太阳能发电

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  摘要 介绍了太阳能发电的现状及其发电技术。分别介绍了太阳能热力发电和太阳能光伏发电。介绍了聚光式和聚热式两种热能系统。详细阐述了太阳能光伏发电的原理并介绍太阳能光伏发电系统的独立运行、并网运行和混合型三种运行方式。
  关键词 太阳能热发电太阳能光伏发电热能系统
  
  0 引言
  
  当前,人类面临三大全球性危机:能源危机、经济危机、环境危机。传统的火电厂需消耗大量煤等可燃性非再生资源,一方面加重能源危机,另一方面由于排放大量CO2、SO2等大气污染性气体,也严重污染了环境。电能作为一种二次能源,可以由多种能源转换而来。不管从资源的数量、分布的普遍性,还是从清洁性、技术的可靠性来看,太阳能都有其优越性。太阳能发电方式有:太阳能热力发电、太阳能光伏发电。其中太阳能光伏发电是研究重点。
  
  1 太阳能热力发电
  
  将吸收的太阳辐射热能转换成电能的发电技术称为太阳能热力发电。热力发电系统一般包括聚光集热系统、热传输系统、蓄热储能系统、辅助能源系统、发电系统。聚光集热系统聚集太阳能后,经过热传输系统将热能传递给热机,并由热机产生动力,带动发电机发电。蓄热系统是太阳能发电系统中必不可少的组成部分,因为太阳能热发电系统在早晚和白天云遮间歇的时间内,都必须依靠储存的太阳能来维持正常运行。在夜间和阴雨天,一般启动辅助能源系统维持电站运行。
  入射到地球表面的太阳能是分散的,必须把太能光集中在一起使之发挥热能效应,称为热能系统。目前常用的有两种方法:一种是将太阳光集中在一起,称为聚光式;另一种是直接利用太阳热能,称为聚热式。塔式、槽式和盘式等太阳能热发电技术采用的是聚光式,而太阳池等热发电技术采用的是聚热式。
  聚光式系统的集热部分由聚光器、跟踪定位器、吸收器构成;传输部分由管道和介质构成,介质一般是空气或水;储热部分用来保证发电的连续性,介质多为熔盐。
  太阳池发电属于聚热式发电系统。太阳池实质上是一个含盐量具有一定浓度的盐水池。太阳池热发电技术是利用含盐的水,在太阳光的照射下因含盐的梯度不同而产生不同的温度梯度来驱动汽轮机发电。池的上部是一层较轻的新鲜水,底部是较重的盐水。上层清水和底部盐水之间具有以低昂厚度的非对流层,起着隔热层的作用。入射到太阳池表面的太阳肤色,红外部分在近表面几毫米以内的层中被吸收。太阳光的可见光和紫外线部分透过清水被池的深色底部吸收。池底部的盐水被太阳能加热后,水开始膨胀上升,若膨胀所产生的浮力还不足以扰乱池内盐浓度梯度的稳定性,则可有效地一直和消除因浮力而可能引起的池水混合的自然对流趋势。这样,贮存在底部的能量只有通过传导才能向外散失。
  太阳热发电技术,除盘式发电系统外,都属于大规模发电系统,只有做成几十到几百兆瓦级的发电站,成本才可能降下来。而槽式发电系统技术上最为成熟,且其跟踪机构比较简单易于实现,总体成本最低。太阳能热发电系统要实现的是低成本的投资和技术上的高可靠性运行。这就要求未来在技术上要进行新型集热材料的研究和开发,快速提高跟踪机构的技术并降低其实现成本。
  
  2 太阳能光伏发电
  
  2.1 太阳能光伏发电系统的组成
  太阳能光伏发电是通过太阳能电池吸收太阳光,将太阳的光能直接变成电能输出。太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池(组)组成。如输出电源为交流220V或110V,还需要配置逆变器。
  太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。太阳能电池的原理是太阳能电池内部存在P-N结,当P-N结处于平衡状态时,在P-N结处形成耗尽层,存在由N区到P区的势垒电场。当太阳光入射的能量大于硅禁带宽度的时候,射入电池内部的太阳光子,把电子从价带激发到导带,产生一个电子一空穴对。电子一空穴对随即被势垒电场分离,电子和空穴被分别推向N区和P区,并向P-N结交接面处扩散,当到达势垒电场边界时,受势垒电场的作用,电子留在N区,空穴留在P区,形成内建电场。而由于内建电场的作用,N区中的空穴和P区中的电子被分别推向对方区域,使N区积累了过剩的电子,P区积累了过剩的空穴,即在P-N结两侧形成了与势垒电场方向相反的光生电动势,当接入负载后,就会产生电流流出。
  


  太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态,并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿的功能。蓄电池的作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来,到需要的时候再释放出来。在并网太阳能发电系统中,可不加蓄电池组。太阳能的直接输出一般都是12V(Dc)、24V(DC)、48V(Dc)。为能向220V(AC)的电器提供电能,需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能,因此需要使用DC-AC逆变器。
  
  2.2 太阳能光伏发电系统的运行方式
  太阳能光伏发电系统的运行方式可以分为三种基本类型:独立运行、并网型和混合型。
  (1)独立运行光伏发电系统
  独立运行光伏发电系统见图1 。
  独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置,主要用于无电网的边远地区及人口分布分散地区。由于必须配置蓄电池储能装置,所以整个系统造价较高。
  (2)并网型光伏发电系统
  并网型光伏发电系统见图2。
  在有公共电网的地区,光伏发电系统一般与电网连接,这要求逆变器具有同电网连接的功能。并网型光伏发电系统可以将电网作为自己的储能单元,因此可以省去蓄电池,这使得造价大幅度降低,同时还具有更高的发电效率和更好的环保性能。
  (3)混合型光伏发电系统
  混合型光伏发电系统见图3。
  独立运行的光伏发电系统供电保证率设计得太低,无法满足和保证用户的用电要求;提高供电保证率,则势必要增加系统中光电阵列的容量和蓄电池的容量,这将大幅度增加系统的造价和成本。为解决此问题可以在系统中增加一台发电机组,当光电阵列发电不足或者蓄电池容量不足,所存储的能量已经耗尽时,可以动用备用发电机组。它既可以用来直接给交流负载供电,又可以通过一台整流器给蓄电池补充充电。
  
  
  3 结束语
  
  虽然目前太阳能发电的基本技术已经比较成熟,太阳能产业也已初步形成,但由于太阳能发电受天气影响很大、发电系统效率较低、初期投资高,所以至今还未实现大规模产业化。将太阳能发电技术与其它发电技术互补利用,将是太阳能发展的趋势,其中风、光系统最为常见,这主要是因为这两种资源都是取之不尽的清洁能源,而且风力资源与太阳光资源具有较好的互补特性:没有太阳的时候经常有风,没有风的时候常常有太阳。
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