[科普中国]-太阳能发电厂

简介

太阳能是全球主要能源之一。中国是太阳能资源丰富的国家之一。太阳能是最原始的能源，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，因此应用范围非俗广泛。

太阳能发电主要有两种方法。一种是将太阳能转换为热能。然后按常规方式发电，称为太阳能热发电。另一种是通过光电器件利用光生伏打原理将太阳能直接转换为电能，称为太阳能光伏发电3。

在热利用方面有太阳能温室、物品干燥和太阳处、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。太阳能发电主要有太阳能光发电和太阳能热发电两种基本方式。不通过热过程直接将太阳的光能转换成电能的利用方式称为太阳能光发电，目前得到实际应用的是光伏电池。太阳能热发电是将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置。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1。

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。目前世界上现有的员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。

热发电系统当前太阳能热发电按照太阳能采集方式可划分为：太阳能槽式发电、太阳能碟式发电、太阳能塔式发电。

(1)太阳能槽式发电。

槽式发电是最早实现商业化的太阳能热发电系统。它采用大面积的单轴槽式太阳能追踪采光板，通过对太阳光的聚焦。把太阳光聚集到安装在抛物线形反光镜焦点上的线形接收器上。并加热流过接收器的热传导液．使热传导液汽化。同时在能量区的热转换设备中产生高压、过热的蒸汽。然后送人常规的蒸气涡轮发电机内进行发电。通常接收太阳光的采光板采用模块化布局，许多采光板通过串并联的放置，均匀的分布在南北轴线方向。

(2)太阳能碟式发电。

碟式发电是目前利用太阳能发电效率最高的太阳能发电系统。最高可达到29．4%。因此它有潜力成为最廉价的利用太阳能发电的系统。它利用双轴跟踪技术，采用一组反光镜聚集太阳光，同时利用接收器进行有效地热转变工作．之后利用常规发电机进行发电。通常接收器的接收面被放置于聚光焦点的后面以减小激烈的高温熔化。碟式发电系统具有高效率、多功能、可和化石燃料混合发电等特点。高效率来自于它的低成本和高能量密度。

(3)太阳能塔式发电。

太阳能塔式发电又叫做高温太阳能热发电。它利用独立跟踪太阳光的定日镜群把太阳光聚集到塔顶的能量转换器(接收器)上，通过能量的转换把热量传递给热传导液。再由蒸汽发生器产生蒸汽带动蒸汽涡轮发电机产生电能．同时利用玲却塔进行冷却再进人接收器进行循环发电。塔式太阳能发电系统是利用定日镜来实现对太阳光的反射和聚集，由于塔式发电系统中定日镜的数量众多．因此可实现大功率的发电。实际应用中可达到30—400Mw之间。而且接收器的散热面积相对较小，因而可以得到较高的光电转换效率。同时由于储能槽的加入，使系统可以一天内连续发电13小时3。

太阳池发电简单地说，太阳池是一种池内水加盐使对流受到抑制的太阳能集聚工程。它可以兼作太阳集热器和储热器，并且构造简单，操作方便，宜于大规模开发，所以近年来得到快速发展。

太阳池发电的突出优点，一是建造发电站的成本较低，几乎无需使用价格昂贵的不锈钢、玻璃等材料，只需要一处浅水池和发电设备即可；二是由于它能够储存大量的热能，再利用池中特定介质汽化后相互对流产生的能量推动气轮机运转发电，所以对光照的强度要求不高，即便是在夜晚和阴雨雪天也能照常进行工作。太阳池的应用也有一定的局限性：一是在高纬度地区，只能水平设置的太阳池接收的太阳辐射较少；二是在某些有地下流动含水层的地区，如果太阳池发生泄露，会造成水泥污染和严重的热损失；三是大型太阳池只能建造在土壤贫瘠又无矿藏的地区，以免占用耕地，影响开矿以及引起生态环境和地球物理方面的变化。除上述方法外，还有太阳能热离子发电、太阳能磁流体热发电、太阳能海水温差发电等。海水温差发电等。

太阳能斯特林发电作为碟式系统的抛物面，斯特林系统是由许多镜子组成的她物面反射镜组成，接收器在抛物面的焦点上，把收集到的600~2000℃的热源引到斯特林发动机内，把传热工质加热到750℃左右，最后驱动发电机进行发电。又因为太阳能聚光器和斯特林发动机能非常好的结合产生电能，其将太阳能转换为电能的净效率可达29.4%，所以所特林循环在相同的运行温度范围内是所有太阳能发电中效率最高的。而像自由活塞式的斯特林发动机，作为一种外燃的、封闭循环住复式热力发动机，它的运动部件间没有机械连接，无须润滑、密封简单，被其带动的微型热电共生器既生电又生热。这种技术有几个优势，一是能量转换效率高，二是机器非常"安静”，三是寿命长，四是非常环保，完全燃烧后只产生很少一点氧氮化物和一氧化碳，内燃机在这方面远不能与它相比1。

太阳能光伏发电工作原理

太阳能光 伏发电系统是利用 以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。
白天，光伏电池组件接收太阳光后，其半导体内产生电极性相反的电子一 空穴对 (即光生载流子) ，这些载流子被半导体P-N 结所产生的静电场分离 ，并分别被光伏电池的正 、负极所收集 。同时在外电路中产生电流 ，从 而获得电能 。 这些电能一部分供给直流或交流负载工作，另一部分多余的 电量可通过 防反充二极管给蓄电池组充电 。在夜晚或 阴 雨 天 。光伏电池组件无法工作时，蓄电池组供给直流或交流负载工作4。

系统组成

太阳能光伏发电系统主要由光伏电池组件、光伏系统电池控制器、蓄电池和交直流逆变器构成，核心元件是光伏电池组件。

光伏电池组件：将太阳的光能直接转化为电能。

交直流逆变器：用于将直流电转换为交流电的装置。此外逆变器还具有自动稳压功能，可改善光伏发电系统的供电质量。

蓄电池：用于存储从光伏电池转换来的电力，按照需要随时释放出来使用。

充放电控制器：具有自动防止太阳能光伏电源系统的储能蓄电池组过充电和过放电的设备，它是光伏发电系统的核心部件之一2。

光伏发电的优点

光伏发电的优点充分体现在以下几个方面：

(1) 太阳能资源取之不尽，用之不竭。照射到地球上的太阳能要比人类目前消耗的能量大6000倍。

(2) 绿色环保。光伏发电本身不需要燃料，没有二氧化碳的排放，不污染空气，不产生噪声。

(3) 应用范围广。只要有光照的地方就可以使用光伏发电系统。

(4) 使用寿命长、维护简单、可靠性高。晶体硅太阳能电池寿命长达20—35年；由于无机械转动部件，操作
维护简单，可靠性高，加之现在均采用自动控制技术，基本不用人工操作。

(5) 太阳能电池组件结构简单，体积小且轻，便于运输和安装，光伏发电系统建设周期短。

(6)系统组合容易。若干太阳能电池组件和蓄电池单体组合成为系统的太阳能电池方阵和蓄电池组；逆变器、控制器也可以集成。

所以光伏发电系统可大可小，极易组合、扩容2。

传统的燃料能源正在一天天减少，能源问题已经成为不容忽视的全球性问题。寻找新能源，已经成为当务之急。很快人们就把目光聚焦在了身边的可再生能源，风能、太阳能、地热、生物质发电……这些新能源都成为替代传统一次性能源的新目标。而每天丰富的太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的，无污染，廉价，是人类能够自由利用的能源，成为最先纳入人们视野的最佳选择。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，如果把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率为5%，每年发电量可达5.6×1012万千瓦时5。

太阳能电池生产

太阳电池能将太阳能转换成直流电能，太阳电池的生产是光伏产业链中最关键的一环。目前世界上应用最广泛的太阳电池是晶体硅太阳电池，而生产晶体硅太阳电池的原材料——高纯度多晶硅在我国却极度短缺，绝大部分需要依赖进口6。

据中国工程院的专家调查，2005年我国对多晶硅的需求量为3800吨，其中光伏产业需求2691吨，而2004年我国多晶硅的产量只有60吨，即使全部供应光伏产业，也仅是市场需求的2.6%，其余只能依赖进口。从而形成了中国光伏产业著名的“两头在外”现象：九成以上的原材料依赖进口，九成以上的产品出口。表面上原因是太阳能电池成本过高，暂不适于国内广泛应用。而造成这一现象直接原因在于技术跟不上，原材料受控。

光伏电池

太阳能光伏电池的制造链为：石英砂——多晶硅——切割变为硅片（或者变为单晶硅）——电池以及电池组件（单个电池片无法发电），再将组件组合，最后安装在工程项目上用于发电。 跨国公司垄断的产品，恰恰就是多晶硅。全球的七大公司，几乎控制了所有的高纯度多晶硅销售和制造，他们既不合作、也不合资，技术完全封闭6。

事实上，多晶硅的上游原材料石英砂在我国并不缺乏。不少海外的多晶硅公司都从中国直接采购。但中国企业对于硅的提纯技术，一直毫无进展。上世纪90年代，国内有40多家小型公司都在研究多晶硅技术，但就是没有一家公司可以承担大型的多晶硅生产。技术瓶颈无法突破，处处毕将受制于人，所以即使有原材料无技术，也只能成为廉价的国外环保产业加工厂。从而也导致了我国太阳能产业裹足不前。太阳能电池发电的成本与传统的煤炭发电成本比，目前太阳能发电的上网电价则约为3.5元/千瓦时，是普通发电机组上网电价的10倍左右，如此高昂的费用，显然没有普及的可能6。

国外现状德国

巴伐利亚州将建成大型太阳能发电场

太阳能发电技术位居世界前列的德国，在巴伐利亚州法兰哥尼亚地区的阿恩施泰因建成大型的太阳能发电场，其发电功率为12.4兆瓦，可以同时满足3500户家庭的用电需要。

这座太阳能发电场占地77公顷，将拥有1500套太阳能发电装置。它由两家私人企业联合策划，建成后发电功率是目前世界上最大的5兆瓦风力发电站的两倍多。这两家企业计划完全通过私人购买的方式，筹集建场所需的7500万欧元。个人购买套太阳能发电装置的需要先投资1.44万欧元。据调查，这种集资建太阳能发电场的全新途径在德国有着广阔的发展前景。

生产可再生能源的现代科学技术在德国一直广受欢迎。德国环境部委托该国Forsa市场调查机构于2005年5月初进行调查，调查结果显示，接近62%的德国人认为应该增加在可再生能源方面的投入。大部分受访者支持利用风力发电，并赞同努力在未来20至25年内实现。利用海上风力发电站，可满足该国15%的电力需求。

在未来20年至30年内，太阳能是另一个将获得长足发展的能量来源。调查结果还显示，有85%的德国民众将太阳能视为替代传统能源的理想选择。

日本

自家发电还能卖给政府

1973年第一次石油危机的爆发对日本产生了重大影响，石油危机终结了日本经济高速增长的时代。此后，日本政府提倡节省能源，加强新能源开发，放宽能源限制，大力开发新能源，采用太阳能、风能、燃料电池、氢能、超导能等。日本正在极力谋求多角度、全方位的能源安全措施，通过这些努力来保护环境，构筑新层次的可持续发展的社会。在替代能源和节能技术的研发上，日本舍得投入，力图确保未来能源科技的制高点，推出"新阳光计划"，每年拨款570多亿日元研究再生能源技术、能源输送与储存技术等。

在日本，太阳能发电是非常普及的。在家庭方面，太阳能发电普及的难点就是费用非常高。购买太阳能发电装置的费用能否比电费合算是关键，这在以前也是做不到的。当时的太阳能发电装置很难卖出去，正是因为卖的数量少，所以不能大规模批量生产。

现在，家庭购买这种装置，一半的费用由政府来补贴，所以现在卖出去的越来越多，价格也随之降低了。据了解， 10年前，日本3千瓦的发电设备价格约为600万日元，这大概够交几十年的电费，而现在的市场价格降低了一半。折合成人民币，约从40万元降到了20万元左右。

在日本使用太阳能发电装置还有一个独特的好处：白天不用电，而是发电卖给电力公司或者政府，而后者也积极收购，这样得到的收入可以用来抵消部分电费。根据统计资料可以看到一个有意思的情况--在普及了太阳能发电装置的家庭，节电工作反而做的更好7。

经过多年的苦心经营，日本成为世界上能源利用效率最高的国家之一（为美国的2.75倍）。日本的太阳能技术全球独领风骚，2002年日本的太阳能发电量占全球总量的46%。

韩国

2006年将建设世界最大太阳能电厂

韩国全罗南道政府日前称，他们将于4月份与美国公司一起建设世界最大太阳能电厂，每小时发电17兆瓦。

该电厂发电量远远超过德国同类型电厂每小时5兆瓦发电量，目前属世界最大的太阳能发电厂。

早些时候，全罗南道政府与美资全资拥有的Kore集团达成项目协议，该项目注入外资1．5亿美元。

该协议是根据地区政府与美国公司2004年谅解备忘录（MOU）在朝鲜半岛木浦市建设太阳能发电厂。MOU明确Kore集团为项目提供资金并实施监督。

以色列

立法推动太阳能开发

众所周知，以色列是一个日照充足、太阳能资源条件较好的国家，在太阳能利用技术的研究与开发方面，不但受到政府主管部门、研究机构和企业的高度重视，同时，还与美国、欧洲、澳洲等国家和地区有广泛的合作关系，从而使以色列在此领域一直处于世界领先行列。

一座占地1000英亩、发电功率为50万千瓦的世界最大的太阳能发电厂，将在以色列南部内盖夫沙漠中建设。该太阳能电厂一期发电能力将达10万千瓦，到2012年工程全部完工时，发电能力将达到50万千瓦，发电量约占以全国电力生产的5% 。长期以来，以色列一直重视对太阳能技术的研究与开发，国内著名的研究机构在太阳能开发技术领域取得了许多重要成果，使以色列在开发和利用太阳能技术方面保持世界领先水平。但由于太阳能发电成本居高不下，极大地制约着以色列太阳能的开发和利用。这座电站是以色列的第一座太阳能电站。

缺乏常规能源的以色列是惟一在法律上规定民用建筑必须安装太阳能热水器的国家，因此，以色列太阳能热水器的普及率高达90%，人均使用太阳能热水器面积居世界首位。

沙漠能源

据报道，欧盟科学家近日提议在非洲撒哈拉沙漠建立太阳能发电厂，主要系看好沙漠地区阳光充裕，太阳能发电效能比起北欧强3倍，科学家认为，只要能补捉到撒哈拉沙漠0.3%阳光， 便足够供应整个欧洲用电需求，整个计划约需357亿英镑，而在沙漠建筑太阳能电厂面积与英国韦尔斯(Wales)面积接近。 尽管欧洲市场受各国太阳能奖励补助不同而使得需求跟着波动，但欧盟科学家近日提议却可望再创一波需求高峰，欧盟科学家建议斥资357亿英镑，在非洲撒哈拉沙漠建造太阳能发电厂，预估将可供应整个欧洲所需电力，而该项提议更获得英国首相布朗及法国总理萨科齐支持。

科学家预估，若该计划得以快速落实，预估2050年前该电厂便能产生1,000亿瓦(100GWp)电力，由北非输往全欧电缆成本，预估未来40年约需10亿欧元，若再搭配英国和丹麦风力发电、冰岛与意大利地热发电等，全欧洲有用之不竭的干净再生能源电力网络，该项提议也获得英国首相布朗及法国总理萨克齐的支持。

太阳能业者表示，比起依赖欧洲各国政府不同的补助政策，以及考虑到不同日晒度问题，在撒哈拉沙漠建立太阳能发电厂，可快速落实解决传统能源短缺及成本不断提升问题，若该项提议通过，全球太阳能业者均可望因为需求带动再次受惠，例如在欧洲市场深耕的茂迪、益通及昱晶等，预估均可快速感受到该项需求。

主宰全球太阳光电绝大多数需求的欧洲市场，虽然受到西班牙于2008年9月结束首波优惠补助案，以及德国2009年开始由5%年降幅补助调至8%降幅，使得市场对于欧洲市场需求存疑虑，但瑞士近期开始像德国、法国和西班牙一样，通过对可再生能源电力进行补贴，期限长达20—25年，计划每5年审议一次实施情况8。