fā)電系統(tǒng)每千瓦發(fā)電量的綜合投資成本約為3.5萬元至4萬元。

平板式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)含量低、安裝施工方便，且由于晶體硅材料價格下降，所以其成本呈下降趨勢。但其發(fā)電效率低、運輸不便、不便于維護，例如遇到風沙或降雪造成電池板表面遮擋后，需要較長時間進行清掃，影響發(fā)電效率，一旦電池板表面形成局部遮擋的“斑點”效應，將導致被遮擋的電池組件發(fā)熱超溫損壞，形成永久損耗。同時，如果采用平板式光伏發(fā)電技術(shù)建設(shè)大規(guī)模光伏電廠，其安裝和線路施工時間大幅度延長，影響投資回報周期。另外，平板式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要依賴于大量的晶體硅，成本取決于國際晶體硅材料價格，原材料主要掌握在極少數(shù)國家手中，而國內(nèi)僅有加工企業(yè)，存在戰(zhàn)略風險。

聚光型光伏發(fā)電成套設(shè)備

聚光型光伏發(fā)電技術(shù)，簡稱CPV(Concentrated Photovoltaic)，是最近幾年迅速發(fā)展的大規(guī)模光伏發(fā)電技術(shù)，主要應用于兆瓦以上規(guī)模的并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電廠。與平板型光伏發(fā)電技術(shù)相比，其受到青睞的主要原因是它的經(jīng)濟性、建設(shè)周期短、占地面積小、維護方便和對場地平整程度的要求不如平板型光伏發(fā)電系統(tǒng)苛刻。

CPV系統(tǒng)的發(fā)電核心技術(shù)是“多結(jié)光伏電池”(Multiple-Junction Cell)和“菲涅爾聚光鏡”(Fresnel Lens)，同時采用高精度雙軸太陽方位跟蹤技術(shù)和液壓驅(qū)動CPV模塊對日系統(tǒng)。將較大面積的光照聚集在較小面積的電池表面，可以充分發(fā)揮光伏電池的轉(zhuǎn)化效能，產(chǎn)生超過陽光直接照射在電池表面的發(fā)電量。在實驗室條件下，一片6英寸平板電池可以產(chǎn)生2到3瓦電量，而經(jīng)菲涅爾鏡聚焦后同樣面積多結(jié)電池則可以產(chǎn)生1000瓦電量。

根據(jù)目前國際上已投入商用的CPV系統(tǒng)測算，其光一電綜合轉(zhuǎn)化效能超過30％。根據(jù)美國最新安裝的CPV系統(tǒng)計算，其平均每瓦發(fā)電量的投資成本約為3至4美元，即每千瓦發(fā)電量的綜合投資成本約為3萬至3.5萬元人民幣，如果實現(xiàn)國產(chǎn)化，則可以逐步將成本降至每千瓦發(fā)電量投資2萬元。下表是國外某公司生產(chǎn)的高聚光太陽能光伏發(fā)電設(shè)備主要技術(shù)指標，從表中可以看到，53千瓦發(fā)電設(shè)備，其年發(fā)電量為145‘242kWh(一類優(yōu)質(zhì)太陽光照條件下)、預期壽命超過25年。

單獨的CPV單元主要包括“菲涅爾聚光鏡”、多結(jié)光伏電池和單元結(jié)構(gòu)支架。菲涅爾鏡用于將入射的太陽光聚焦到其焦點上，在焦點位置安裝小面積的光伏電池組件，由支架將鏡片和電池組合成為—個獨立單元。若干單元組成一個模塊(見下圖)。

一個CPV系統(tǒng)包括CPV模塊、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、液壓雙軸驅(qū)動機構(gòu)、光照及風速傳感器、自動控制系統(tǒng)、直流線路和逆變器、并網(wǎng)控制和保護等部分。目前，最大的CPV發(fā)電設(shè)備單臺容量為交流發(fā)電量53kW。

CPV發(fā)電設(shè)備一兆瓦發(fā)電容量占地面積為4到6英畝，大約30畝。適合于太陽光照度極高和較高的平坦、開闊地區(qū)。以美國為例，從洛杉磯地區(qū)開始直到加利福尼亞是美國大陸太陽能資源最優(yōu)和較優(yōu)的地區(qū)，CPV技術(shù)的年發(fā)電量比平板式技術(shù)要再高25％左右。

聚光型光伏發(fā)電設(shè)備光－電轉(zhuǎn)化率高、抵御氣候影響的能力強、對場地平整程度要求低、方便實現(xiàn)規(guī)?；⑼顿Y成本較低、對半導體材料的依賴程度低，安裝周期短便于實現(xiàn)投資回報。同時，聚光型光伏發(fā)電技術(shù)成本和設(shè)備集中度比較分散，易于實現(xiàn)就地組裝，也方便實現(xiàn)本地產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，戰(zhàn)略風險相對較小。但該系統(tǒng)基礎(chǔ)施工要求高、完全依賴于大型機械安裝，對安裝施工隊伍和運行維護人員的技術(shù)水平要求高，且不時需要進行專業(yè)化的系統(tǒng)調(diào)試。

槽式聚光熱發(fā)電系統(tǒng)

槽式技術(shù)目前是聚光式太陽能技術(shù)(CSP：Concentrated Solar Power)中最為成熟的技術(shù)。在大規(guī)?；哪柲馨l(fā)電應用中，槽式技術(shù)是最早被使用的技術(shù)，并越來越表現(xiàn)出其運行和成本方面的優(yōu)勢。目前世界上有超過400MW槽式系統(tǒng)正在運行，并且有350MW正在建設(shè)，而規(guī)劃設(shè)計中的槽式系統(tǒng)大約有7GW。槽式太陽能熱發(fā)電廠包括集熱和發(fā)電兩大部分，發(fā)電部分和傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)電相同。集熱部分主要包括：拋物面槽形反光鏡、熱接受器、單軸追蹤控制系統(tǒng)、集熱器基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。目前有三種主要的槽式太陽能熱發(fā)電廠結(jié)構(gòu)：最簡單的是僅在有陽光的條件下發(fā)電，另一種結(jié)構(gòu)包含一套儲熱裝置，第三種結(jié)構(gòu)即前面提到的混合發(fā)電系統(tǒng)。建設(shè)一個100MW的槽式太陽能熱發(fā)電廠，拋物面集熱槽需占地約2883.388畝，包括7小時蓄熱的一個完整槽式太陽能熱發(fā)電廠，需占地約5706畝。

拋物面槽在白天連續(xù)追蹤太陽，將陽光反射到安裝在其焦點位置的接收管。接受管的設(shè)計使其能夠最大限度地采集太陽能而盡可能少地損耗。熱傳導所用的媒介液體在接受管中循環(huán)，被加熱到大約750°F(400E)。在太陽能采集場地旁邊，加熱后的熱媒經(jīng)過熱交換產(chǎn)生蒸汽從而驅(qū)動傳統(tǒng)的蒸汽輪機發(fā)電。熱能量可以儲存在裝有熔鹽的儲罐中，所以在沒有陽光的情況下也可以發(fā)電，因而光熱發(fā)電廠的工作可以部分地由電網(wǎng)調(diào)度。另外，可以通過太陽能集熱場產(chǎn)生蒸汽，與一個現(xiàn)有的循環(huán)蒸汽渦輪機發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合形成混合發(fā)電系統(tǒng)，從而減少對化石燃料的消耗，減少排放。

以目前在建的世界上最大的槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)——美國亞利桑那SOLANA太陽能電站為例，其總規(guī)模為288MW設(shè)計發(fā)電量，該電站通過常規(guī)蒸汽輪機發(fā)電，和所占用的農(nóng)田相比，減少用水約85％。電站“太陽能場”覆蓋3平方英里，包括2700臺槽式集熱器，集熱器規(guī)格約為25英尺寬，約500英尺長，約10英尺高。其儲熱裝置可保證6個小時的無陽光發(fā)電。據(jù)悉該項目預期在2011年投產(chǎn)發(fā)電，APS(亞利桑那電力系統(tǒng))將100％收購其所發(fā)電力。提供太陽能電力的同時，SOLANA太陽能電站還欲提供現(xiàn)代科技旅游觀光服務(wù)。

塔式聚光熱發(fā)電系統(tǒng)

塔式技術(shù)也是GSP的一種，通過分布安裝在聚光塔周圍呈環(huán)形排布的定日鏡陣，將陽光聚焦反射到安裝在塔頂?shù)慕邮芷鳌＝邮芷鲀?nèi)熱轉(zhuǎn)換媒介吸收定日鏡高度聚集反射來的輻射能量并把它轉(zhuǎn)化成熱能，熱能進一步轉(zhuǎn)化成蒸汽從而驅(qū)動渦輪機帶動發(fā)電機發(fā)電，其產(chǎn)生的熱能同樣保存在熔鹽罐中。因為在塔式技術(shù)熱循環(huán)過程中溫度更高，其總體光一電轉(zhuǎn)換效率可以達到25％。

目前建設(shè)的最大的塔式熱發(fā)電廠是位于西班牙的PS20，裝機容量為20MW，占地約1415畝。PS20之前，PS10已經(jīng)于2007年投入商業(yè)運行。它的裝機容量為11MW，包括624面定日鏡，每面鏡子的面積120m2，由各自獨立的定日追蹤控制系統(tǒng)控制，將太陽光反射到塔頂?shù)慕邮芷?，聚光塔?15m。PSl0的年發(fā)電量為24GWh。

在場地條件允許的前提下，可以在現(xiàn)有的常規(guī)熱電廠旁，通過太陽能集熱場產(chǎn)生蒸汽，與現(xiàn)有的循環(huán)蒸汽渦輪機發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合形成混合發(fā)電系統(tǒng)，從而減少對化石燃料的消耗，減少排放。

結(jié)論

從光伏發(fā)電和光熱發(fā)電技術(shù)對比來看，光伏發(fā)電的技術(shù)成熟度高，已成功投入商業(yè)運行的裝機容量大，建設(shè)和投資規(guī)模靈活，可以分期擴展，但是由于采用直流發(fā)電、交流逆變并網(wǎng)運行方式，電能質(zhì)量不能可靠保證，且由于其逆變設(shè)備的自保護功能，當網(wǎng)絡(luò)故障需要電源支撐時無法調(diào)度，所以適用于就近消耗或者用于電網(wǎng)貼峰，尤其適用于季節(jié)性和時間性較強的民用、商業(yè)用電；光熱發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換效率高于光伏發(fā)電，規(guī)?？梢赃_到小型甚至中型常規(guī)火電廠的規(guī)模，具有規(guī)模成本優(yōu)勢，因為其采用常規(guī)發(fā)電方式，在電網(wǎng)端和傳統(tǒng)火電廠相同，完全可以作為上網(wǎng)電源；在有場地條件的情況下，光熱轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的熱能可以與原有火電結(jié)合，用光熱替代部分煤熱或油熱，組成混合發(fā)電系統(tǒng)，從而解決小火電廠的排放問題，如果認真規(guī)劃、成功實施，有可能挽救部分小火電廠，使其繼續(xù)發(fā)揮渦輪發(fā)電機組的效能。

光熱發(fā)電的主要問題在于投資規(guī)模大，必須達到一定規(guī)模才能實現(xiàn)投資效益，技術(shù)的普及程度低于光伏發(fā)電，對水源有要求，建設(shè)周期長，系統(tǒng)的靈活擴展性能不如光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電技術(shù)中，平板式光伏發(fā)電適用于普通民居或公用建筑、商業(yè)建筑的峰時用電；而聚光型光伏發(fā)電設(shè)備適于大規(guī)模上網(wǎng)電廠建設(shè)采用。