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太阳能发电

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太阳能发电

发布日期:2018-04-19 作者: 点击:

   太阳能的能源是来自地球外部天体的能源(主要是太阳能),是太阳中的氢原子核在超高温时聚变释放的巨大能量,人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。我们生活所需的煤炭、石油、天然气等化石燃料都是因为各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来后,再由埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成。此外,水能、风能、波浪能、海流能等也都是由太阳能转换来的。


太阳能发电

  

  1.背景

  

  能源现状

  

  随着经济的发展、社会的进步,人们对能源提出越来越高的要求,寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。现有电力能源的来源主要有3种,即火电、水电、核电和风力发电。

  

  火电需要燃烧煤、石油等化石燃料。一方面,化石燃料蕴藏量有限、越烧越少,正面临着枯竭的危险;另一方面燃烧将排出二氧化碳和硫的氧化物,因此会导致温室效应和酸雨,恶化地球环境。

  

  水电要淹没大量土地,有可能导致生态环境破坏,而且大型水库一旦塌崩,后果将不堪设想。另外,一个国家的水力资源也是有限的,而且还要受季节的影响。

  

  核电在正常情况下固然是干净的,但万一发生核泄漏,后果同样是可怕的。前苏联切尔诺贝利核电站事故已使900万人受到了不同程度的损害;2011年3月11日13时46分,日本福岛发生9.0级地震,引发震惊国际的福岛核电站事故,造成核电站附近30公里成为无人区;方圆5公里的海洋资源将受到不同程度的影响或是海洋生物变异。

  

  风力发电作为一种清洁的可再生能源,具有广泛的发展前景。风能储量大,广泛发展风力发电是解决中国能源供应不足的有效途径;风力发电属于清洁能源的应用,是减少温室气体排放的有效途径。

  

  理想能源

  

  新能源要同时符合两个条件:一是蕴藏丰富不会枯竭;二是安全、干净,不会威胁人类和破坏环境。找到的新能源主要有两种,一是太阳能,二是燃料电池。

  

  太阳能屋顶发电站(2)

  

  21世纪内太阳能将成为全球主要能源之一,是最原始的能源,地球上几乎所有其他能源都直接或间接来自太阳能。太阳能是太阳内部或者表面的黑子连续不断的核聚变反应过程产生的能量。太阳能太阳能具有资源充足、长寿,分布广泛、安全、清洁,技术可靠等优点。 由于太阳能可以转换成多种其他形式的能量,因此应用范围非常广泛,在热利用方面有太阳能温室、物品干燥和太阳灶、太阳能热水器等。 经过多年的开发,太阳能发电也得到了长足的发展。

  

  从太阳能获得电力,需通过太阳电池进行光电变换来实现。它同以往其他电源发电原理完全不同。要使太阳能发电真正达到实用水平,一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本,二是要实现太阳能发电同的电网联网。

  

  2.分类

  

  太阳能光发电

  

  太阳能光发电是指无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式。 它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。 光伏发电是利用太阳能级半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能,并使之转变成电能的直接发电方式,是当今太阳光发电的主流。在光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池,目前得到实际应用的是光伏电池。[1]

  

  光伏发电系统主要由太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器组成,其中太阳能电池是光伏发电系统的关键部分,太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳能电池主要分为晶体硅电池和薄膜电池两类,前者包括单晶硅电池、多晶硅电池两种,后者主要包括非晶体硅太阳能电池、铜铟镓硒太阳能电池和碲化镉太阳能电池。

  

  单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右,最高可达23%,在太阳能电池中光电转换效率最高,但其制造成本高。单晶硅太阳能电池的使用寿命一般可达15年,最高可达25年。多晶硅太阳能电池的光电转换效率为14%到16%,其制作成本低于单晶硅太阳能电池,因此得到大量发展,但多晶硅太阳能电池的使用寿命要比单晶硅太阳能电池要短。

  

  薄膜太阳能电池是用硅、硫化镉、砷化镓等薄膜为基体材料的太阳能电池。薄膜太阳能电池可以使用质轻、价低的基底材料(如玻璃、塑料、陶瓷等)来制造,形成可产生电压的薄膜厚度不到1微米,便于运输和安装。然而,沉淀在异质基底上的薄膜会产生一些缺陷,因此现有的碲化镉和铜铟镓硒太阳能电池的规模化量产转换效率只有12%到14%,而其理论上限可达29%。如果在生产过程中能够减少碲化镉的缺陷,将会增加电池的寿命,并提高其转化效率。这就需要研究缺陷产生的原因,以及减少缺陷和控制质量的途径。太阳能电池界面也很关键,需要大量的研发投入。

  

  太阳能热发电

  

  通过水或其他工质和装置将太阳辐射能转换为电能的发电方式,称为太阳能热发电。先将太阳能转化为热能,再将热能转化成电能,它有两种转化方式:一种是将太阳热能直接转化成电能,如半导体或金属材料的温差发电,真空器件中的热电子和热电离子发电,碱金属热电转换,以及磁流体发电等;另一种方式是将太阳热能通过热机(如汽轮机)带动发电机发电,与常规热力发电类似,只不过是其热能不是来自燃料,而是来自太阳能。太阳能热发电有多种类型,主要有以下五种:塔式系统、槽式系统、盘式系统、太阳池和太阳能塔热气流发电。 前三种是聚光型太阳能热发电系统,后两种是非聚光型。 一些发达国家将太阳能热发电技术作为国家研发重点,制造了数十台各种类型的太阳能热发电示范电站,已达到并网发电的实际应用水平。[1]

  

  目前世界上现有的最有前途的太阳能热发电系统大致可分为:槽形抛物面聚焦系统、中央接受器或太阳塔聚焦系统和盘形抛物面聚焦系统。在技术上和经济上可行的三种形式是:30~ 80MW聚焦抛物面槽式太阳能热发电技术(简称抛物面槽式);30~ 200MW点聚焦中央接收式太阳能热发电技术(简称中央接收式);7.5~ 25kW的点聚焦抛物面盘式太阳能热发电技术(简称抛物面盘式)。

  

  聚焦式太阳能热发电系统的传热工质主要是水、水蒸汽和熔盐等,这些传热工质在接收器内可以加热到摄氏450度然后用于发电。此外,该发电方式的储热系统可以将热能暂时储存数小时,以备用电高峰时之需。

  

  抛物槽式聚焦系统是利用抛物柱面槽式发射镜将阳光聚集到管形的接收器上,并将管内传热工质加热,在热换气器内产生蒸汽,推动常规汽轮机发电。塔式太阳能热发电系统是利用一组独立跟踪太阳的定日镜,将阳光聚集到一个固定塔顶部的接收器上以产生高温。

  

  除了上述几种传统的太阳能热发电方式以外,太阳能烟囱发电、太阳池发电等新领域的研究也有进展。

  

  3.发电装置

  

  太阳能发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。太阳能电池组件(Solar cells)是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置,在广大的无电力网地区,该装置可以方便地实现为用户照明及生活供电,一些发达国家还可与区域电网并网实现互补。目 前从民用的角度,在国外技术研究趋于成熟且初具产业化的是"光伏--建筑(照明)一体化"技术,而国内主要研究生产适用于无电地区家庭照明用的小型太阳能发电系统。

  

  太阳能发电系统主要包括:太阳能电池组件(阵列)、控制器、蓄电池、逆变器、用户即照明负载等组成。其中,太阳能电池组件和蓄电池为电源系统,控制器和逆变器为控制保护系统,负载为系统终端。

  

  太阳能电池与蓄电池组成系统的电源单元,因此蓄电池性能直接影响着系统工作特性。

  

  电池单元

  

  由于技术和材料原因,单一电池的发电量是十分有限的,实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统,称为电池组件(阵列)。单一电池是一只硅晶体二极管,根据半导体材料的电子学特性,当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时,在一定的条件下,太阳能辐射被半导体材料吸收,在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场,因而能在光照下形成电流密度J,短路电流Isc,开路电压Uoc。若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载,理论上讲由P-N结、连接电路和负载形成的回路,就有"光生电流"流过,太阳能电池组件就实现了对负载的功率P输出。

  

  理论研究表明,太阳能电池组件的峰值功率Pk,由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷(需电量)决定。

  

  储存单元

  

  太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存,蓄电池的特性影响着系统的工作效率和特性。蓄电池技术是十分成熟的,但其容量要受到末端需电量,日照时间(发电时间)的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的连续无日照时间决定。

  

  控制器

  

  控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近,以获得最高效率。而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即PWM控制方式,使整个系统始终运行于最大功率点Pm附近区域。放电控制主要是指当电池缺电、系统故障,如电池开路或接反时切断开关。目 前日立公司研制出了既能跟踪调控点Pm,又能跟踪太阳移动参数的"向日葵"式控制器,将固定电池组件的效率提高了50%左右。

  

  逆变器

  

  逆变器按激励方式,可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路,一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等,得到与照明负载频率f,额定电压UN等匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。

  

  防反充二极管

  

  太阳能光伏发电系统的防反充二极管又称阻塞二极管,在太阳电池组件中其作用是避免由于太阳电池方阵在阴雨和夜晚不发电或出现短路故障时,擂电池组通过太阳电池方阵放电。防反充二极管串联在太阳电池方阵电路中,起单向导通作用。因此它必须保证回路中有最大电流,而且要承受最大反向电压的冲击。一般可选用合适的整流二极管作为防反充二极管。一块板的话可以不用任何二极管,因为控制器本来就可防反冲。板子串联的话,需要安装旁路二极管,如果是并联的话就要装个防反冲二极管,防止板子直接冲电。防反充二极管只是保护作用,不会影响发电效果。

  

  效率

  

  在太阳能发电系统中,系统的总效率ηese由电池组件的PV转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等组成。但相对于太阳能电池技术来讲,要比控制器、逆变器及照明负载等其它单元的技术及生产水平要成熟得多,而且系统的转换率只有17%左右。因此提高电池组件的转换率,降低单位功率造价是太阳能发电产业化的重点和难点。太阳能电池问世以来,晶体硅作为主角材料保持着统治地位。对硅电池转换率的研究,主要围绕着加大吸能面,如双面电池,减小反射;运用吸杂技术减小半导体材料的复合;电池超薄型化;改进理论,建立新模型;聚光电池等。

  

  4.优势与缺点

  

  太阳能光伏发电具有许多独有的优点:

  

  1、太阳能是取之不尽、用之不竭的洁净能源,而且太阳能光伏发电是安全可靠的,不会受到能源危机和燃料市场不稳定因素的影响;

  

  2、太阳光普照大地,太阳能是随处可得的,太阳能光伏发电对于偏远无电地区尤其适用,而且会降低长距离电网的建设和输电线路上的电能损失;

  

  3、太阳能的产生不需要燃料,使得运行成本大大降低;

  

  4、除了跟踪式外,太阳能光伏发电没有运动部件,因此不易损毁,安装相对容易,维护简单;

  

  5、太阳能光伏发电不会产生任何废弃物,并且不会产生噪音、温室及有毒气体,是很理想的洁净能源。安装1KW光伏发电系统,每年可少排放CO2600~2300kg,NOx16kg,SOx9kg及其他微粒0.6kg;

  

  6、可以有效利用建筑物的屋顶和墙壁,不需要占用大量土地,而且太阳能发电板可以直接吸收太阳能,进而降低墙壁和屋顶的温度,减少室内空调的负荷;

  

  7、太阳能光伏发电系统的建设周期短,而且发电组件的使用寿命长、发电方式比较灵活,发电系统的能量回收周期短;

  

  8、不受资源分布地域的限制;可在用电处就近发电。

  

  任何事物都有其两面性,太阳能光伏发电虽然具有上述的诸多优点,但是也有其缺点:

  

  1、地理分布、季节变化、昼夜交替会严重影响其发电量,当没有太阳的时候就不能发电或者发电量很小,这就会影响用电设备的正常使用;

  

  2、能量的密度低,当大规模使用的时候,占用的面积会比较大,而且会受到太阳辐射强度的影响;

  

  3、光伏系统的造价还比较高,系统成本40000~60000元/kW,初始投资高严重制约了其广泛应用;

  

  4、年发电时数较低,平均1300 h;

  

  5、精准预测系统发电量比较困难。


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