潘忠涛++郝军++王璟
摘 要：光伏发电和光热发电是目前利用太阳能发电的主要形式，本文介绍了两种发电形式的发展现状，分析了各自的优缺点，在此基础上分析了二者作为环保清洁的绿色能源，是未来具有广阔发展前景的新能源发电形式。
关键词：太阳能 光伏发电 光热发电 前景展望
中图分类号：TM914.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）09（b）-0100-02
太阳能是是地球上所有生物赖以生存的能量源泉，太阳平均每秒向空间放射的能量可达3.865×1026J，而仅约1.75×1017J被地球表面所接收，约占22亿分之一[1]，而到达地球表面的太阳能中只有极少一部分被人们利用。
随着石油、天然气、煤炭等不可再生能源的不断消耗，环境问题日益成为人民共同关注的话题，目前我国的SO2排放量已居世界第一位，CO2排放量仅次于美国居第二位。开发利用环保绿色的可再生能源成为解决当今能源问题的必由之路，在诸多的新能源技术中，太阳能是一种无污染、可再生的清洁能源，具有广阔的发展前景。
利用太阳能发电已经成为利用太阳能的主要形式，目前利用太阳能发电的方式主要有太阳能光伏发电和太阳能聚光光热发电。
1 光伏发电技术
太阳能光伏发电（photovoltaics，简称PV）是利用半导体材料的光生伏特效应，将太阳能直接转换为电能的一种发电形式。
太阳能电池是利用半导体材料PN结的光生伏特效应，当太阳光照射到电池板表面时，电池板内的电子受到激发，在PN结内建电场的作用下，电子被驱向N区，空穴被驱向P区，电子和空穴的定向移动形成了电流和电位差[2]，把若干个太阳能电池串并联起来，便可获得所需的电能。硅基太阳能电池是目前发展最成熟、工业化生产规模最大的太阳能电池[1]。尽管PV是目前利用太阳能发电的主要形式，得到大规模发展，但PV具有以下缺点。
1.1 发电效率低
尽管太阳能是以辐射的形式向空间传播的，但太阳能电池的性质决定其对太阳光谱的吸收具有选择性[2]，通常单晶硅太阳能电池只吸收380～1100nm波长范围内的能量用于发电，其余波段的能量被太阳能电池吸收变成热能。随着电池温度的升高，电池中电子的热运动加强，能带间隙降低，开路电压随温度升高而下降，短路电流随温度升高而升高，结果使电池的输出功率随温度升高而下降，温度升高降低了太阳能电池的光电转换效率。
单晶硅太阳能电池的理論转换效率约为28.8%，实验室最高效率达25%，规模化生产的电池效率约17%[1]，目前单晶硅电池实际平均效率约为12%～16%，多晶硅光伏电池效率约为11%～15%，非晶硅光伏电池的效率仅为5%～18%[2]。由于电池的光电转换效率较低，要增加发电量就要增加电池板的数量，建设成较高，一定程度上制约其发展。
1.2 发电系统的波动性
由于太阳辐射受昼夜交替、季节变化、地理位置的差异存在较大的随机性和波动性，使得PV的效率受到区域受气候环境影响大，功率输出不稳定。另外，大气透明度、空气中的颗粒物等附着在电池板表面也对光电转换产生较大影响。
1.3 电池生产耗能高、污染大
太阳能电池在使用其发电过程中具有“无燃料消耗、无噪声、无污染”的特点，但在电池的生产环节存在不少高耗能环节，有大量的污染产生。国内从生产工业硅到太阳能电池的全过程综合电耗约220万kWh/MW，平均生产1kW的太阳能电池需要10kg多晶硅，耗电5800～6000kWh[3]。
电池生产过程中的副产物SiCl4是一种无色或淡黄色发烟液体，有刺激性气味，受热或遇水分解会放出有毒的腐蚀性烟气。国外每生产1kg多晶硅会产生10～15kg的SiCl4，通过还原处理后排放量仍然高达5～10kg[3]；同时电池板生产过程中大量使用HF、HNO3、POCl3、异丙醇等化学物质，单位产能废水排放量500～1500m3/MW，废水中含有大量的F-、COD、TN等污染物。
2 聚光光热发电技术
太阳能聚光光热发电（Concentrating Solar Power，简称CSP）是又一种利用太阳能发电的形式，CSP是一种利用聚光装置将太阳光聚集起来以增加太阳辐射能的密度，进而加热循环介质并产生蒸汽推动汽轮机发电的技术。
与PV相比，CSP可利用全波段的太阳光，也可通过蓄热实现昼夜连续发电，对电网影响较小[1]，同时CSP也克服了PV中太阳辐射能密度低的缺点。根据聚光方式的不同，太阳能聚光热发电技术可分为塔式、槽式、菲涅尔和碟式4类热发电技术。
2.1 槽式热发电技术
槽式热发电是通过槽式抛物面反射镜，将太阳光聚成一条焦线加热集热管内的传热介质，经过换热器交换热量，将收集到的太阳热能传递给动力回路中的蒸汽，进入汽轮机带动发电机发电。聚光器对太阳辐射进行一维跟踪，在太阳能不足的情况下可以进行辅助加热，以保证系统运行的稳定。
2.2 菲涅尔热发电技术
线性菲涅尔热发电是利用条状平面镜或低曲率镜面做反射镜，将太阳光线汇集于集热管加热循环介质，产生高温蒸汽推动汽轮机发电。与槽式热发电系统类似，但菲涅尔反射镜一般安装在接近地面，菲涅尔反射镜布置密集，易出现反射光线被相邻镜面遮挡，以及光线入射到镜面会产生阴影，导致太阳能收集率低、光电转换效率低，该技术目前仍处于示范阶段。
2.3 塔式热发电技术
塔式热发电是通过地面镜场将太阳辐射聚集到距离地面一定高度吸热塔的吸热器上，吸热器直接接受地面镜场反射的太阳辐射，吸热器中的传热介质（熔融岩）获得高温热能，再将热能输送到蒸汽发生器产生蒸汽推动汽轮机发电。这一系统中，定日镜以吸热塔为中心分布在吸热塔的周围，要把太阳光准确的反射到吸热器上，需要对镜场中每个定日镜都要进行单独的二维跟踪控制，镜场控制系统复杂，但其聚光效率高，系统发电效率高。随着技术研发的不断深入和关键技术的不断突破和建设成本的不断降低，塔式光热发电技术会成为未来CSP的主要形式。
2.4 碟式热发电技术
是利用蝶形反射镜将太阳光聚集在焦点上，焦点处的接收器收集较高温度的热能加热介质以驱动汽轮机，将热能转化为电能。该系统采用双轴跟踪方式，聚光比高，相较于前面几种技术，碟式热发电系统发展相对缓慢。
3 结语
虽然太阳能绿色无污染，但太阳能的能流密度低，且受气候的影响不稳定、不连续，同时太阳电池转换效率低，限制了PV电池的进一步发展。但随着技术进步，PV会不断向纵深方向发展，STPV是又一种PV的新途径，与PV比较，其辐射能量密度由无聚光PV的0.1W/cm2变为聚光STPV的5～30W/cm2。另外，STPV除获得电能，还得到了热能，进一步提高了太阳能的利用效率，具有广阔的发展前景。
CSP可实现连续发电，机组可以实现24h不间断的稳定运行，可按照电网要求输出有功和无功，满足电网负荷调峰的要求，这是PV无法比拟的。随着技术的日臻成熟，新型聚光器、吸热器等核心设备性能的革新，CSP会成为未来新能源发电的主要形式，CSP会成为一种大规模电力供应的补充方式，具有广阔的发展前景，必然会得到大规模的发展。
参考文献
[1]张艳梅.基于碟式的太阳能二次反射及其分频系统的数值模拟和实验研究[D].杭州：浙江大学，2013.
[2]王刚.太阳能利用中的热物理基础理论及实验研究[D]. 合肥：中国科学技术大学，2012.
[3]郭丹.太阳能发电现状及环境效应分析[J].电子制作， 2013（23）：82.endprint
