太阳能发电技术的研究与展望

许迎东 刘浩

1、河北省科技工程学校 2、河北诚誉环境工程有限公司

引言

随着第一次工业革命的诞生，“能源”一词也进入了人们的视野。进入20 世纪以后，人类开启了超高速发展模式，煤炭、石油和天然气等非再生资源日益减少，使得能源问题在全球国际事务中更加突出。当前，环境和发展是人类社会的两大问题，如何更好地解决能源与地球环境和社会发展之间的矛盾，是全球能源开发者亟待解决的难题。新能源的开发和利用为全球发展指明了方向，特别是太阳能发电技术因其独有的优势备受大众欢迎，具有良好的发展前景。

1 太阳能发电技术

随着第二次工业革命的到来，电能成为人类生产生活无法脱离的能源，如何将太阳能更好地转化成电能成为科学工作者的研究方向。目前太阳能发电技术主要包括光伏发电、光热发电、热风发电以及太阳池发电等。接下来，本文将对其工作原理、系统结构以及特点等进行介绍。

1.1 光伏发电技术

光伏发电技术是一种直接将太阳光的辐射能转化为电能的发电技术。它主要利用的是半导体PN 结的光生伏特效应。当太阳光照射在PN 结上时，部分光被反射，其余部分能量中的光子将半导中的电子从共价键中激发，形成空穴- 电子对。在PN 结内建电场的作用下，发生扩散运动，空穴由N 区流向P 区，电子由P 区流向N 区，接通外电路后就形成电流，太阳能便被转化为电能。

太阳能光伏发电系统是通过太阳能电池板将太阳的辐射能量直接转换成电能的发电系统。它一般由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组、直流- 交流逆变器、直流负载、交流负载等部分组成，具体组成情况如图1.1 所示。

图1 太阳能光伏发电系统图

光伏发电技术最关键的组件是太阳能电池板，它将直接决定整个系统的发电效率和成本。根据电池材料研发阶段的先后，大致可分为三个阶段，它们的材料类型、发电效率和性能存在一定差别，具体特性如表1 所示。

表1 太阳能电池材料特性表

1.2 光热发电技术

光热发电技术是利用光学的反射或折射原理，将光能聚集到点或线上，利用集热器吸收储存太阳能的热量，再通过热交换系统将热量传递给流体，从而产生高温蒸汽，推动汽轮机及发电机组旋转，最终产生电能。具体系统组成如图2 所示：

图2 太阳能光热发电系统图

光热发电技术又称“聚光太阳能发电”，是太阳能利用的一个重要方向。其特点是在夜间依然可以持续发电，电力输出平稳。根据聚光方式的不同，光热发电主要分为槽式、塔式、菲涅尔式和碟式四类。最为常见的是槽式发电系统，利用多组槽式抛物面反射镜聚光系统，将太阳光聚焦到集热器上；塔式发电系统，又称集中型发电系统，利用众多独立跟踪太阳光的平面定日镜反射原理，将光能集中到设置于高塔顶部的吸热器上；线性菲涅尔式光热发电系统则是通过跟踪太阳运动的菲涅尔式反射镜，将太阳光汇集到上方固定的吸热管上；还有一种碟式发电系统，其反射镜采用碟状抛物面镜，将太阳光聚集到集热器焦点处，焦点处安装斯特林发电机，完成发电。

1.3 热风发电技术

热风发电技术俗称“烟囱发电”，主要应用空气动力学原理。空气在密闭的环境中经过太阳照射后，体积膨胀，压强变大，形成热气流，带动发电机组发电。如图3 所示，整个热风发电系统包括烟囱、集热棚、蓄热层和涡轮发电机组四大部分。太阳光照射到集热棚的同时将热量存储在蓄热层中。内部空气受热膨胀，体积变大，密度变小，压强增大。利用集热棚中央的烟囱，加大内外压强差，在棚内形成强大气流带动烟囱底部轴流式涡轮发电机组旋转，最终完成太阳能到电能的转换。

图3 太阳能热风发电系统图

热风发电技术在利用太阳能发电的同时也可以与风能联动，构成混合发电系统。这种发电系统设备简单，前期成本投入不高，发电过程中不会有任何有害物质排放。但是，集热棚透光度易被尘土干扰，影响太阳能的吸收效率，同时系统设计时需充分考虑集热棚、蓄热层及超高烟囱工艺要求，特别注意防风防震等安全问题。

1.4 太阳池发电技术

太阳池发电技术开辟了太阳能开发和利用的另一条途径。太阳池实际上是盐水池，它内部溶液的盐度自上而下逐渐增加、直至饱和。这样梯度稳定的状态能够更好地聚集能量，减少对流散热，使底层溶液保持高温状态。太阳池发电就是用池底的高温溶液作为热源，通过热交换器加热介质，从而驱动汽轮发电机组。太阳池发电系统结构简单，建造成本较低，对周围的光照强度要求不高。但是太阳池占地面积大，且只能水平设置；若太阳池出现泄漏现象，会造成环境污染及热损失，所以建造工艺要求较为苛刻。

2 太阳能发电技术的发展与展望

太阳能发电技术中的光伏发电起步较早，加上各国在政策和资金方面投入力度较大，得到了长足的发展。虽然目前仍存在效率偏低、随机性和波动性较大、原材料生产能耗大等弊端。但仍是今后太阳能发电中的重要组成，在保护环境和节能减排方面发挥积极作用。光热发电不但可在夜晚或弱光条件下工作，而且输出稳定，与电网匹配性好，是太阳能发电技术中的一支潜力股。太阳能热风发电和太阳池发电目前还处在理论分析和实验阶段，规模化推广还需一定的时间。

3 结语

全球面临着严重的资源匮乏问题，新能源的开发和利用因此受到了广泛关注。太阳能作为取之不竭的能源宝藏，如何对其进行深度开发，是值得人类长期探讨和研究的话题。太阳能发电系统与传统能源相比，尽管存在效率偏低、功率输出受制于天气因素等缺点，但我们建立多种能源互补的发电系统，如太阳能燃煤机组互补、太阳能燃气联合循环互补等，实现多能源的高效利用，减少有害物质的排放，进一步优化能源结构，提高系统效率。相信太阳能发电技术一定能够在不久的将来成为能源转型的重要支撑，大幅度补充能源短板，在经济社会发展中发挥更大的作用。