哈尔滨工业大学 能源工程学院 余红兵 09SG02006
随着化石能源日趋紧缺和环保压力不断加大，各国都在积极探讨新能源、可再生能源特别是太阳能。由于太阳能具有储量的无限性、存在的普遍性、利用的清洁性和逐渐显现的经济性等优势，使其成为人类最为理想的替代能源。因此，研究和开发太阳能发电已成为世界各国实现可持续发展的能源战略决策。太阳能发电分热发电和光伏发电两种基本形式，近年又形成若干个分支，以异乎寻常的速度得到快速发展。
一、太阳能槽式热发电
太阳能槽式热发电系统采用多个抛物线槽型镜面集热器，将太阳能光聚集到位于焦线的中心管上，使管内的导热介质加热至350-390度，然后循环的被加热介质经热交换产生过热蒸汽，过热蒸汽推动常规的汽轮发电机组发电。槽式太阳能热发电系统包括五个子系统。一是聚光集热子系统。由聚光镜、接收器和跟踪装置构成。接受器中的集热管一般采用长4米、直径70毫米的不锈钢内管。在不锈钢内管上镀有选择性涂层，用于吸收太阳能光热。不锈钢管外边还有一层耐高温的真空玻璃管，中间被抽取真空后保持一定真空度，以达到隔热保温效果。二是换热子系统。由预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器组成。当系统工质为油时，采用双回路，即接收器中工质油被热后，进入换热子系统中产生蒸汽，蒸汽进入发电子系统发电。三是发电子系统。基本组成与常规发电设备类似，但需要配备一种专用装置，用于工作流体在接收器与辅助能源系统之间的切换。四是蓄热子系统。太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙必须依靠储存的能量维持系统正常运行。蓄热的方法主要有显式、潜式和化学蓄热三种方式。五是辅助能源子系统。在夜间或阴雨天，一般采用辅助能源系统供热，否则蓄热系统过大会引起初始投资的增加。目前槽式热发电系统的功率可达10-1000兆瓦，是目前所有太阳能热发电站中功率最大，也是目前最具商业化运用条件的太阳能发电模式。
二、太阳能塔式热发电
塔式太阳能热发电系统一般由反射镜阵列、高塔、集能器、蓄热器、 发电机组等五个主要部分组成。反射镜阵列由许多面反射镜按一定规律排列而成。这些反射镜自动跟踪太阳，反射光能够精确地投射到集能器的窗口里。高塔可以建在镜阵或南侧。集能器按需要设计成单侧受光或四周受光。当阳光投射到集能器被吸收转变成热能后，便加热盘管内流动着的介质产生蒸汽。一部分热量用来带动汽轮发电机组发电，另一部分热量则被贮存在蓄热器里，以备没有阳光时发电用。由于聚光倍数高达1000以上，接受器一般可以收集1000兆瓦级的辐射功率，产生1000度的高温，总效率在15%以上。塔式电站的优点一是是聚光倍数高，容易达到较高的工作温度，阵列中的定日镜数目越多，其聚光比越大，接收器的集热温度也就愈高。二是能量集中过程是靠反射光线一次完成的，方法简捷有效。三是接收器散热面积相对较小，因而可得到较高的光热转换效率。塔式太阳能热发电系统可与高温、高压火电站的参数一致，这样不仅使太阳能发电系统有较高的热效率，而且容易获得配套设备。由于该发电系统每块镜面都随太阳运动而调节方位及朝向，所需要的跟踪定位机构代价高昂，在一定程度上了它的推广应用。目前塔式发电的利用规模可达10-20兆瓦，还处于科技研发和示范工程阶段。
三、太阳能盘式热发电
太阳能盘式发电系统是利用曲面聚光反射镜，将入射阳光聚集在焦点处，在焦点处直接放置斯特林发动机发电的一种太阳能利用装置。系统的主要部分由控制柜、聚光反射镜、接受器、迴转台、跟踪装置和斯特林发动机构成。跟踪装置可连续地在两个坐标轴方向根据太阳移动进行定位。斯特林发动机为闭环活塞式发动机，聚焦的阳光直接落在发动机头部的吸热组件上，加热其内部的气体工质氦气进行发电。接收器位于各抛物面的焦点处，可产生800度左右的高温，效率达29.4%，在聚光式发电中是最高的。当在800度温度下运行时，单个盘式装置最大可发电约50千瓦。太阳能盘式发电系统可以实现并网发电，感应发电机效率达到94%以上， 可提供60Hz， 单相230V、三相460V的电力。交流发电机有时需要调频至直流，再调至交流，用来解决发电机输出波动及与电网匹配的问题。由于斯特林发动机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等特点，使其具有能量转换效率高、机器非常“安静”、寿命长和非常环保、完全燃烧后只产生很少一点氧氮化物和一氧化碳等优势。虽然它与槽式电站相似，也可将多个盘组成一个较大的系统，但它原则上仍是小型发电系统。如果在一个区域内集中若干个这样的系统，也可以采用集中控制的方式，总功率能达到5-1000千瓦。近年来国际上太阳能盘式热发电技术得到了长足的进步和发展，该技术以投资省、成本低、效率高为主要特征，电站容量可大可小，可以运行，也可以并网运行，因此具有广泛的适应性。
四、太阳能热气流发电
太阳能热气流发电系统是利用太阳辐射产生的热空气向上流动转化为动能的原理,并通过适当的机械转化成电能的一种自然驱动的发电装置。太阳能热气流发电系统主要由太阳能集热棚、导流烟囱和涡轮发电机组三部分构成。太阳能集热棚建在一块太阳辐照强、绝热性能比较好的土地上；集热棚和地面有一定间隙，可以让周围空气进入系统；集热棚中间离地面一定距离处装着烟囱，在烟囱底部装有涡轮机。太阳光照射集热棚，集热棚下面的土地吸收透过覆盖层的太阳辐射能，并加热土地和集热棚太阳能热气流覆盖层之间的空气，使集热棚内空气温度升高，密度下降，并沿着烟囱上升，集热棚周围的冷空气进入系统，从而形成空气循环流动。由于集热棚内的空间足够大，当集热棚内的空气流到达烟囱底部的时候，在烟囱内将形成强大的气流，利用这股强大的气流推动装在烟囱底部的涡轮机，带动发电机发电。太阳能热气流发电系统除了进行发电以外,还可以利用涡轮机旋转的动能直接抽取地下水,用于干旱地区农业灌溉。还可以在太阳能烟囱上安装风力发电机,利用风能和太阳能进行互补,提高发电功率和削减大风对太阳能烟囱装备的破坏。同时，还可利用太阳能烟囱改善局部空气扩散,消除局部的大气污染。但因烟囱入口热源温度与环境温度只相差只几十度，决定了其发电效率不可能很高，一般很难超过1%。而这一系统占地面积又大，30兆瓦的电厂就需用地400万平方米，因此，比较适合地广人稀的沙漠地区。
五、太阳能光伏发电
将太阳光辐射能通过光伏效应直接转换为电能，称为太阳能光伏发电技术。太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池组件(阵列) 、控制器、蓄电池、逆变器和用户负载等组成。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, 用户负载为系统终端。从上世纪70年代中期开始地面用太阳电池商品化以来，晶体硅就作为基本的电池材料占据着统治地位。以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：单晶硅太阳电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高；非晶硅太阳电池具有生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较快；多晶硅太阳能电池则具有稳定的转换效率。而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池近年有了快速发展，但现在还占不到光伏发电的6%。从目前来看，薄膜电池虽有很好的发展潜质，但单晶硅与多晶硅电池仍是较长时间内的主流产品。太阳能光伏发电技术日新月异，企业转换率已达17%，实验室转换率已达24.7%，每年的平均增长速度超过0.2%以上。由于太阳能光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得、无机械转动部件、故障率低、维护简便、无人值守、建站周期短、规模大小随意和无需架设输电线路、方便与建筑物结合等特点，它已成为太阳能发电最基本、最普遍和最有前景的应用形式。
