陳昊 王綱

中國(guó)太陽(yáng)能利用前景廣闊，目前太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)規(guī)模已位居世界第一，是重要的太陽(yáng)能光伏電池生產(chǎn)國(guó)。目前我國(guó)光伏發(fā)電規(guī)模化發(fā)展的基礎(chǔ)雖已奠定，但技術(shù)上仍有提高空間。本文通過對(duì)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)等太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的論述，對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電潛力及其前景進(jìn)行了深入分析，并初步指出了未來我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電發(fā)展的主要方向。

太陽(yáng)能發(fā)電現(xiàn)狀

當(dāng)能源問題日益成為制約國(guó)際社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，越來越多的國(guó)家開始開發(fā)太陽(yáng)能資源，從而尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力。太陽(yáng)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(yīng)安全和清潔利用的角度出發(fā)，世界各國(guó)正把太陽(yáng)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(guó)把2030年以后能源供應(yīng)安全的重點(diǎn)放在太陽(yáng)能等可再生能源方面。預(yù)計(jì)到2030年太陽(yáng)能發(fā)電將占世界電力供應(yīng)的10％以上，2050年達(dá)到20％以上。大規(guī)模的開發(fā)和利用使太陽(yáng)能在整個(gè)能源供應(yīng)中將占有一席之地。

中國(guó)蘊(yùn)藏著豐富的太陽(yáng)能資源，太陽(yáng)能利用前景廣闊。目前，我國(guó)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)規(guī)模已位居世界第一，是重要的太陽(yáng)能光伏電池生產(chǎn)國(guó)。中國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于20世紀(jì)70年代起步，90年代中期進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展時(shí)期，太陽(yáng)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(dǎo)項(xiàng)目和“送電到鄉(xiāng)”工程等國(guó)家項(xiàng)目及世界光伏市場(chǎng)的有力拉動(dòng)下，我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。到2007年年底，全國(guó)光伏系統(tǒng)的累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到10萬千瓦，從事太陽(yáng)能電池生產(chǎn)的企業(yè)達(dá)到50余家，太陽(yáng)能電池生產(chǎn)能力達(dá)到290萬千瓦，太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量達(dá)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(gè)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(jìn)展，突破了年產(chǎn)千噸大關(guān)，沖破了太陽(yáng)能電池原材料生產(chǎn)的瓶頸制約，為我國(guó)光伏發(fā)電的規(guī)?；l(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

目前，我國(guó)《可再生能源法》的頒布和實(shí)施，為太陽(yáng)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(tái)和對(duì)國(guó)際的承諾，給太陽(yáng)能利用產(chǎn)業(yè)帶來機(jī)遇；中國(guó)能源戰(zhàn)略的調(diào)整，使得政府加大對(duì)可再生能源發(fā)展的支持力度，這些都為太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。

太陽(yáng)能發(fā)電的主要技術(shù)

太陽(yáng)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(gè)電池組件串聯(lián)成電池串，若干個(gè)電池串再并聯(lián)后進(jìn)行封裝，從而制成太陽(yáng)能電池板。每塊太陽(yáng)能電池板的電池安裝容量為150Wp至200Wp，即在理想條件下(陽(yáng)光垂直照射，環(huán)境溫度不超過25℃，光照度DNI數(shù)值達(dá)到一類地區(qū)或二類較高地區(qū)指標(biāo))，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(yáng)能電池板的安裝容量要大于預(yù)期使用容量。一般條件下，安裝容量需要設(shè)計(jì)為使用容量的1.3到1.5倍。

在歐美國(guó)家，太陽(yáng)能電池板主要應(yīng)用于獨(dú)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lOOkWp至1000kWp。這種太陽(yáng)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(fù)荷供電時(shí)，電池板陣列經(jīng)匯線箱(盒)匯集后直接提供負(fù)荷用電；當(dāng)與傳統(tǒng)交流系統(tǒng)并用時(shí)，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(yáng)能電池板陣列按照規(guī)劃發(fā)電容量進(jìn)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(guó)外已建成的大規(guī)模平板式光伏電廠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)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(yáng)能電池板、直流保護(hù)與匯集系統(tǒng)、逆變器、交流保護(hù)與開關(guān)系統(tǒng)、發(fā)電量計(jì)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)光一電總轉(zhuǎn)換效率大約為16％-18％。在該系統(tǒng)中，為了提高太陽(yáng)光的發(fā)電利用率，可以采用單軸或雙軸追蹤系統(tǒng)，使陽(yáng)光直射的時(shí)間加長(zhǎng)，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(dòng)電池板根據(jù)太陽(yáng)方位角旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生陰影效應(yīng)，所以占地面積將增加一倍左右。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(jí)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(chǎng)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(jiǎn)單、技術(shù)含量低、安裝施工方便，且由于晶體硅材料價(jià)格下降，所以其成本呈下降趨勢(shì)。但其發(fā)電效率低、運(yùn)輸不便、不便于維護(hù)，例如遇到風(fēng)沙或降雪造成電池板表面遮擋后，需要較長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)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(diǎn)”效應(yīng)，將導(dǎo)致被遮擋的電池組件發(fā)熱超溫?fù)p壞，形成永久損耗。同時(shí)，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(shí)間大幅度延長(zhǎng)，影響投資回報(bào)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(guó)際晶體硅材料價(jià)格，原材料主要掌握在極少數(shù)國(guó)家手中，而國(guó)內(nèi)僅有加工企業(yè)，存在戰(zhàn)略風(fēng)險(xiǎn)。

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(jiǎn)稱CPV(ConcentratedPhotovoltaic)，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(yīng)用于兆瓦以上規(guī)模的并網(wǎng)型太陽(yáng)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(jì)性、建設(shè)周期短、占地面積小、維護(hù)方便和對(duì)場(chǎng)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”(FresnelLens)，同時(shí)采用高精度雙軸太陽(yáng)方位跟蹤技術(shù)和液壓驅(qū)動(dòng)CPV模塊對(duì)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(yáng)光直接照射在電池表面的發(fā)電量。在實(shí)驗(yàn)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(guó)際上已投入商用的CPV系統(tǒng)測(cè)算，其光一電綜合轉(zhuǎn)化效能超過30％。根據(jù)美國(guó)最新安裝的CPV系統(tǒng)計(jì)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(shí)現(xiàn)國(guó)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(guó)外某公司生產(chǎn)的高聚光太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)，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(yáng)光照條件下)、預(yù)期壽命超過25年。

HCPV高聚光型太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備主要技術(shù)數(shù)據(jù)

單獨(dú)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(yáng)光聚焦到其焦點(diǎn)上，在焦點(diǎn)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(gè)獨(dú)立單元。若干單元組成一個(gè)模塊(見下圖)。

一個(gè)CPV系統(tǒng)包括CPV模塊、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、液壓雙軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、光照及風(fēng)速傳感器、自動(dòng)控制系統(tǒng)、直流線路和逆變器、并網(wǎng)控制和保護(hù)等部分。目前，最大的CPV發(fā)電設(shè)備單臺(tái)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(yáng)光照度極高和較高的平坦、開闊地區(qū)。以美國(guó)為例，從洛杉磯地區(qū)開始直到加利福尼亞是美國(guó)大陸太陽(yáng)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)備光一電轉(zhuǎn)化率高、抵御氣候影響的能力強(qiáng)、對(duì)場(chǎng)地平整程度要求低、方便實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、投資成本較低、對(duì)半導(dǎo)體材料的依賴程度低，安裝周期短便于實(shí)現(xiàn)投資回報(bào)。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)就地組裝，也方便實(shí)現(xiàn)本地產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，戰(zhàn)略風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。但該系統(tǒng)基礎(chǔ)施工要求高、完全依賴于大型機(jī)械安裝，對(duì)安裝施工隊(duì)伍和運(yùn)行維護(hù)人員的技術(shù)水平要求高，且不時(shí)需要進(jìn)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(yáng)能技術(shù)(CSP：Concentrated Solar Power)中最為成熟的技術(shù)。在大規(guī)?；哪?yáng)能發(fā)電應(yīng)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(yùn)行和成本方面的優(yōu)勢(shì)。目前世界上有超過400MW槽式系統(tǒng)正在運(yùn)行，并且有350MW正在建設(shè)，而規(guī)劃設(shè)計(jì)中的槽式系統(tǒng)大約有7GW。槽式太陽(yáng)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(yáng)能熱發(fā)電廠結(jié)構(gòu)：最簡(jiǎn)單的是僅在有陽(yáng)光的條件下發(fā)電，另一種結(jié)構(gòu)包含一套儲(chǔ)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(gè)IOOMW的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電廠，拋物面集熱槽需占地約2883，388畝，包括7小時(shí)蓄熱的一個(gè)完整槽式太陽(yáng)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(yáng)，將陽(yáng)光反射到安裝在其焦點(diǎn)位置的接收管。接受管的設(shè)計(jì)使其能夠最大限度地采集太陽(yáng)能而盡可能少地?fù)p耗。熱傳導(dǎo)所用的媒介液體在接受管中循環(huán)，被加熱到大約750°F(400℃)。在太陽(yáng)能采集場(chǎng)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(dòng)傳統(tǒng)的蒸汽輪機(jī)發(fā)電。熱能量可以儲(chǔ)存在裝有熔鹽的儲(chǔ)罐中，所以在沒有陽(yáng)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(yáng)能集熱場(chǎng)產(chǎn)生蒸汽，與一個(gè)現(xiàn)有的循環(huán)蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合形成混合發(fā)電系統(tǒng)，從而減少對(duì)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(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)——美國(guó)亞利桑那SOLANA太陽(yáng)能電站為例，其總規(guī)模為288MW設(shè)計(jì)發(fā)電量，該電站通過常規(guī)蒸汽輪機(jī)發(fā)電，和所占用的農(nóng)田相比，減少用水約85％。電站“太陽(yáng)能場(chǎng)”覆蓋3平方英里，包括2700臺(tái)槽式集熱器，集熱器規(guī)格約為25英尺寬，約500英尺長(zhǎng)，約10英尺高。其儲(chǔ)熱裝置可保證6個(gè)小時(shí)的無陽(yáng)光發(fā)電。據(jù)悉該項(xiàng)目預(yù)期在2011年投產(chǎn)發(fā)電，APS(亞利桑那電力系統(tǒng))將100％收購(gòu)其所發(fā)電力。提供太陽(yáng)能電力的同時(shí)，SOLANA太陽(yáng)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(yáng)光聚焦反射到安裝在塔頂?shù)慕邮芷?。接受器?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(jìn)一步轉(zhuǎn)化成蒸汽從而驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，其產(chǎn)生的熱能同樣保存在熔鹽罐中。因?yàn)樵谒郊夹g(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(dá)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(jī)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(yùn)行。它的裝機(jī)容量為11MW，包括624面定日鏡，每面鏡子的面積120m²，由各自獨(dú)立的定日追蹤控制系統(tǒng)控制，將太陽(yáng)光反射到塔頂?shù)慕邮芷?，聚光塔?15m。PS10的年發(fā)電量為24GWh。

在場(chǎng)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(yáng)能集熱場(chǎng)產(chǎn)生蒸汽，與現(xiàn)有的循環(huán)蒸汽渦輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合形成混合發(fā)電系統(tǒng)，從而減少對(duì)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(duì)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(yùn)行的裝機(jī)容量大，建設(shè)和投資規(guī)模靈活，可以分期擴(kuò)展，但是由于采用直流發(fā)電、交流逆變并網(wǎng)運(yùn)行方式，電能質(zhì)量不能可靠保證，且由于其逆變?cè)O(shè)備的自保護(hù)功能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障需要電源支撐時(shí)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(shí)間性較強(qiáng)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_(dá)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(shì)，因?yàn)槠洳捎贸Ｒ?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(chǎng)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(rèn)真規(guī)劃、成功實(shí)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(jī)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(dá)到一定規(guī)模才能實(shí)現(xiàn)投資效益，技術(shù)的普及程度低于光伏發(fā)電，對(duì)水源有要求，建設(shè)周期長(zhǎng)，系統(tǒng)的靈活擴(kuò)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(shí)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。