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聚光太阳能发电技术概述及展望

2011-04-26

本文摘要：介绍了聚光太阳能发电技术中两个主要的发电技术，聚光光伏发电和聚光热发电系统的构成，已达到的技术水平和产业化程度。

摘要：介绍了聚光太阳能发电技术中两个主要的发电技术，聚光光伏发电和聚光热发电系统的构成，已达到的技术水平和产业化程度。进一步讨论了将聚光光伏发电和热发电结合的可行性。简要分析了聚光太阳能发电技术的发展目标和应用前景。

关键词：高倍聚光；太阳能光伏发电；太阳能热发电；太阳能电热联用

前言

开发新能源和可再生清洁能源是全世界面临的共同课题。在新能源中，太阳能发电倍受瞩目．但由于过高的成本．目前还未能充分进入市场。聚光光伏发电技术是用比较便宜的聚光器来部分代替昂贵的太阳电池，以减少给定功率所需的电池面积来降低成本，系统中太阳电池的费用只占系统总费用的一小部分，所以可以采用工艺先进、效率更高而价格较贵的电池来提高整个系统的性能。聚光热发电技术是指将太阳光聚集并将其转化为工作流体的高温热能，然后通过常规的热机或其它发电技术将其转换成电能的技术。

太阳能聚光光伏发电系统

聚光光伏发电系统由太阳能接收器、聚光镜、太阳跟踪机构组成^[1]。

2.1 太阳能接收器

聚光太阳能接收器包括聚光太阳能电池、旁路二极管和散热系统等。聚光太

图1 聚光太阳能接收器

阳能电池是将光能转换为电能的器件，与普通的太阳能电池相比，聚光太阳能电池接收到的能流密度是普通太阳能电池的几十到几百倍，这就需要聚光电池的电阻尽量小，以减少功率损耗，同时要设计适合采集高电流密度的电池栅线。目前国际上聚光电池主要有硅聚光电池和III-V族多结聚光电池两种。硅聚光电池价格便宜，效率稍低，但聚光倍率低，一般不超过300倍；III-V族多结聚光电池价格昂贵，效率高，聚光倍率通常在200倍以上。图2给出了聚光太阳能电池与普通太阳能电池效率的发展历程。和普通太阳能电池一样，聚光太阳能电池的峰

图2 聚光太阳电池与普通太阳电池效率发展历程

值功率会随着温度的升高而降低，而聚光太阳能电池又是在高光强、大电流下工作，一套设计合理的散热系统对提高发电效率，延长使用寿命起到十分重要的作用。散热系统分主动式冷却和被动式冷却。主动式冷却是指用流动的水或其它工质将聚光组件工作时产生的热量带走，以达到冷却太阳电池的目的。被动式冷却是指太阳电池方阵产生的热量通过散热器直接散发到大气中。主动式冷却可以更好地降低太阳电池的温度．但这种方法存在的问题是可靠性，如果冷却系统出现问题，太阳电池组件可能由于过高的温度而烧毁。被动式冷却有较高的可靠性，但散热效果不理想，电池通常会在较高的温度下工作。[page]

2.2 聚光器

聚光器依光学原理可分为折射聚光器和反射聚光器。在聚光光伏技术中，折射透镜主要使用菲涅耳透镜，这种透镜具有质量轻、厚度薄的特点。使用点聚焦菲涅耳透镜的聚光系统，聚光倍数通常在500倍以上，使用高效多结砷化镓电池，组件效率可达到25%以上。

图3 使用折射聚光器的光伏发电系统

反射聚光器主要是镜面反光板，根据聚光倍数的不同制作成长条状或圆盘状。随着聚光倍数的提高，各类新型聚光系统不断推出，这类聚光系统通常在聚光器下增加一个二次聚光器，以达到使射入电池表面光谱更均匀、减少光损失、缩减聚光器到电池距离等目的。

图4 带有二次聚光器的聚光光伏发电系统[page]

2.3 太阳跟踪器

由于聚光光伏组件需要直射光才能发电，因此必须安装在太阳跟踪机构上。通常来说，点聚焦的聚光组件需要二维跟踪机构，线聚焦组件只需要一维跟踪机构。目前跟踪太阳的方法主要有以下几种：

·利用四象限光敏传感器判断太阳的位置。这种跟踪方式精度很高，并且是闭环控制，能自我修正，聚光太阳能应用中通常都需要使用光敏传感器。

·根据跟踪机构所在地的经纬度计算太阳的位置。这种技术也可配合GPS全球定位来获得更精确的位置和时间信息。

·根据预置的太阳位置数据库或移动轨迹来跟踪太阳。这种跟踪方式比较死板，换个地点就要更新数据库，跟踪精度也比较低。

·对电池阵的输出功率进行监测，使电池阵的输出功率保持最大。

目前，用于聚光系统的跟踪机构都采取几种不同的跟踪方法确保跟踪精度和可靠性。跟踪机构还需要大风自我保护功能和防暴雪功能来确保组件的安全。而跟踪器传动机构的设计则决定了跟踪器的寿命。对于二维跟踪机构，其跟踪精度基本要求在±0.5度。

·太阳能聚光热发电系统

太阳能热发电技术主要有槽式、碟式和塔式三种^[2]。

塔式太阳能热发电主要由定日镜系统、吸热与热能传递系统、发电系统三部分组成。定日镜系统实现对太阳的实时跟踪，并将太阳光反射到吸热器。位于高塔上的吸热器吸收由定日镜系统反射来的高热流密度辐射能，并将其转化为工作流体的高温热能。高温工作流体通过管道传递到位于地面的蒸汽发生器，产生高压过热蒸汽，推动常规汽轮机发电。典型的塔式太阳能发电系统可以实现200-1000倍以上的聚光比，投射到塔顶吸热器的平均热流密度可达300-1000kW/m²,工作温度可高达1000℃以上。电站规模可达200MW以上。

图5a 美国Solar Two 10MW塔式太阳能电站

图5b Solar Two工作原理图[page]

槽式太阳能热发电系统的聚光反射镜从几何上看是将抛物线平移而形成的槽式抛物线，它将太阳光聚集在一条线上^[3,4]。在这条焦线上安装有管状集热器，以吸收聚集后的太阳辐射能。槽式聚光器只需要一维跟踪，聚光比为10-100之间，一般在50左右，温度可达400℃左右。由于槽式的聚光比小，为维持高温时的运行效率，必须使用真空管作为吸热器件。

槽式太阳能热发电系统具有规模大、寿命长、成本低等特点，是目前唯一实现了商业化运营的太阳能热发电技术。美国鲁兹（LUZ）公司是槽式发电技术应用的先行者，1985-1991年间，该公司在美国南加州先后建成9座槽式太阳能热发电站，总装机容量353.8MW，是世界上规模最大、成效最高的太阳能热发电工程。图6为其80MW的SEGS VIII电站，该电站的循环效率为38.4%，峰值太阳能热电转换效率为24%，电站的初始投资为2.65$/W,发电成本为0.08$/kWh。

图6a SEGS VIII电站的聚光集热设备

图6b SEGS VIII电站的工作原理图[page]

碟式太阳能热发电系统一般由旋转抛物面反射镜、吸热器、跟踪装置以及热功转化装置等组成。碟式反射镜可以使一整块抛物面，也可由聚焦于同一点的多块反射镜组成。其聚焦比可高达500-1000之间，焦点处可产生1000℃以上的温度。整个碟式发电系统安装于一个双轴太阳跟踪器上，实现定日跟踪，连续发电。碟式系统的吸热器一般为腔式，与斯特林发电机相连，构成一个紧凑的吸热、做功、发电装置。整个装置安装于抛物面的焦点位置，吸热器的开口对准焦点。

图7 碟式太阳能热发电站

太阳能聚光光伏光热综合利用

由于太阳能光伏利用的效率比较低，未利用的太阳能都转化成了热能导致太阳电池温度升高，效率降低。因此科研人员一直想将剩余的热能加以利用，开发了一些PVT系统，但都没有获得太好的效果。

但聚光型光伏光热综合利用让人们看到了新的希望。因为这两种发电技术都有聚光镜、接收器和太阳跟踪器等部件，在结构形式上比较容易整合在一起。图8给出的是瑞典Absolicon公司的聚光型电热联用设备^[5]，使用了槽式聚光模式，聚光倍数为10倍，向用户提供由光伏电池发出的电，和由真空集热管提供的热水。该产品在住宅小区、私人别墅和公共设施都有应用案例。

图8 槽式太阳能电热联用设备

另一种广泛讨论的是采用碟式发电模式，接收器前端是聚光电池，聚光电池上的热量通过热管传导到斯特林发电机，实现光伏、光热一体化发电。该模式由于有很高的聚光倍数（500-1000），所以可以把制造成本降低，但在技术上还有很多难关需要突破。[page]

·问题与展望

·聚光太阳能利用的地域局限性

由于聚光镜一般只能聚集垂直入射的光线，所以在考虑应用聚光太阳能设备的时候，当地的直射太阳光辐照量（Direct Normal Irradiation）是一个重要的指标。通常年直射辐照量在2000kWh/m²以上适合使用聚光太阳能发电设备。从图9中可以看到，这些地区主要是在我国的西藏、新疆和内蒙古，美国的西南部，澳大利亚，印度，西班牙，西亚和非洲。