國內(nèi)外太陽能技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展

1、國內(nèi)外太陽能技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展情況摘要：簡析太陽能技術(shù)原理，太陽能發(fā)電技術(shù)分類及發(fā)展?fàn)顩r。展現(xiàn)太陽能技術(shù)在當(dāng)今世界發(fā)揮的巨大作用及其地位，通過對各種相關(guān)技術(shù)的介紹分析了解不同發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用情況及優(yōu)缺點。關(guān)鍵詞：太陽能 太陽能發(fā)電技術(shù) 熱發(fā)電 光伏發(fā)電 熱存儲 1.太陽能技術(shù)1.1太陽能簡介太陽能（Solar Energy），一般是指太陽光的輻射能量，在現(xiàn)代一般用作發(fā)電。自地球形成生物就主要以太陽提供的熱和光生存，而自古人類也懂得以陽光曬干物件，并作為保存食物的方法，如制鹽和曬咸魚等。但在化石燃料減少下，才有意把太陽能進一步發(fā)展。太陽能的利用有被動式利用（光熱轉(zhuǎn)換）和光電轉(zhuǎn)換兩種方式。太陽能發(fā)電一種

2、新興的可再生能源。廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源，如風(fēng)能，化學(xué)能，水的勢能等等。1.2太陽能發(fā)電技術(shù)分類目前。應(yīng)用的主要太陽能發(fā)電技術(shù)分類如表1所示。其中，非聚光類太陽能熱發(fā)電技術(shù)有太陽池?zé)岚l(fā)電、太陽能熱氣流發(fā)電等；聚光類太陽能熱發(fā)電技術(shù)有塔式太陽能熱發(fā)電、槽式太陽能熱發(fā)電、碟式太一12一陽能熱發(fā)電。較為成熟的太陽能發(fā)電技術(shù)是太陽能光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電。太陽能熱發(fā)電技術(shù)通過聚光產(chǎn)生高溫進而發(fā)電。效率較高，更具應(yīng)用前景。盡管世界各國研究太陽能熱發(fā)電技術(shù)已有多年。但目前只有槽式太陽能熱發(fā)電站實現(xiàn)了商業(yè)化示范運行。而塔式、碟式發(fā)電系統(tǒng)仍處于示范階段。2.國內(nèi)外太陽能技術(shù)現(xiàn)狀2.1太陽能熱發(fā)電

3、太陽熱發(fā)電是一種很有發(fā)展前景的太陽能利用技術(shù)。它是將太陽能集光、集熱產(chǎn)生高溫驅(qū)動熱機發(fā)電的系統(tǒng)。目前世界上已建成9 座大型太陽熱電站, 總裝機容全30 兆瓦, 主要在美國。收集太陽光提供熱能的方法主要有中央接收器、拋物面反射器和拋物面聚焦收集器三種。 中央接收器是將地面反射鏡聚集到的陽光聚焦到中央接收器上。 這種方法在七十年代被人們認為是最有發(fā)展前途的。但由于存在中央接收器必須在高溫下操作, 體積過大等間題, 使它的前途一度變得暗淡。但專家們認為這種系統(tǒng)容易適應(yīng)高溫?zé)豳A存, 它比蓄電池或其他非熱貯存有更大的經(jīng)濟潛力, 并且指出, 帶有熱貯存的中央接收器太陽熱發(fā)電系統(tǒng)可與化石燃料系統(tǒng)相競爭。拋物

4、面反射器和中央接收器一樣, 是用一臺反射鏡將太陽光聚焦在一臺集熱器上, 不同之處是每一反射鏡加熱它自身的集熱器。大多數(shù)拋物面反射系統(tǒng)都是利用流體傳熱, 同樣也存在接收器的間題。為了解決這些間題, 人們正在恢復(fù)外樵機, 其中以“ 斯特林循環(huán)” 發(fā)電系統(tǒng)效率最佳。這種系統(tǒng)保留了光伏電池的許多優(yōu)點, 易于安裝, 無污染。 無論大小型裝置效率都很高, 是一種有發(fā)展前途的系統(tǒng)。拋物面引聚焦收集器是呈拋物面狀的聚焦槽, 它是將太陽光聚焦在槽中央沿槽長方向臥置的管子上, 流體通過管子時被加熱, 變成蒸汽或熱液體, 從管子另一端出來、可用來驅(qū)動渦輪機或其他機械。 這種槽設(shè)計簡單, 只須增減槽的數(shù)量, 便能產(chǎn)生

5、較大或較小的電量, 在較低溫度下也能順利運行。 專家們預(yù)測, 這種技術(shù)在今后50 年內(nèi)將在太陽能市場上占主導(dǎo)地位。此外，我國還與美國合作設(shè)計并試制成功功率為5kW的碟式太陽能發(fā)電裝置樣機。并在2005年與以色列合作。在江蘇省南京市建成了第一座功率為75kw的太陽能塔式熱發(fā)電示范電站。并成功運行發(fā)電。太陽能熱發(fā)電具有巨大的潛力，因此對于太陽能熱發(fā)電未來的發(fā)展。應(yīng)著眼于市場應(yīng)用的開發(fā)。使太陽能熱發(fā)電真正溶人到我們的生活當(dāng)中。2.2太陽能光伏發(fā)電2.2.1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能光伏電池組、太陽能控制器、蓄電池(組)組成。如輸出電源為交流220V或llov，還需要配置逆變器

6、。太陽能光伏電池板是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的棱心部分。也是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能?；蛩屯铍姵刂写鎯ζ饋?。或推動負載工作。太陽能光伏電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。太陽能控制器控制著整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)。并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補償?shù)墓δ?。蓄電池一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中。也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。2.2.2太陽能光伏電池的原理太陽能電池內(nèi)部存在PN結(jié)。當(dāng)PN結(jié)處于平衡狀態(tài)時，在PN結(jié)處

7、形成耗盡層。存在由N區(qū)到P區(qū)的勢壘電場。當(dāng)太陽光入射的能量大于硅禁帶寬度的時候，射人電池內(nèi)部的太陽光子。把電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，產(chǎn)生一個電子一空穴對。電子一空穴對隨即被勢壘電場分離，電子和空穴被分別推向N區(qū)和P區(qū)。并向PN結(jié)交接面處擴散，當(dāng)?shù)竭_勢壘電場邊界時。受勢壘電場的作用，電子留在N區(qū)，空穴留在P區(qū)，形成內(nèi)建電場。而由于內(nèi)建電場的作用。N區(qū)中的空穴和P區(qū)中的。電子被分別推向?qū)Ψ絽^(qū)域。使N區(qū)積累了過剩的電子。P區(qū)積累了過剩的空穴。即在P_N結(jié)兩側(cè)形成了與勢壘電場方向相反的光生電動勢。當(dāng)接人負載后，就會產(chǎn)生電流流出。2.2.3在太陽電池最新技術(shù)方面, 近年已有重大突破, 目前較先進的單晶硅太陽

8、電池生產(chǎn)工藝有美國斯坦福大學(xué)的擴散點接觸工藝, 噴氣推進研究所的鈍化發(fā)射區(qū)工藝, 橡樹嶺實驗室的激光退火擴散爐鈍化工藝,SP re 公司的溝狀頂面工藝; 舊本的計算機模擬優(yōu)選工藝, 澳大利亞的鈍化發(fā)射區(qū)背電池工藝等。非晶太陽電池最新技術(shù)主要集中在組件的生產(chǎn)。在生產(chǎn)技術(shù)方面主要實施了絨面氧化錫正面電極, 改進尸層摻雜法, 高反射率的背面金屬化, 組件的全激光劃線圈形以及低成本的噴徐密封技術(shù)等。另外, 采用箔本征層, 多結(jié)器件結(jié)構(gòu)等使a 一si 備件效率衰減低于1%。通過采用異質(zhì)結(jié)和凸凹透明導(dǎo)膜基板以及i 層的高質(zhì)量化尸/i 界面控制技術(shù), 使電池效率大大提高。研究認為, 采用多結(jié)組件, 可提高電

9、池效率, 據(jù)預(yù)測, 利用各種合金制造的雙結(jié)組件效率可達到17 % , 三結(jié)組件可達到24 %。多晶箔膜太陽電池是近年研究最多的一種新型高效化合物半導(dǎo)體太陽電池。主要有棲錮銅(C IS )、啼化福(Cd T e )、砷化稼(G a A : )、磷化錮(In S ) 等。C IS 太陽電池是僅次于非晶硅的新型電池, 其性能穩(wěn)定, 吸收系數(shù)大, 禁帶寬度在1。Olev 左右, 其效率比非晶太陽電池高。近年對C 了5 和CIS 與非晶硅配對的兩種子組件研究, 已從技術(shù)研究轉(zhuǎn)向大面積工藝。目前, 以CIS 為基礎(chǔ)的多晶信膜戶一, 異質(zhì)結(jié)太陽電池效率已達到14。1%。美國A R (為太陽能公司通過改善器件

10、的藍響應(yīng), 改進電池設(shè)計, 用一個箱層ds 層和一個寬帶隙Z , O 窗層取代2。4e V 帶隙的Cd , 層, 使效率達到15 呱。當(dāng)前, c IS 太陽電池的主要課題是改進晶格匹配和提高電池效率, 發(fā)展多元化合物光伏材料及盈層多結(jié)太陽電池, 同時解決大規(guī)模生產(chǎn)的有關(guān)間題。啼化福也是一種有前途的箔膜太陽電池材料, 美國光子公司已成功地用噴射法制造了效率為1 2。3 腸的高效太陽電池和效率為7。3% 的組件。同時也制造了四方底板Cd Te 組件樣品。 A 耐成和BP so la r 公司采用電沉積法, 并采用新穎的n 一一戶電池設(shè)計解決了電極穩(wěn)定性間題, 并獲得了n。2 鑄的高效率。砷化稼是目

11、前唯一能以單晶箔膜太陽電池形式加以利用的材料。美國九ria 二公司已研制出A 16 妞A s / G a A : 異質(zhì)結(jié)電池, 取n/ P 和戶/n 結(jié)構(gòu)時, 效率超過27 % , 改進金屬有機化學(xué)氣相沉積(拍陌屹, D ) 條件的控制, 改進電他格網(wǎng)規(guī)定和電緣鈍化, 預(yù)計效率可達到30 %。在Ga A , 基片上施以為陌屹v 。技術(shù)制成的單結(jié)In G a A : 聚光太陽電池效率超過24 腸, 試驗證明, 提高In Ga A: 電流集流量可大大提高效率, 這種技術(shù)也可用在多結(jié)太陽電池上。磷化銅太陽電池具有效率高耐輻射性強的特點, 可用于航天飛機。不少科研機構(gòu)在研究結(jié)的制造和電池的加工方法。美

12、國SP rs 公司研制的InP 太陽電池效率已達到19。5 鑄, 太陽能研究所用半導(dǎo)體工藝制造的上部為In 尸下層為In Ga A : 的多層申聯(lián)電池效率高達31。8 % , 可聚集50 倍太陽光。2.3有源太陽系統(tǒng)有源太陽系統(tǒng)是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能, 用于供熱水、供冷供暖、產(chǎn)業(yè)用熱源等的系統(tǒng)。具有集熱、蓄熱、供熱水、放熱等功能。太陽熱水器, 技術(shù)上已相當(dāng)成熟, 世界上利用太陽能的國家均已達到工業(yè)性生產(chǎn)階段, 并作為商品進入市場。英、澳、美、日、以色列、法國和意大利等國已廣泛使用太陽能熱水器, 并建立了強大的太陽能熱水器工業(yè)。據(jù)報導(dǎo), 美國生產(chǎn)的平板式太陽能熱水器、真空管熱水器, 其性能均居世界

13、先進水平。生產(chǎn)各類太陽能熱水器廠家有200 多家,年銷售額10億美元以上。日本民用型系統(tǒng)巳商品化, 全國已安裝強制循環(huán)式太陽能熱水器3 萬多臺, 1990年底達到70 萬臺,13 %以上的家庭熱水均由太陽能提供。以色列法令規(guī)定新建筑物必須配備太陽熱水器, 1990年底,家用太陽能熱水器普及率達到60 % , 能滿足全國熱水需要量的40 % , 滿足國家一次能源需求量的2%。澳大利亞是世界上太陽能熱水器工業(yè)最發(fā)達的國家之一, 目前已有30 多萬個住宅安裝太陽熱水系統(tǒng), 在西澳大利亞洲, 家庭太陽熱水器普及率已達到25 % 以上。歐洲共同體為了促進太陽熱水器工業(yè)的發(fā)展, 大力支持英、法、西德、意大

14、利和希臘五國的研究開發(fā)工作,1990 年底已推廣熱水器3。萬平方米。比1981年增長1 倍, 但普及率不算高。2.4無源太陽系統(tǒng)無源太陽系統(tǒng)是收集太陽光和熱, 利用絕熱材料或建筑物進行放熱調(diào)節(jié), 控制太陽光的熱傳遞t 和方向, 有效地利用太陽能的系統(tǒng)。過去的系統(tǒng)技術(shù)主流是利用建筑物等提高無探效果。 最近由于材料技術(shù)的進步, 已開發(fā)使用了具有調(diào)光材料, 透明絕熱材料等新機能無源太陽元件(控制能裸量及方向的能量轉(zhuǎn)換元件) 的無源太陽系統(tǒng)。這是最有前途的系統(tǒng), 已引起了人們普遍的關(guān)注。有代表性的無源太陽元件有調(diào)光材料、選擇放射材料、透明絕熱材料等。2.5太陽化學(xué)系統(tǒng)太陽一化學(xué)系統(tǒng)是以太陽能作為化學(xué)反

15、應(yīng)動力的系統(tǒng), 也稱從動化學(xué)系統(tǒng)。近年由于開發(fā)了利用光電子傳遞作用來促進化學(xué)反應(yīng)的光催化半導(dǎo)體, 所以可利用太陽能進行水分解、二氧化碳固定和氮的固定等多種反應(yīng)。太陽化學(xué)系統(tǒng)主要是光解水制氫。 其一是利用陽光產(chǎn)生2 0 以上的高溫, 使水分解, 產(chǎn)生氫, 這種方法目前尚難形成生產(chǎn)規(guī)模。另一種方法是以過鍍金屬絡(luò)合物為催化劑, 進行光解水制氫, 專家們認為, 這是最佳的制氫方法。 新型的太陽化學(xué)系統(tǒng), 有德國的利用新的超堅韌塑料箔片太陽能收集器, 用來收集太陽能, 利用太陽能進行化學(xué)反應(yīng), 釋放, 然后再吸收氫從而獲得高效能源的裝置, 以色列的10 千瓦化學(xué)熱管系統(tǒng)是用64 面由計算機控制的巨型菲涅

16、耳透鏡收集太陽能。太陽能在化學(xué)熱管中被一專門化學(xué)反應(yīng)器吸收, 在反應(yīng)器中, 甲烷或其他碳氫化合物被轉(zhuǎn)化為合成氣體, 通過管道輸送到用戶。3.太陽能技術(shù)的發(fā)展與展望3.1太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(1)國外太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)是20世紀80年代以來世界上增長最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。2004年。世界太陽能光伏發(fā)電裝機總?cè)萘窟_到964.9MW。2006年底達到4961.69Mw。已經(jīng)商品化、實用化的太陽能光伏電池主要有單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、聚光電池、帶狀硅電池及薄膜電池等幾類。在國際市場上，太陽能光伏電池的價格大約為3.15美元佃。光伏電池的光電轉(zhuǎn)化效率

17、也不斷提高，目前，光伏發(fā)電主要集中在日本、歐盟和美國，其光伏發(fā)電量約占世界光伏發(fā)電量的80。今后光伏發(fā)電系統(tǒng)主要圍繞高效率、低成本、長壽命、美觀實用等方向發(fā)展。專家們預(yù)測到2050年，太陽能光伏發(fā)電在發(fā)電總量中將占1315。到2100年將約占“目。(2)國內(nèi)太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。20世紀90年代以來是我國光伏發(fā)電快速發(fā)展的時期。在這一時期我國光伏組件生產(chǎn)能力逐年增強。成本不斷降低，市場不斷擴大。裝機容量逐年增加，2006年累計裝機容量達35Mw。約占世界份額的3口。10多年來，我國光伏產(chǎn)業(yè)長期平均維持了全球市場1左右的份額。到加20年前。我國光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)將會得到不斷的完善和發(fā)展。成本將

18、不斷下降。光伏市場會發(fā)生巨大的變化：預(yù)計20052010年。我國的太陽能電池主要用于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)。發(fā)電成本到2010年將約為1.20元/kwh。光伏發(fā)電將會由獨立系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。3.2太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展中需要解決的問題目前。世界太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)還處于初級階段，為了保證太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。需要做好以下工作：繼續(xù)研制太陽能電池新材料，提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率；研究太陽能光電電池最大功率跟蹤算法，實現(xiàn)太陽光最大功率跟蹤：研究太陽能光電池陣列的優(yōu)化組合算法，實現(xiàn)太陽能光電電池陣列的優(yōu)化組合；研究太陽能光伏發(fā)電的軟并網(wǎng)技術(shù)，減少光伏電能對電網(wǎng)的沖擊；探索并實現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電與建筑

19、物建設(shè)相結(jié)合。實現(xiàn)建筑物綠色發(fā)電與自我供電；探索并出臺保護太陽能光伏發(fā)電發(fā)展的政策與法律、法規(guī)。對太陽能發(fā)電電價實行保護政策。促進太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。3.3太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展與展望研究低成本的反射材料、接收器和發(fā)電設(shè)備成為了降低熱發(fā)電成本的關(guān)鍵。也是當(dāng)前熱發(fā)電領(lǐng)域研究的重點。太陽能熱發(fā)電技術(shù)商業(yè)化發(fā)展的主要矛盾是成本問題。建立高效率、大容量、高聚光比的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是降低發(fā)電成本的主要研究方向。為推動太陽能熱發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化，必須考慮太陽輻照的不連續(xù)性?？刹扇∨c化石燃料互補的聯(lián)合發(fā)電途徑。3.4.1 建設(shè)成本有關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明。塔式太陽能熱發(fā)電站初次投資成本比例為：定日鏡占鉀，蓄熱占20

20、，發(fā)電機組、電氣設(shè)備等占30。建設(shè)成本約33。2萬元，kW。槽式太陽能熱發(fā)電站初次投資成本比例為：聚光、吸熱部分占55，蓄熱占20，發(fā)電機組、電氣設(shè)備等占25。建設(shè)成本約2。5萬元kW。與常規(guī)火電機組建設(shè)相比。盡管考慮環(huán)境污染以及能源供給等因素，太陽能熱發(fā)電的建設(shè)成本仍然較高且難以降低，無法形成各國大規(guī)模投資建設(shè)的形勢。3.4.2槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)即使是目前已經(jīng)商業(yè)示范運行的槽式系統(tǒng)，盡管熱發(fā)電成本已經(jīng)低于光伏發(fā)電成本。卻沒有出現(xiàn)和光伏發(fā)電市場一樣的快速增長。太陽能熱發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化還有待關(guān)鍵技術(shù)的更大突破。比如提高真空集熱管的效率，開發(fā)先進的熱存儲技術(shù)等。目前，槽式太陽能集熱管主要使用直通式金

21、屬一玻璃管，集中體現(xiàn)了吸收膜層技術(shù)、玻璃與金屬封接技術(shù)和波紋管技術(shù)等尖端科技。只有德國schott、以色列solel、意大利An黔lantoni公司能生產(chǎn)長度4 m的真空集熱管。國內(nèi)高效能的真空金屬一玻璃管真空集熱管只能應(yīng)用在小容量熱力系統(tǒng)中。最大加工長度僅2 m。這是大容量、高參數(shù)機組的投產(chǎn)應(yīng)用的障礙。3.4.3塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)盡管塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)起步較早。人們也一直希望通過盡可能多的定日鏡將太陽能量集聚到幾十兆瓦的水平。但塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的造價較高。產(chǎn)業(yè)化困難重重。各反射鏡在塔上形成的光斑大小隨反射鏡與中心塔的距離增加而現(xiàn)形、增長，塔上最后形成的太陽聚焦光斑在一天內(nèi)可隨定日鏡場

22、的大小，從幾米變化到幾十米。聚光強度出現(xiàn)大幅度波動，因此，光學(xué)設(shè)計的復(fù)雜性大大增加了建設(shè)成本。在塔式系統(tǒng)中。各定日鏡相對于中心塔有著不同的朝向和距離。因此，每個定日鏡的跟蹤都要進行單獨的二維控制，且各定日鏡的控制各不相同，極大增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和安裝調(diào)試特別是光學(xué)調(diào)整的難度。對外抗風(fēng)性能及對太陽能自動跟蹤性能的要求提高了集熱器裝配的極限公差和結(jié)構(gòu)承載力要求。系統(tǒng)機械裝置笨重等，都大大提高了系統(tǒng)建設(shè)費用。3.4.4熱存儲技術(shù)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在早晚或云遮間隙必須依靠儲存的能量維持系統(tǒng)正常運行。儲能工質(zhì)的工作溫度范圍決定了機組初參數(shù)。因而決定了機組的總體效率。使用較多的蓄熱方法為：溫高導(dǎo)熱油躍層儲能，高壓飽和水胞和蒸汽、熔融鹽儲能，高溫混凝土蓄熱，Si