主题：【原创】科普-太阳能发电 -- 马鹿

马鹿:【科普】地热发电

本文主要针对连网的太阳能发电, 不关心房顶那种. 另外新材料层出不穷, 文章所提到的材料都是已经大规模使用了的.

简介

一般太阳能转化为电能有两类技术：光电技术和热能技术。光电技术是指光电单元吸收太阳能后直接转为电子。光电系统分为两类：平板和集中。　太阳热技术也称为集中太阳能发电concentrating solar power (CSP), 它使用镜子反射太阳辐射并转化为热能，　这些热能可以利用传统汽轮机技术转化为电能。　一般来说集中太阳能可以分为四类：抛物槽系统，塔式太阳能系统，碟形／引擎系统，和线性菲涅耳反射器系统。

当前带有存储系统的太阳能发电例如抛物槽系统，塔式太阳能系统，和线性菲涅耳反射器系统 可以提供可预测的电力， 光电发电既有成本竞争力， 特别是在没有电网的区域。

太阳能潜力

太阳辐射指实际到达某一特定地理位置的光线。 有三个太阳辐射术语有助于理解太阳能潜力： 直接法向辐射（direct normal radiation）， 散射辐射（diffuse radiation）和全球辐射（global radiation）.

直接来自太阳并且以90度角入射到地球表面的太阳辐射称为直接法向辐射. 还有一些辐射被云,地面和其他物体折射反射了的辐射称为散射辐射. 散射辐射不能被镜子集中. 全球辐射指到达地面水平表面和直接法向辐射投射到水平方向的辐射的和. 太阳辐射的单位是瓦/平方米. 有时也用英国热单位/平方米. 可利用的太阳辐射越多, 产生的电力也越多. 热带地区比温带能提供更多的太阳辐射.

集中太阳能电力和集中光电技术利用直接法向辐射, 而光电技术利用全球辐射. 图一和图二分别给出了美国年平均每日直接法向辐射和全球辐射.

阳光明媚的日子和多云的天都有全球辐射, 但是只有阳光普照的日子才有直接法向辐射. 在图一中, 在美国西南的沙漠地带, 那里空气干燥, 年平均每日直接法向辐射大约在8.5-9.0 千瓦/平方米, 可是在太平洋海岸, 即使在同一纬度,这个范围降低到小于6千瓦/平方米, 因为那里比较潮湿.

图-1直接法向辐射

图-2 全球辐射

目前太阳能发电技术

当前有两类太阳能发电技术:光电和热能

光电技术

光电 (PV), 又称为太阳能单元技术, 直接转化太阳能为电能. 当阳光被半导体材料的太阳单元吸收, 太阳能通过光电效应转化为电能.

图-3 是太阳能单元的构造. 一个光电单元由具有大量电子或者负电荷组成的n型半导体及含有大量空穴或正电荷的p型半导体组成. 当光电单元捕捉到太阳辐射, 吸收的太阳光转为电子. 电子从n型半导体逃逸到p型半导体, 从而导致电荷的流动,即电流.

图-3 光电单元

根据材料, 目前常用光电单元分为三种”

透明硅(包括单晶, 多晶和带状经

非晶体硅(简写为A Si, 也称为薄膜硅)

o 非晶体做成的的太阳能电池板耐用, 高效,比透明硅的薄

砷化镓(又称III-V族技术)

o 此类太阳能电池板更高效, 但是比常规太阳能电池板贵

根据技术, 光电系统可以分成两个类别

平板系统

o 这个类型的太阳能电池板以固定角度安装在朝南方向. 优势是适合不同场所. 缺点是低效, 也就是说需要很多电池板. 一般 来说, 产生1MW 的电力需2-3英亩. 如图-4 所示, 光电单元产生直流电流, 再由交流-直流转换器转为交流电流以便于联网.

集中光电系统

o 由砷化镓材料制造的的太阳能电池板把转换集中的阳光转化为电能. 如图-5所示, 第二极镜子把第一级镜子集中过来的辐射反射到光电单元. 这样的设计可以集中1000倍正常的辐射,用到的表面积比平板系统少1775倍, 效率是35%而平板的效率只有13%-18%. 这样的系统缺点是只能使用直接法向辐射, 并且如果为了获得最佳效果直接法向辐射需要至少在1800 KWh/ (m year) 直接法向辐射的地区. 因为这个直接法向辐射, 所以有时候集中光电系统也被当作CSP.

图4 平板光电系统 (DOE/EPRI 1997)

图-5集中光电系统

太阳热技术

太阳热技术, 又称作集中太阳能发电, 利用镜子反射直接法向太阳辐射到充满工作介质的接收器, 工作介质吸辐射转化为热能, 利用传统发电设备这些热能再转化为电能

目前常用的集中太阳能发电分为四个类:

抛物槽型系统

塔式太阳能系统

碟形／引擎系统

线性菲涅耳反射器系统

抛物槽型系统

图-6抛物槽型系统

单轴跟踪, 抛物线曲面, 槽型反射器集中30-60倍的正常太阳辐射强度到充满工作介质的沿着着抛物线曲面槽型轴心线的接收器. 利用传统发电技术系统转化太阳能为热能, 热能再被转化为电力.

塔式太阳能系统

使用双轴跟踪, 平面镜子反射直接法向辐射到安装在中心塔上的接收器, 塔式太阳能系统加热工作介质比如熔盐.存储在热存储罐内的工作介质可以被泵入到发电系统用来产生电力.做工后的冷盐返回到冷存储罐内用于循环使用.

塔式太阳能系统的优点是它能存储能源并且根据用户需要来进行操作. 热工作介质可以在随后的3-13小时用来发电.

图-7塔式太阳能系统

图-8 熔盐塔式太阳能系统

碟形／引擎系统

这个系统使用双轴跟踪镜子矩阵排列的碟形集中器集中阳光到电力转换单元. 电力转换单元是热接收器和引擎的组合. 吸收器内的氢或氦转换热能到斯特林引擎, 然后通过推动活塞运动产生机械动力来推动发电机发电 .

图-9碟形／引擎系统

线性菲涅耳反射器系统

线性菲涅耳反射器系统与抛物槽型系统产生电力的方式相同. 差别在于线性菲涅耳反射器系统采用平的或微曲面菲涅耳反射器集中阳光到顶部的反射器. 当前, 比集中太阳能发电技术低效和低成本的线性菲涅耳反射器系统仍处于早期应用阶段.

图10-线性菲涅耳反射器系统

参考文献

http://www1.eere.energy.gov/solar/photoelectric_effect.html

http://ocsenergy.anl.gov/documents/docs/OCS_EIS_WhitePaper_Solar.pdf

http://www.solfocus.com/en/downloads/industry/SolFocus-CPV-Primer.pdf

http://solareis.anl.gov/documents/docs/NREL_CSP_3.pdf

http://www.eng.fsu.edu/~shih/succeed-2000/roadmap/solar%20power%20plant.htm#Solar%20Trough%20System

http://www1.eere.energy.gov/solar/dish_engines.html

• ※ 西河文萃 第22期 2009年5月9日 ※ 上