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太陽能光伏與光熱發(fā)電對(duì)比簡析

陳麗，付穎

（江西廣播電視大學(xué)，江西南昌330046）

摘要：太陽能的利用目前主要分為光伏和光熱兩大類別。兩者發(fā)電的原理不同，系統(tǒng)形式有較大的區(qū)別；兩者產(chǎn)生的電流形式不同，并網(wǎng)要求不同；它們之間最重要的區(qū)別是儲(chǔ)能方面的不同。這兩種技術(shù)發(fā)展的不同，使得兩者適合的發(fā)電方式、地區(qū)也有所區(qū)別。它們有各自的優(yōu)勢和發(fā)展前景，長遠(yuǎn)看來應(yīng)該是互補(bǔ)的關(guān)系，將共同承擔(dān)未來世界能源消費(fèi)格局。

關(guān)鍵詞：光伏；光熱；對(duì)比

太陽能無疑是目前地球上可以開發(fā)的最大可再生能源。根據(jù)對(duì)到達(dá)地球上的太陽輻射能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化形式的不同，太陽能的利用可以分為光伏和光熱兩大類別。［1］

截至2013年底，全球已裝機(jī)光伏發(fā)電達(dá)到135GW，目前仍以每天約100MW的速度增加，這主要是受益于光伏發(fā)電成本在過去五年的大幅削減、光伏市場的崛起和分布式光伏發(fā)電的顯著增長等因素影響。目前全球僅有約4GW太陽能熱發(fā)電裝機(jī)規(guī)模，主要是由于低成本光伏和頁巖氣的競爭壓制了光熱發(fā)電裝機(jī)的增長，同時(shí)部分市場并不特別需要光熱這種靈活可調(diào)但略顯昂貴的電力。但當(dāng)光伏裝機(jī)達(dá)到一定的較高份額后，對(duì)光熱這種可在晚間持續(xù)供電的技術(shù)的需求就會(huì)顯著增加。［2］光熱的能量存儲(chǔ)是十分高效的，比電能存儲(chǔ)要廉價(jià)的多，這也是光熱發(fā)電的最大競爭優(yōu)勢。

本文主要通過對(duì)比介紹分析的方法，介紹了光伏發(fā)電與光熱發(fā)電在原理、系統(tǒng)形式、能量轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)能方式、工程特性、環(huán)境、土地利用等多個(gè)方面的區(qū)別與聯(lián)系，表明光伏和光熱發(fā)電兩種技術(shù)雖然有時(shí)存在競爭關(guān)系，但事實(shí)上這兩種技術(shù)是相互聯(lián)系依存的。

一、原理對(duì)比

光伏發(fā)電是指利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)原理，通過太陽能電池將太陽光能直接轉(zhuǎn)化成電能的一種技術(shù)。而太陽能光熱發(fā)電（也稱聚光太陽能發(fā)電CSP），是指利用大規(guī)模陣列拋物或碟形鏡面收集太陽熱能，通過換熱裝置提供蒸汽，結(jié)合傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)的工藝，從而達(dá)到發(fā)電的目的。

二、系統(tǒng)形式對(duì)比

光伏發(fā)電主要分為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)（圖1）、獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)（圖2）。［3］

并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電是指太陽能光伏發(fā)電連接到國家電網(wǎng)的發(fā)電的方式，成為電網(wǎng)的補(bǔ)充，典型特征為不需要蓄電池。

獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電是指太陽能光伏發(fā)電不與電網(wǎng)連接的發(fā)電方式，典型特征為需要用蓄電池來存儲(chǔ)夜晚用電的能量。

圖1　并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖2　獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)

一般來說，太陽能光熱發(fā)電形式有槽式、塔式、碟式（盤式）三種系統(tǒng)。

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)全稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，是將多個(gè)槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過串并聯(lián)的排列，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

塔式系統(tǒng)是利用眾多的定日鏡，將太陽熱輻射反射到置于高塔頂部的高溫集熱器(太陽鍋爐)上，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽，或直接加熱集熱器中的水產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

碟式系統(tǒng)利用曲面聚光反射鏡，將入射陽光聚集在焦點(diǎn)處，在焦點(diǎn)處直接放置斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電。

三種系統(tǒng)原理及使用示意圖如下圖3所示。

圖3　太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)原理及使用示意圖

三、能量轉(zhuǎn)換對(duì)比

光伏發(fā)電僅需經(jīng)過光電一次轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的是直流電，而太陽能光熱發(fā)電則需要經(jīng)過光到熱再到電的二次轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生的是和傳統(tǒng)的火電一樣的交流電，與傳統(tǒng)發(fā)電方式和現(xiàn)有電網(wǎng)的匹配性更好，可直接上網(wǎng)。

光熱發(fā)電的二次轉(zhuǎn)換，增加了系統(tǒng)集成的難度，但熱量發(fā)生作為光熱熱電站運(yùn)行的一個(gè)中間環(huán)節(jié)，也擴(kuò)大了光熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。比如，可以利用其產(chǎn)生的過熱蒸汽與傳統(tǒng)的燃煤電站、燃?xì)怆娬净蛏镔|(zhì)發(fā)電廠進(jìn)行混合發(fā)電；也可以將其產(chǎn)生的熱作為副產(chǎn)品用于海水淡化、工業(yè)用熱、空調(diào)等領(lǐng)域。

四、儲(chǔ)能方式對(duì)比

光伏發(fā)電和光熱發(fā)電之間最為重要的差別，在于各自在能量儲(chǔ)存方式上的差異。由于光伏發(fā)電是由光能直接轉(zhuǎn)換為電能，因此其多余的能量只能采用電池儲(chǔ)存，其技術(shù)難度和造價(jià)遠(yuǎn)比太陽能光熱發(fā)電中僅需儲(chǔ)熱要大得多。儲(chǔ)能方式使光熱發(fā)電具備調(diào)峰的功能，而儲(chǔ)能對(duì)于彌補(bǔ)太陽能發(fā)電的間歇性，以及對(duì)電網(wǎng)的調(diào)峰能力，具有非常重要的意義。因此，易于對(duì)多余的能量進(jìn)行儲(chǔ)存，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的發(fā)電和調(diào)峰發(fā)電，是太陽能熱發(fā)電相對(duì)于光伏發(fā)電的一個(gè)最為重要和明顯的優(yōu)勢。［4］

五、工程特性對(duì)比

在工程技術(shù)和安裝上，光伏發(fā)電的全部光電轉(zhuǎn)化都已經(jīng)被完整地包含在一個(gè)模塊當(dāng)中，功能獨(dú)立，因此非常適合分散式發(fā)電。光伏發(fā)電的集中式發(fā)電，也是基于對(duì)數(shù)目眾多的太陽能電池模塊的疊加效應(yīng)，是對(duì)單塊電池的拼裝和連接。一旦電池出廠，就已經(jīng)是功能獨(dú)立的運(yùn)行單元，后期的現(xiàn)場安裝和維護(hù)都相對(duì)簡單。所以產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)在于對(duì)單片的太陽能電池的制造技術(shù)的開發(fā)上。

而太陽熱發(fā)電技術(shù)，除了斯特林（碟式）本身因?yàn)橛蓄愃朴诠夥哪K化的特點(diǎn)以外，其它三種光熱方式缺乏用作分布式小型發(fā)電的優(yōu)勢，更適合于大型的集中式發(fā)電，其經(jīng)濟(jì)性也只有在大規(guī)模的集中發(fā)電中才能夠體現(xiàn)出來。在太陽能熱發(fā)電技術(shù)中，雖然所使用的材料都只是一般的常規(guī)材料，諸如玻璃和鋼材，但系統(tǒng)集成更具工程性，現(xiàn)場安裝和施工都相對(duì)復(fù)雜，并且對(duì)于整個(gè)項(xiàng)目的成功至關(guān)重要。如鏡場的支架，乃至調(diào)試等，甚至是經(jīng)驗(yàn)也起著非常關(guān)鍵的作用。

因此，光伏發(fā)電主要應(yīng)用于分布式發(fā)電，而光熱發(fā)電則較多用作集中式發(fā)電。

六、環(huán)境方面對(duì)比

一是環(huán)境污染方面。目前常見的太陽能電池在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生各種可能的污染物(如粉塵、煙氣、納米顆粒和化學(xué)氣體的尾氣產(chǎn)物等)，對(duì)環(huán)境和操作人員都會(huì)產(chǎn)生不良影響，但短時(shí)間內(nèi)其生產(chǎn)依然擺脫不了高污染與高能耗。［5］相比較而言，太陽能光熱發(fā)電站的建造和維護(hù)對(duì)環(huán)境的影響小、污染少。

二是環(huán)境溫度影響方面。環(huán)境溫度升高會(huì)使光伏電池的輸出功率下降，但環(huán)境溫度越高，光熱的集熱效率則越高。因此，光熱發(fā)電更適合于氣溫較高的地區(qū)，光伏發(fā)電則更適合于氣溫較低的地區(qū)。

七、土地利用方面對(duì)比

太陽能輻射到地球上的能量密度低，使得單位土地面積的太陽能利用率就成為了衡量光熱發(fā)電和光伏發(fā)電電站投資可行性的重要參數(shù)。［6］

首先，有人對(duì)美國加州12個(gè)5MW到500MW的光熱電站項(xiàng)目（除一個(gè)為菲涅爾電站外，其余均為槽式或塔式）進(jìn)行了評(píng)估計(jì)算，其平均的單位土地電力輸出為39.47MW/k㎡；對(duì)5個(gè)同樣位于加州的光伏電站進(jìn)行測算，其平均的單位土地電力輸出為32.53MW/k㎡。這表明光熱發(fā)電的單位土地利用率相對(duì)更高些。

其次，考慮土建投資和土地利用率的另外一個(gè)方面是項(xiàng)目對(duì)土地形狀、傾斜度的要求。光熱電站中，不論是槽式和菲涅爾的反光鏡還是塔式的定日鏡，都對(duì)聚焦精度要求較高，土地如果不夠平整則對(duì)聚焦精度影響較大，因此光熱電站對(duì)土地斜率和平整度的要求就較高；而光伏電站對(duì)項(xiàng)目用地的幾何形狀沒有過多要求。

下表1列出了光熱發(fā)電與光伏發(fā)電技術(shù)上定量的對(duì)比。［7］

表1　光熱發(fā)電與光伏發(fā)電對(duì)比

綜上所述，我們可以看出：

1.光伏發(fā)電與光熱發(fā)電的原理不同，因此它們的系統(tǒng)形式有較大的區(qū)別。

2.光伏發(fā)電產(chǎn)生的是直流電，如需并網(wǎng)需利用逆變器轉(zhuǎn)換成交流電。而光熱發(fā)電產(chǎn)生的是交流電，可直接并網(wǎng)，雖然經(jīng)過二次轉(zhuǎn)換增加了系統(tǒng)的難度、成本等，但也擴(kuò)大了其技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。

3.兩者之間最重要的區(qū)別在儲(chǔ)能方式上。光伏發(fā)電是儲(chǔ)電，儲(chǔ)存在電池上，而電池技術(shù)目前發(fā)展得并不盡如人意，使用壽命短，損耗大。光熱發(fā)電是儲(chǔ)熱，因此可以通過一些介質(zhì)如溶融鹽，水等材料進(jìn)行熱儲(chǔ)存，使用壽命長，損耗小。

4.模塊化光伏電池組件的成熟發(fā)展與應(yīng)用，使得它非常適合分布式小型發(fā)電。而光熱發(fā)電系統(tǒng)中模塊化技術(shù)的缺少，使得它更適合集中式大型發(fā)電。

5.相對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)，光熱發(fā)電系統(tǒng)更適合溫度較高的地區(qū)，在建造和使用維護(hù)過程中對(duì)環(huán)境的影響小，污染少。同時(shí)，它的單位土地利用率相對(duì)更高些，土地斜率和平整度的要求也較高。

光熱發(fā)電技術(shù)已相對(duì)成熟，產(chǎn)業(yè)化初步形成；光伏發(fā)電技術(shù)已成熟應(yīng)用，未來可能還會(huì)有新的技術(shù)突破，產(chǎn)業(yè)化程度已經(jīng)較高。［8］二者都有各自的優(yōu)勢和發(fā)展前景，并沒有直接沖突。在太陽能發(fā)電發(fā)展比較好的地方應(yīng)該既有光熱發(fā)電系統(tǒng)，又有光伏發(fā)電系統(tǒng)，因此兩者長期來看是互補(bǔ)關(guān)系。未來二者必將共同擔(dān)當(dāng)未來世界能源消費(fèi)格局。

參考文獻(xiàn)：

［1］張桂玲.光伏與光熱發(fā)電齊頭并進(jìn)［J/OL］.www. chinaygny.cn,2011.

［2］高峰.光熱發(fā)電比光伏有更好的前景［J/OL］.中外能源,2011.

［3］陳昊，王綱.太陽能發(fā)電技術(shù)、經(jīng)濟(jì)對(duì)比［J］.環(huán)境教育, 2011,(12):90-92.

［4］陳昊，王綱.太陽能發(fā)電潛力及前景分析［J］.WTO經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊,2012,(2):49-51.

［5］盧蘭蘭，畢冬勤，劉壯，楊春雷，肖旭東.光伏太陽能電池生產(chǎn)過程中的污染問題［J］.中國科學(xué),2013(6):687-703.

［6］侯元元，劉彤，黃裕榮，高子涵，呂華僑.國際太陽能光熱發(fā)電技術(shù)專利情報(bào)研究［J］.科技和產(chǎn)業(yè),2014(8):142-145.

［7］侯元元，夏勇其，黃裕榮，呂華僑.基于專利信息的太陽能光熱發(fā)電技術(shù)競爭態(tài)勢分析［J］.情報(bào)探索,2014(8):54-58.

［8］呂華僑，夏勇其，申崢崢.我國太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)政策解析［J］.電力科技,2014(22):142-143.

責(zé)任編輯：邱美玲

[作者簡介]陳麗（1976—），女，江蘇徐州人，講師，碩士，研究方向：建筑能源、建筑工程管理等。

[收稿日期]2015-3-10

中圖分類號(hào)：TM615

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-3537（2015）02-0090-04