太陽能發電技術發展現狀及展望

潘忠濤++郝軍++王璟

摘 要：光伏發電和光熱發電是目前利用太陽能發電的主要形式，本文介紹了兩種發電形式的發展現狀，分析了各自的優缺點，在此基礎上分析了二者作為環保清潔的綠色能源，是未來具有廣闊發展前景的新能源發電形式。

關鍵詞：太陽能 光伏發電 光熱發電 前景展望

中圖分類號：TM914.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）09（b）-0100-02

太陽能是是地球上所有生物賴以生存的能量源泉，太陽平均每秒向空間放射的能量可達3.865×1026J，而僅約1.75×1017J被地球表面所接收，約占22億分之一[1]，而到達地球表面的太陽能中只有極少一部分被人們利用。

隨著石油、天然氣、煤炭等不可再生能源的不斷消耗，環境問題日益成為人民共同關注的話題，目前我國的SO2排放量已居世界第一位，CO2排放量僅次于美國居第二位。開發利用環保綠色的可再生能源成為解決當今能源問題的必由之路，在諸多的新能源技術中，太陽能是一種無污染、可再生的清潔能源，具有廣闊的發展前景。

利用太陽能發電已經成為利用太陽能的主要形式，目前利用太陽能發電的方式主要有太陽能光伏發電和太陽能聚光光熱發電。

1 光伏發電技術

太陽能光伏發電（photovoltaics，簡稱PV）是利用半導體材料的光生伏特效應，將太陽能直接轉換為電能的一種發電形式。

太陽能電池是利用半導體材料PN結的光生伏特效應，當太陽光照射到電池板表面時，電池板內的電子受到激發，在PN結內建電場的作用下，電子被驅向N區，空穴被驅向P區，電子和空穴的定向移動形成了電流和電位差[2]，把若干個太陽能電池串并聯起來，便可獲得所需的電能。硅基太陽能電池是目前發展最成熟、工業化生產規模最大的太陽能電池[1]。盡管PV是目前利用太陽能發電的主要形式，得到大規模發展，但PV具有以下缺點。

1.1 發電效率低

盡管太陽能是以輻射的形式向空間傳播的，但太陽能電池的性質決定其對太陽光譜的吸收具有選擇性[2]，通常單晶硅太陽能電池只吸收380～1100nm波長范圍內的能量用于發電，其余波段的能量被太陽能電池吸收變成熱能。隨著電池溫度的升高，電池中電子的熱運動加強，能帶間隙降低，開路電壓隨溫度升高而下降，短路電流隨溫度升高而升高，結果使電池的輸出功率隨溫度升高而下降，溫度升高降低了太陽能電池的光電轉換效率。

單晶硅太陽能電池的理論轉換效率約為28.8%，實驗室最高效率達25%，規模化生產的電池效率約17%[1]，目前單晶硅電池實際平均效率約為12%～16%，多晶硅光伏電池效率約為11%～15%，非晶硅光伏電池的效率僅為5%～18%[2]。由于電池的光電轉換效率較低，要增加發電量就要增加電池板的數量，建設成較高，一定程度上制約其發展。

1.2 發電系統的波動性

由于太陽輻射受晝夜交替、季節變化、地理位置的差異存在較大的隨機性和波動性，使得PV的效率受到區域受氣候環境影響大，功率輸出不穩定。另外，大氣透明度、空氣中的顆粒物等附著在電池板表面也對光電轉換產生較大影響。

1.3 電池生產耗能高、污染大

太陽能電池在使用其發電過程中具有“無燃料消耗、無噪聲、無污染”的特點，但在電池的生產環節存在不少高耗能環節，有大量的污染產生。國內從生產工業硅到太陽能電池的全過程綜合電耗約220萬kWh/MW，平均生產1kW的太陽能電池需要10kg多晶硅，耗電5800～6000kWh[3]。

電池生產過程中的副產物SiCl4是一種無色或淡黃色發煙液體，有刺激性氣味，受熱或遇水分解會放出有毒的腐蝕性煙氣。國外每生產1kg多晶硅會產生10～15kg的SiCl4，通過還原處理后排放量仍然高達5～10kg[3]；同時電池板生產過程中大量使用HF、HNO3、POCl3、異丙醇等化學物質，單位產能廢水排放量500～1500m3/MW，廢水中含有大量的F-、COD、TN等污染物。

2 聚光光熱發電技術

太陽能聚光光熱發電（Concentrating Solar Power，簡稱CSP）是又一種利用太陽能發電的形式，CSP是一種利用聚光裝置將太陽光聚集起來以增加太陽輻射能的密度，進而加熱循環介質并產生蒸汽推動汽輪機發電的技術。

與PV相比，CSP可利用全波段的太陽光，也可通過蓄熱實現晝夜連續發電，對電網影響較小[1]，同時CSP也克服了PV中太陽輻射能密度低的缺點。根據聚光方式的不同，太陽能聚光熱發電技術可分為塔式、槽式、菲涅爾和碟式4類熱發電技術。

2.1 槽式熱發電技術

槽式熱發電是通過槽式拋物面反射鏡，將太陽光聚成一條焦線加熱集熱管內的傳熱介質，經過換熱器交換熱量，將收集到的太陽熱能傳遞給動力回路中的蒸汽，進入汽輪機帶動發電機發電。聚光器對太陽輻射進行一維跟蹤，在太陽能不足的情況下可以進行輔助加熱，以保證系統運行的穩定。

2.2 菲涅爾熱發電技術

線性菲涅爾熱發電是利用條狀平面鏡或低曲率鏡面做反射鏡，將太陽光線匯集于集熱管加熱循環介質，產生高溫蒸汽推動汽輪機發電。與槽式熱發電系統類似，但菲涅爾反射鏡一般安裝在接近地面，菲涅爾反射鏡布置密集，易出現反射光線被相鄰鏡面遮擋，以及光線入射到鏡面會產生陰影，導致太陽能收集率低、光電轉換效率低，該技術目前仍處于示范階段。

2.3 塔式熱發電技術

塔式熱發電是通過地面鏡場將太陽輻射聚集到距離地面一定高度吸熱塔的吸熱器上，吸熱器直接接受地面鏡場反射的太陽輻射，吸熱器中的傳熱介質（熔融巖）獲得高溫熱能，再將熱能輸送到蒸汽發生器產生蒸汽推動汽輪機發電。這一系統中，定日鏡以吸熱塔為中心分布在吸熱塔的周圍，要把太陽光準確的反射到吸熱器上，需要對鏡場中每個定日鏡都要進行單獨的二維跟蹤控制，鏡場控制系統復雜，但其聚光效率高，系統發電效率高。隨著技術研發的不斷深入和關鍵技術的不斷突破和建設成本的不斷降低，塔式光熱發電技術會成為未來CSP的主要形式。

2.4 碟式熱發電技術

是利用蝶形反射鏡將太陽光聚集在焦點上，焦點處的接收器收集較高溫度的熱能加熱介質以驅動汽輪機，將熱能轉化為電能。該系統采用雙軸跟蹤方式，聚光比高，相較于前面幾種技術，碟式熱發電系統發展相對緩慢。

3 結語

雖然太陽能綠色無污染，但太陽能的能流密度低，且受氣候的影響不穩定、不連續，同時太陽電池轉換效率低，限制了PV電池的進一步發展。但隨著技術進步，PV會不斷向縱深方向發展，STPV是又一種PV的新途徑，與PV比較，其輻射能量密度由無聚光PV的0.1W/cm2變為聚光STPV的5～30W/cm2。另外，STPV除獲得電能，還得到了熱能，進一步提高了太陽能的利用效率，具有廣闊的發展前景。

CSP可實現連續發電，機組可以實現24h不間斷的穩定運行，可按照電網要求輸出有功和無功，滿足電網負荷調峰的要求，這是PV無法比擬的。隨著技術的日臻成熟，新型聚光器、吸熱器等核心設備性能的革新，CSP會成為未來新能源發電的主要形式，CSP會成為一種大規模電力供應的補充方式，具有廣闊的發展前景，必然會得到大規模的發展。

參考文獻

[1] 張艷梅.基于碟式的太陽能二次反射及其分頻系統的數值模擬和實驗研究[D].杭州：浙江大學，2013.

[2] 王剛.太陽能利用中的熱物理基礎理論及實驗研究[D]. 合肥：中國科學技術大學，2012.

[3] 郭丹.太陽能發電現狀及環境效應分析[J].電子制作， 2013（23）：82.endprint