太阳能发电技术及其设计特点

廖开强 董建康

山东电力工程咨询院有限公司 山东 济南 250013

1 概述

太阳能这种取之不尽、用之不竭的可再生洁净能源越来越受到人类关注。开发利用太阳能，对于节约常规能源、保护自然环境、促进经济可持续发展具有极为重要的意义。

近年来随着欧美等发达国家太阳能发电产业和市场的突飞猛进及太阳能发电成本的日益降低，我国的太阳能发电产业和市场也在崛起中。

欧美等发达国家太阳能发电市场日益蓬勃的动力在于其制定了太阳能发电“上网电价法”，如实施“上网电价法”最早的国家德国，其太阳能发电平均上网电价为0.55欧元/kWh，实施时间为20年。

我国2006年1月1日实施的 《可再生能源法》明确指出：国家鼓励和支持可再生能源并网发电。同时在生物质和风能发电方面，国家制定了专门的上网电价补贴政策。在太阳能发电方面，由于种种原因，我国目前虽没有制定专门的上网补贴政策，但经过国家核准的电站项目，可以申请特殊上网电价，如2008年7月，国家核准并批复了2个光伏并网电站（上海崇明岛1MWp和鄂尔多斯205kWp），其上网电价为4元/kWh。另外从2009年3月财政部和建设部联合下发的文件（财建［2009］129号）“关于印发《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》的通知”、和2009年7月16日财政部、科技部和国家能源局联合下发的 “关于实施金太阳示范工程的通知”（财建［2009］397号）中看出，我国政府在制定太阳能发电政策方面已开始有针对性举动。

太阳能发电从技术上可分为2大类，即太阳能光伏发电和太阳能热发电。

2 光伏发电技术

自50年代研制成第一块实用的硅太阳电池、60年代太阳电池进入空间应用、70年代进入了地面应用，太阳电池在历经了交通信号、通信、管网保护和边远无电、缺电地区的居民家庭供电等方面的特殊场合应用以后，现在已迈向较大规模的商业发电应用。

光伏发电系统分为并网型和非并网型。

就发电站而言，非并网型电站，主要用于偏远的缺电地区，需要蓄电池蓄电，使用极不经济。

当前主要推广建设并网型光伏发电系统。并网型光伏发电系统主要由三大部分组成：太阳电池组件、并网逆变器和监控系统。

并网光伏发电系统是指太阳能电池组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合电网要求的交流电之后直接接入公共电网，系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压、频率等性能指标的要求。

光伏发电站的容量通常以Wp、kWp或MWp表示，Wp是指标准太阳光照条件下，即：欧洲委员会定义的101标准，辐射强度1000W/m2，大气质量AM1.5，电池温度25℃条件下，太阳能电池的输出功率。Wp称为峰值功率或峰瓦功率。

光伏发电站容量的含义与常规电站不同，因此其年发电量的计算也有别于常规电站，不能简单地用“容量”与“年利用小时数”相乘。光伏电站年发电量的计算与所在区域的年辐射强度、电池板有效面积、电池板效率、电池板安装型式和角度、电池板衰减率、逆变器效率、变压器效率、线路损失等因素有关。

光伏电站的年利用小时数不是由电网系统确定的，年利用小时数的意义也不是用于“特定工程”发电量计算的。对于特定光伏电站，准确的年利用小时数是由年发电量倒退出来的，即年利用小时数＝年发电量/容量，所以因电池板安装型式或安装角度不同，即使同一地理位置的不同型式的光伏电站，其年利用小时数也不同。

对于光伏电站，确定准确的年利用小时数的目的是用于项目的经济评价。

因为太阳能的辐射强度不同，不同地区均有一个粗略的年利用小时数，粗略年利用小时数可用于粗略估算年发电量。

太阳能光伏发电的最核心器件是太阳能电池。

当前应用于商业电站的太阳能电池分为晶硅电池和薄膜电池。

晶硅电池分为单晶硅和多晶硅电池，目前商业应用的光电转换效率为单晶硅16～17%，多晶硅15～16%。在光伏电池组件生产方面我国2007年已成为第三大光伏电池组件生产国，生产的组件主要出口到欧美等发达国家。2008年我国已能规模化生产硅原料，使得硅原料价格大幅下滑，由2008年的最高价500美元/kg降到2009年初的70～80美元/kg， 目前硅原料价格为35～45美元/kg。当前国际上已建成的大型光伏并网电站基本上采用晶硅电池。

薄膜电池分为硅基薄膜电池、CdTe电池和CIGS电池。当前商业应用的薄膜电池转化效率较低，硅基薄膜电池为5～8%，CdTe电池为11%，CIGS电池为10%。硅基薄膜电池商业化生产技术较为成熟，并已在国内形成产能；CdTe和CIGS电池在国内还没有形成商业化生产。由于薄膜电池的特有结构，在光伏建筑一体化方面，有很大的应用优势。

电池组件的布置方式分为固定式和追踪式，目前国内采用的大部分为固定式，国外（如西班牙）采用追踪式的较多。根据追踪式的型式不同，追踪式与固定式相比年发电量提高15%～30%，但追踪式投资成本高，且目前国内还没有运行很可靠的追踪设备。

并网光伏电站 （固定式）的投资及上网电价2008年上半年分别为4～4.5万/kWp和4元/kWh，目前为2.5～3万/kWp和1～1.5元/kWh。

大型固定式光伏发电站的设计要点为：1）正确选型电池组件，确定合理的电池组件安装角度，以保证最大限度地吸收光能；2）合理确定逆变器的型式及容量；3）合理确定逆变器与电池组件的配置方式；4）合理确定变压器的配置方式；5）合理确定总平面布置；6）注意调研收集或实测日照参数；7）合理确定接入系统电压等级。

3 太阳能热发电站技术

3.1 综述

1950年，原苏联设计了世界上第一座太阳能塔式电站，建造了一个小型试验装置。70年代，太阳电池价格昂贵、效率较低，相对而言，太阳热发电效率较高，技术比较成熟，因此当时许多工业发达国家都将太阳能热发电作为重点，投资兴建了一批试验性太阳能热发电站。据不完全统计，从1981～1991年，全世界建造的太阳能热发电站（500kW以上）约有20余座，发电功率最大的机组达80MW。

太阳能热发电站按太阳能采集方式划分为聚光型和非聚光型。

聚光型的太阳能热发电站主要有槽式、菲舍涅尔式（Fresnel）、塔式和盘式四类。

太阳能烟囱发电站为非聚光型电站。

国际上已投入商业化应用的MW级大型太阳能热发电站为槽式和塔式，以槽式为主流，列表如表1。

表1 太阳能热发电站槽式和塔式列表

我国在太阳能热发电方面做过一些基础工作，建成过小型碟式发电机和70kW塔式发电系统，但直到“十一五”才列入国家863计划。现阶段正在开展的部分太阳能热发电研究项目为：10kW槽式太阳能热发电示范工程（北京工业大学）、100kW槽式太阳能热发电技术研究 （南京中材新能源公司）、1MW槽式太阳能热发电示范工程 （康达机电公司）、北京“MW级塔式热发电技术与示范”项目（中科院电工所）。

槽式太阳能发电是当前世界上商业化应用最成熟的技术，以下作为重点介绍。

3.2 槽式太阳能发电简介

图1 槽式太阳能热发电站系统图

槽式太阳能热发电站系统主要分为三大部分：太阳能集热系统（包括槽式集热器、集热管、传热系统和太阳跟踪系统）、热贮存系统 （或辅助燃料系统）和常规发电系统（包括汽轮机发电机组、冷却塔）。原则性系统如下图1所示。槽式集热器一般为南北向布置，东西向可转动以跟踪太阳。电站的占地面积主要由集热器占地决定，与常规火电机组相比，太阳能热发电机组的占地相当大，如Nevada Solar One（内华达1号）64MW电站，仅集热器占地达35.72公顷 （不含集热器之间的间隙），总占地140公顷。

集热管和太阳跟踪系统是集热系统的核心技术部分，我国在这方面均研究成功，但还没有商业化。

当今已运行的电站，均采用间接换热系统，一次换热介质为耐高温油，二次介质为水。国外也有公司正在研究直接蒸汽系统，但还没有商业化，制约直接蒸汽系统的关键技术是集热管制造技术。

太阳能热发电的最大问题是其间断性和不稳定性，蓄热系统或辅助燃料系统是解决上述问题的主要手段。国外近几年所建设或正在建设的电站几乎都采用蓄热系统，早期建设的电站采用辅助燃料系统。国外也有正在筹建燃气和太阳能混合运行的电站。

美国最早运行的SEGS I，13.8MW电站，其蒸汽参数为307°C、40 bar，随着技术的发展，目前的蒸汽参数已达到390°C、100 bar，并且还在研究更高的蒸汽参数。

槽式太阳能的转换效率（国外统计数据）如表2：

表2 槽式太阳能转换效率表

Nevada Solar One（内华达1号）64MW电站2007年6月投运，总投资2.2亿欧元。在西班牙正在建设，预 计 2010 投 产 的 Majadas de Tiétar （Cáceres）50MW电站，总投资2.37亿欧元。

从上述的投资情况预测槽式太阳能的单位投资在3.5～5万元/kW之间。影响投资的因素主要为电站建设规模、地理条件、技术方案等。

国外某公司预计的发电造价如表3：

表3 预计发电造价表

4 太阳能电站设计特点

与常规火电机组相比，太阳能电站有其特殊性，主要应注意以下问题。

1）工程占地面积特大，在厂址选择时应重点考虑；

2）厂址应选择在光资源较为丰富的地区；

3）气象方面，与日照有关的参数应重点研究；

4）接入系统应考虑合理的电压等级；

5）对技术方案应进行重点研究。

6）光伏发电站的年发电量计算与常规电站不同。

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