第二章　先進發電技術

一、太陽能發電技術

1　太陽能發電技術的利用

在全球能源互聯網的構建中，開發利用“一極一道”的可再生能源，是一個非常重要而且十分關鍵的過程。在北極及其他風力資源豐富的地區建設風電場，在赤道及其他光照充足的地區建設太陽能電站，通過特高壓技術將這些電力資源輸送到世界范圍內電能短缺的地區，將改善全球能源分布不均的狀況。通過這個龐大的工程，取之不盡、用之不竭的風力資源和光照資源將為人類社會發展提供無盡的動力，而成熟的可再生能源發電技術是這一過程成功實現的關鍵。

太陽能是地球上絕大多數能源的主要來源，太陽能發電技術是重要的可再生能源利用技術。對太陽能的利用一直是人類生存發展的重要技術。人類很早就已經學會使用鏡面反射采集陽光來取火或對物體進行加熱，這是人類簡單對太陽能的應用。隨著電氣時代的來臨，人們開始嘗試將太陽能轉化為電能。在19世紀中期，法國科學家發現了“光生伏特效應”，為光電轉化提供了重要的基礎。1954年，貝爾實驗室率先制造出可以商業化應用的太陽能電池，使太陽能發電成為現實，帶動了光伏發電產業的迅速崛起。隨后，利用陽光中的熱量進行發電的光熱發電技術也迅速實現并應用，使太陽能成為目前全球重要的電力來源，并且推動著人類能源利用的重大變革。

目前主要的太陽能發電技術包括光伏發電技術和光熱發電技術。光伏發電技術已經發展得相當成熟，當前全球范圍內也已建成了具有相當規模的光伏發電站。截止到2016年底，世界光伏發電裝機容量已達305GW，中國光伏發電裝機容量則已達到77.42GW；而光熱發電技術還處在發展期，全球光熱發電裝機容量在4.8GW左右，但是世界各國已經制定了光熱發電的快速發展規劃，未來幾年將是光熱發電的快速發展期。

太陽能發電的優勢主要有兩個方面：一方面，光照資源來自于太陽，是取之不盡、用之不竭的能源，如果將赤道地區的太陽能加以利用，那么可以滿足全人類的電能需求；另一方面，太陽能是清潔能源，不會產生有害氣體，對于今天日益嚴重的環境問題有著極為重要的意義。日本一直面臨著能源短缺的困境，英國倫敦曾因汽車尾氣排放、柴油機燃燒等出現嚴重的霧霾現象，美國肯塔基州的路易斯維爾發電廠因有毒廢料排放過量而導致空氣污染嚴重。類似問題將隨著太陽能發電技術的發展迎刃而解。

太陽能發電技術已經發展得較為成熟，但全球范圍內很多光照資源豐富的地區的太陽能資源還未得到充分的開發和利用，如赤道地區、中東地區、非洲南部地區以及中國的西北地區。在這種情況下，世界各國紛紛制定了鼓勵政策以支持太陽能發電產業的發展。例如，中國、英國、德國、日本等通過政府電價補貼的方式直接提升太陽能發電企業的利潤，美國則以投資稅減免、折舊率補貼的形式減少太陽能電站的建設成本，印度、印度尼西亞以及大多數拉丁美洲國家也都通過不同的支持政策加快太陽能發電行業的崛起。未來太陽能發電技術將更加完善，發電成本進一步降低之后，對于太陽能發電產業的扶持和補貼力度將會削弱甚至取消，但在今后很長一段時間，支持政策將是太陽能發電技術迅速發展的重要推動力。

面對傳統能源劣勢的逐漸顯現與太陽能發電逐步興起的趨勢，世界各國也紛紛提出了太陽能發電的發展目標。中國的“十三五”規劃制定了在2020年要實現5GW光熱發電裝機、45GW地面型光伏裝機和60GW分布式光伏裝機的目標，歐盟制定了到2030年可再生能源需占能源需求結構27%的目標，日本制定了到2030年光伏發電裝機容量達64GW的目標，印度的“國家太陽能計劃”規劃到2020年光伏發電裝機容量達到100GW，沙特阿拉伯的“國家可再生能源計劃”則規劃在2023年前完成9.5GW可再生能源的裝機建設。此外，南非、越南以及諸多拉丁美洲國家都制定了太陽能發電的建設目標。在大規模規劃出臺的背景下，太陽能發電迎來了裝機量快速增長的時期。位于中國山西省芮城縣的光伏領跑技術基地規劃裝機容量達1020MW，建成后將成為世界最大的光伏發電站；世界最大的光熱發電站同樣位于中國，即敦煌100MW塔式熔鹽光熱電站。目前這兩個項目都已經建設完成，實現并網發電。

太陽向地球傳遞的能量主要包括熱能和光能，太陽能發電技術的基本原則也是充分利用這兩種形式的能量。當前太陽能發電技術主要是光熱發電技術和光伏發電技術。

光熱發電技術是利用聚熱技術聚集陽光的熱量，通過換熱裝置產生蒸汽，推動汽輪機進行發電的技術。從本質上講，光熱發電技術與傳統的火力發電技術原理很相似，區別只在于產生蒸汽的熱量來自光照而非來自化石燃料的燃燒；光伏發電技術是利用太陽能直射半導體產生直流電，再用逆變技術將直流電轉化為交流電，并入交流電網或提供給用戶，本質上光伏發電技術是利用半導體的光生伏特特性進行發電。光熱發電主要利用了太陽能中的光能和熱能，光伏發電則主要應用了太陽能中的光能，兩種發電技術相互配合與補充，實現了對太陽能的充分利用。

2　光熱發電技術

光熱發電技術與光伏發電技術在應用中存在著很多差異，光熱發電技術適用于集中式、大規模的太陽能發電工程。光熱發電常利用蓄熱罐進行能量存儲，儲能效率高，而且清潔環保。而光伏發電技術適用于分布式、中小型規模的太陽能發電工程，適合小區域供電或直接并入電網，光伏發電利用蓄電池進行存儲，儲能效率相對較低，對環境也有一定的影響。

光熱發電系統的發電原理如下圖所示，光熱發電主要包括聚熱系統、熱傳輸系統、蓄熱與熱交換系統、發電系統等。

聚熱系統通過聚熱裝置收集來自太陽的熱能，通過熱傳輸系統，將熱量傳遞給蓄熱與熱交換系統，發電系統利用來自蓄熱與熱交換系統的熱量，產生蒸汽推動汽輪機轉動進行發電。

光熱發電的關鍵技術是聚熱技術，也就是將陽光中的熱量進行聚集的方法。按照聚熱技術的不同，光熱發電系統可以分為槽式光熱發電系統、塔式光熱發電系統、碟式光熱發電系統和菲涅爾式光熱發電系統。

槽式光熱發電系統利用拋物線型聚光器，將太陽輻射聚集于焦線的吸熱器，吸熱器吸收熱量后，開始加熱導熱油，導熱油溫度達到預設溫度后，一部分進入蒸汽發生器，將水變成水蒸氣，推動汽輪機進行發電；另一部分加熱熔鹽，加熱后的熔鹽進入儲熱罐，將熱量儲存起來，在夜間或者光照強度不充足的時間進行發電，以保證電能輸出的穩定性。槽式光熱發電系統是目前全世界應用最廣泛的光熱發電系統，在已建成的光熱發電系統中，有80%以上是槽式光熱發電系統。槽式光熱發電系統也是世界最早投入商業使用的光熱發電系統，從1985年開始，美國加州相繼建成了354MW的槽式光熱發電工程。2012年，中國大唐天威太陽能熱發電工程竣工，該項目使用了槽式光熱發電系統，裝機容量10MW。

塔式光熱發電系統是將吸熱器建在塔頂，利用定日鏡追蹤太陽直射的角度，并將太陽輻射反射到吸熱器。吸熱器將輻射轉化為熱能，并為熱工質（熔鹽或水）加熱，熱工質達到預定溫度后，進入蒸汽發生器，一部分與水發生熱交換，產生水蒸氣，推動汽輪機發電；另一部分進入儲熱罐，用于夜間或光照強度不足時進行發電。在當前已建成的光熱發電系統中，塔式發電系統大概占10%的裝機容量。美國Solar Two塔式光熱發電系統曾驗證了將熔鹽作為熱工質的可行性，降低了塔式光熱發電系統的成本，加速了其大規模投入商業運行的進程。2016年，中國三峽金塔白水泉光熱項目獲批并開建，裝機容量100MW，該工程為目前世界最大的塔式光熱發電系統。

碟式光熱發電系統是利用一個或多個地面拋物線反射鏡，通過旋轉調整鏡面角度，實現對太陽直射角度的追蹤，吸熱器被布置在拋物線反射鏡的焦點上，吸收太陽輻射，將其轉化為熱能，對熱工質進行加熱，熱工質達到要求的溫度后，一部分進入蒸汽發生器產生水蒸氣帶動汽輪機發電，另一部分進入蓄熱罐將熱量存儲。1997年，美國已有碟式光熱發電系統并網運行；2017年，中國在內蒙古察右中旗啟動了50MW碟式光熱發電項目，拉開了中國大規模商業使用碟式光熱發電系統的序幕。

菲涅爾式光熱發電系統是利用平面鏡的二次反射，將太陽輻射聚焦到吸熱器，吸熱器對熱工質進行加熱，熱工質一般是水，水被加熱成水蒸氣后，推動汽輪機發電。相對于其他光熱發電系統模式需要使用拋物線鏡面進行反射，菲涅爾式光熱發電系統的平面鏡更易生產，前期投資成本較低。因菲涅爾式光熱發電技術近些年才發展成熟，目前還未大規模推廣。2012年，西班牙建成了Puerto Errado菲涅爾式光熱電站，該電站裝機容量30MW，是目前世界上裝機容量最大的菲涅爾式光熱電站。

目前已建成的光熱發電系統中，槽式光熱發電系統占80%以上，塔式光熱發電系統占10%以上，其他光熱發電系統占10%以內。目前四種最流行的光熱發電技術各有其特點，使用場合也不盡相同，應根據項目建設地區的實際條件進行規劃和設計，合理選擇光熱發電類型，以達到充分利用當地資源的目的。

盡管中國、美國、日本、德國等國家都已經規劃了一批光熱發電工程的建設，但大部分還在試驗運行，尚未投入大規模商業運行。未來若要利用光熱發電技術大規模地對太陽能進行利用，一些重要問題還需要實現突破。

首先，光熱發電的關鍵設備還需要進行技術攻關。當前光熱發電技術對太陽能的利用率并不高，槽式光熱發電系統大約在35%，塔式發電系統大約在25%，效率低下主要是對太陽能的吸收不足以及熱能轉化過程中能量流失過多造成的。未來光熱發電關鍵設備的研發過程中，尚需從這兩個方面解決光能利用率低下的問題。

其次，光熱發電站的規劃和選址仍需進行優化。從技術特點來看，光熱發電非常適合建設大規模發電站，而規模較大的發電站可能會對地區電網的布局和潮流產生影響。因此在對光熱發電站進行規劃時，必須要結合當地電網的實際情況統一規劃。諸如當前槽式光熱發電系統、塔式光熱發電系統和碟式光熱發電系統是已經成熟的技術，但是對于陽光照射的要求很高，適合建設在光照資源豐富的地區；菲涅爾式光熱發電系統雖然對光照要求不高，但是技術還不成熟，未來一段時間光熱發電的大規模建設仍然將集中在光照充足的地區。

最后，在全球范圍內光熱發電技術還屬于比較小眾的技術，所以運維和檢修人員嚴重缺乏、經驗嚴重不足。要解決這一問題，只能一方面通過實際運行積累經驗，另一方面需加強與擁有豐富光熱發電技術經驗的國家間的交流與合作。

相對于光伏發電技術和風力發電技術，光熱發電技術主要優勢在于其輸出的電能質量好。因光熱發電系統大多擁有儲能裝置，所以電能輸出穩定，不受間歇性光照的影響，且輸出電能具有可調節性，相對于需要采用電力電子設備進行環流的光伏發電技術，電能質量更好，對電網的沖擊也更小。光熱發電系統本質上與火力發電系統、水力發電系統的發電原理相似，利用旋轉電動機結合儲能的發電方式，不僅易于并網，還可以協助電網進行調峰、錯峰控制等。

而與光伏發電相比，光熱發電的主要缺陷在于其對周圍環境要求較高，需要建設在太陽直射強度較高的地區，另外，光熱發電系統還需要大量的水來進行冷卻。綜合各個方面，光熱發電系統的建設成本較高，每千瓦造價為光伏發電系統的2～3倍。因此，要大規模建設光熱發電站，還需要降低光熱發電技術對于地區條件的要求，并降低光熱發電的成本。

在未來的能源市場，光熱發電技術將成為主流發電技術。作為重要的太陽能利用技術，未來光熱發電技術將在三個方面實現突破，以加快其大規模應用，實現對太陽能的充分利用。

首先，在關鍵發電設備上，將持續取得技術創新。當前光電轉化效率不高的問題一直使光熱發電技術不能充分發揮其效益。未來當太陽能發電成為主要發電方式以后，光電轉化效率將成為關鍵，微小的提升都會帶來極大的經濟效益。另外，熱工質的選擇也影響著光熱發電的效率，因此傳統熱傳導介質的優化和新介質的研發也將成為重要的研究領域。

其次，未來光熱發電技術將配備更完備的儲能裝置。光熱發電技術擁有儲能環節，可使其輸出連續、穩定、可調節，受光照的強弱和間歇性的影響并不明顯，在并網以及協助電網調峰調谷方面具有很大的優勢，未來全球能源互聯網的可再生能源滲透率越來越高，光熱發電占的比例越來越大時，這一優勢將更加明顯。而先進且完備的儲能技術，是保證光熱發電輸出持續穩定，充分發揮其提高電網穩定性、調峰調谷作用的重要前提。

最后，光熱發電技術將與其他發電技術配合使用，解決電能消納問題。未來風力發電、光伏、光熱、儲能等技術將在同一區域配合使用。各種發電方式互相取長補短，完成多種可再生能源的消納和利用，將成為全球能源互聯網中可再生能源利用的主要方式，而光熱發電技術因良好的穩定性和電能輸出可靠性，必將在未來多種能源協調配合發電過程中發揮不可替代的作用。

3　光伏發電技術

光伏發電的原理如下圖所示。光伏電池陣列受到陽光照射后，因光電轉化效應產生直流電，直流電經逆變器最大功率跟蹤、并網逆變等環節轉化為交流電，并經升壓變壓器升壓后并入電網。

光伏發電系統主要有兩種形式，即集中式光伏發電系統和分布式光伏發電系統。集中式光伏發電系統一般電池陣列布置規模較大，并采用集中式光伏并網逆變器并入電網，其裝機容量較大，輸出的電能直接并入電網，接受電網的統一調度和規劃。例如，中國張家口可再生能源基地就建有大規模的集中式光伏發電系統。光伏發電的另外一種形式是分布式光伏發電系統。分布式光伏發電系統在電能轉換時主要采用組串式光伏并網逆變器，裝機容量較小，輸出的電能一部分供給小電網及當地用戶使用，剩余電能將送入大電網，目前分布式光伏發電方式在歐洲及南亞地區較為流行，中國西藏、新疆的部分地區也以屋頂光伏的形式存在部分分布式光伏發電系統。

光伏發電最關鍵的影響因素主要是光伏電池的光電轉化率和光伏并網逆變器的控制方式。光伏電池的光電轉化率決定了光伏發電系統能從陽光照射中獲取多少能量，逆變器控制技術則關系著光伏發電系統向電網輸出電能的質量，因此這兩項技術決定了光伏發電系統的性能和效率。

光伏電池主要是按照材料進行分類的。當前使用較多的光伏電池主要包括硅光伏電池、多元化合物薄膜光伏電池、聚合物薄膜光伏電池和納米晶光伏電池等。

硅光伏電池是目前應用最為廣泛的光伏電池，主要分為單晶硅光伏電池、多晶硅光伏電池和非晶硅光伏電池三種。單晶硅光伏電池利用高純度硅作為主要原料，具有較高的光電轉換效率，在實際工程應用中可以達到17%，但是單晶硅光伏電池對硅材料的要求較高，且制作工藝復雜，導致成本較高，因此目前只利用在光照強度不高、對供電可靠性要求較高的場合，如太空空間站、宇宙飛船等的蓄電池大多采用單晶硅電池。多晶硅光伏電池采用純度較低的多晶硅作為主要原料，對硅材料的純度要求不高，生產工藝簡單，成本較低，是目前光伏發電系統最常用的光伏電池。非晶硅光伏電池是采用特殊工藝使高純硅烷等氣體分解沉降而成，具有光電轉換效率高、成本低等優勢，適合大規模生產，而且電池本身重量較輕，非常有優勢。目前，非晶硅光伏電池因光電衰退效應導致的穩定性問題正在得到解決，將逐步實現大規模生產和應用。

多元化合物薄膜光伏電池與硅光伏電池的不同之處在于，多元化合物薄膜光伏電池不采用單一元素晶體作為發電材料，而是采用多種元素化合物作為發電材料。多元化合物光伏電池利用化合物的特性，擴大太陽能吸收光譜范圍，從而提升光電轉化率。多元化合物光伏電池擁有轉換效率高、成本低和性能穩定等特點，理論上是性能最好的光伏電池，正在逐步推向工業應用。但部分多元化合物光伏電池還存在一些缺陷，例如鎘化合物因構成元素鎘有毒，需先解決環保和安全性問題才可進一步推廣，銅鋅錫硫光伏電池目前仍在性能試驗和驗證階段，待完善后將投入實際應用。相比硅電池，多元化合物電池具有光電轉化效率高、生產成本低、有利于大規模制造等特點，但當前多數新材料還處于研發和完善階段，未來在光伏發電工程中的比重將逐步提升。

聚合物薄膜光伏電池則是以聚合物作為發電材料的光伏電池，相比于其他種類的光伏電池，具有質量小、生產工藝簡單、成本較低等優勢，但當前對于聚合物薄膜電池的研究才剛剛起步，該類電池具有光電轉化效率低、電池使用壽命短等特點，在大規模投入使用前，還需要完成一些技術攻關工作。

納米晶光伏電池是以納米材料作為發電材料的光伏電池，1991年出現的第一款納米晶光伏電池曾經引起轟動，被認為可解決光伏電池轉化率低、生產工藝復雜等問題。納米晶光伏電池具有原材料豐富、制造工藝簡單、環保、光電轉化效率高等優勢，有望成為未來主要的光伏發電電池。

光伏電池是光伏發電系統的核心組件，當前光伏電池產業發展的主要問題在于電池價格問題和光電轉化效率問題。光伏電池生產成本較高，導致光伏發電系統的成本較高，光電轉化效率較低，光伏發電行業的利潤不高，需依賴政策支持，隨著政策力度的減弱和取消，必將使行業發展步伐放緩。要解決這兩個問題，不但需要優化生產工藝，建立高效的生產流程，還要積極尋找成本低、效率高的光伏發電材料。未來光伏電池的性能和價格競爭力還有很大的提升空間，研發的突破也將為光伏產業的飛躍帶來新的動力。

光伏發電的逆變器控制主要包括兩方面：一方面是逆變器最大功率跟蹤；另一方面是逆變器的并網控制。最大功率跟蹤的目的是在光照不斷變化的過程中使光伏發電系統始終運行在最大功率點上，使其輸出最大功率，充分利用太陽能進行發電；逆變器的并網控制使光伏發電系統輸出的電流波形和頻率與電網保持一致，光伏發電系統能夠并網運行。因而，最大功率跟蹤和并網控制關系著光伏發電系統的輸出功率大小、電能質量和并網穩定性。

根據光伏電池的特性，在一定溫度和光照強度下，光伏電池存在一個最大功率點，當發電系統運行在這一點時，其輸出功率為該條件下的最大輸出功率。而在光伏電池實際運行過程中，溫度和光照強度等條件都是在不斷變化的，因此最大功率點也在一直變化，但外界溫度和光照強度的變化又無規律可循，難以通過數學方法確定其最大功率點，因此在光伏并網逆變器中都采用動態的控制策略對最大功率點進行跟蹤，保證光伏電池工作在最大功率點上，即最大功率跟蹤控制。

光伏發電系統要實現并網就要保證其輸出電流波形、頻率等參數滿足電網的要求，否則會被電網的控制保護系統當成非正常運行狀態而切出電網。逆變器并網控制的目的是使光伏系統輸出的交流電與電網保持同步同頻率，從而能夠順利接入電網并盡量減少對電網的不良影響。

未來光伏發電的逆變器作為光伏發電的核心設備，其發電效率主要從以下方面進行改進。

（1）提升光伏逆變器最大功率跟蹤的效率。最大功率跟蹤是光伏發電系統獲取最大輸出功率的最重要的環節，在同等光照條件下，最大功率跟蹤控制的效率決定了光伏發電系統的輸出功率。

（2）提高光伏逆變器的光電轉換率。當光伏逆變器完成最大功率跟蹤環節之后，將來自光伏電池的直流電轉換為交流電是逆變器的重要功能，逆變器換流時的損耗、對功率的吸收等都影響著整個光伏系統的能量利用率。因此，減少換流過程中的各種能量損失是提升光伏發電系統光電轉換率的重要措施。

（3）提高光伏逆變器的電網適應性。當前光伏發電系統不能很好地實現并網，導致光伏發電電能難以消納。當前光伏發電的送出技術已成為重要的研究課題，未來隨著柔性直流技術、光伏逆變控制技術的突破，光伏發電的并網和消納問題將得到解決。

未來光伏發電將有下面的發展趨勢。

（1）與其他發電方式相結合。目前風光熱儲技術已經非常成熟，利用風力發電、光伏發電、光熱發電和儲能技術互相配合，實現穩定的電能輸出，提高并網穩定性，將成為光伏發電技術應用的重要趨勢。中國在張北建設的國家風光儲輸示范工程，就是根據當地白天光照充足、夜晚風力資源豐富的環境特點，結合儲能技術，進行各種發電方式容量的合理規劃，實現了全天電能穩定輸出。

（2）分布式發電。未來在一些電網無法觸及以及不適宜建設電網的地區，分布式發電技術將是重要的電能供應技術，而控制靈活、啟停方便等特點也將使得分布式發電成為配合集中式發電，保證供電穩定性和可靠性的重要方式，光伏發電在成本、占地以及建設難度等方面都非常適合應用在分布式發電系統中。

（3）光伏發電與其他產業相融合的方式。農業光伏是當前光伏發電的重要運用方式，因薄膜光伏電池具有透光性，又可以儲存熱量，其發出的電能可作為農業用電，因此光伏與農業生產的結合非常適合在現代農業中應用。目前漁光互補、蔬菜大棚光伏都是比較有前景的發展方向。中國已經開始鼓勵農業光伏的發展，并出臺了相應的規劃和鼓勵政策，未來光伏產業與工業、服務業等行業的融合也是非常值得期待的。

4　太陽能發電技術應用前景廣闊

太陽能發電是解決當前困擾全球的環境問題和能源短缺問題的重要技術，充分合理利用太陽能發電是全球能源互聯網構建過程中實現“清潔替代”的關鍵步驟。目前全球太陽能發電裝機容量正快速增長，并逐步代替化石能源發電。未來可再生能源將成為主流發電方式，太陽能發電技術的完善和創新，將使太陽能這一取之不盡、用之不竭的清潔能源在全球能源供給中扮演更加重要的角色，更大程度地服務于人類的進步與發展。