请问设计制作一个太阳能发电系统,需要用到什么电路知识?
利用太阳能发电有两大类型,一类是太阳光发电(亦称太阳能光发电),另一类是太阳热发电(亦称太阳能热发电)。
太阳能光发电是将太阳能直接转变成电能的一种发电方式。它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电四种形式,在光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池。
太阳能热发电是先将太阳能转化为热能,再将热能转化成电能,它有两种转化方式。一种是将太阳热能直接转化成电能,如半导体或金属材料的温差发电,真空器件中的热电子和热电离子发电,碱金属热电转换,以及磁流体发电等。另一种方式是将太阳热能通过热机(如汽轮机)带动发电机发电,与常规热力发电类似,只不过是其热能不是来自燃料,而是来自太阳能。
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人们需要太阳能
现有能源
随着经济的发展、社会的进步,人们对能源提出越来越高的要求 ,寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。现有电力能源的来源主要有3种,即火电、水电和核电。
火电的缺点
火电需要燃烧煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料蕴藏量有限、越烧越少,正面临着枯竭的危险。据估计,全世界石油资源再有30年便将枯竭。另一方面燃烧燃料将排出二氧化碳和硫的氧化物,因此会导致温室效应和酸雨,恶化地球环境。
水电的缺点
水电要淹没大量土地,有可能导致生态环境破坏,而且大型水库一旦塌崩,后果将不堪设想。另外,一个国家的水力资源也是有限的,而且还要受季节的影响。 太阳能屋顶发电站
核电的缺点
核电在正常情况下固然是干净的,但万一发生核泄漏,后果同样是可怕的。前苏联切尔诺贝利核电站事故,已使900万人受到了不同程度的损害,而且这一影响并未终止。
太阳能满足新能源的条件
陕西清立新能源:这些都迫使人们去寻找新能源。新能源要同时符合两个条件:一是蕴藏丰富不会枯竭;二是安全、干净,不会威胁人类和破坏环境。目前找到的新能源主要有两种,一是太阳能,二是燃料电池。另外,风力发电也可算是辅助性的新能源。其中,最理想的新能源是太阳能。
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太阳能发电是最理想的新能源
照射在地球上的太阳能非常巨大,大约40分钟照射在地球上的太阳能,便足以供全球人类一年能量的消费。可以说,太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净,不产生公害。所以太阳能发电被誉为是理想的能源。
从太阳能获得电力,需通过太阳电池进行光电变换来实现。它同以往其他电源发电原理完全不同,具有以下特点:①无枯竭危险;②绝对干净(无公害);③不受资源分布地域的限制;④可在用电处就近发电;⑤能源质量高;⑥使用者从感情上容易接受;⑦获取能源花费的时间短。不足之处是:①照射的能量分布密度小,即要占用巨大面积;②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。但总的说来,瑕不掩瑜,作为新能源,太阳能具有极大优点,因此受到世界各国的重视。
要使太阳能发电真正达到实用水平,一是要提高太阳能光电变换效率并降低其成本,二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。
目前,太阳能电池主要有单晶硅、多晶硅、非晶态硅三种。单晶硅太阳电池变换效率最高,已达20%以上,但价格也最贵。非晶态硅太阳电池变换效率最低,但价格最便宜,今后最有希望用于一般发电的将是这种电池。一旦它的大面积组件光电变换效率达到10%,每瓦发电设备价格降到1-2美元时,便足以同现在的发电方式竞争。估计本世纪末便可达到这一水平。
当然,特殊用途和实验室中用的太阳电池效率要高得多,如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳电池,光电变换效率可达36%,快赶上了燃煤发电的效率。但由于它太贵,目前只能限于在卫星上使用。
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太阳能发电的应用
太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响,但可以分散地进行,所以它适于各家各户分别进行发电,而且要联接到供电网络上,使得各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司,不足时又可从电力公司买入。实现这一点的技术不难解决,关键在于要有相应的法律保障。现在美国、日本等发达国家都已制定了相应法律,保证进行太阳能发电的家庭利益,鼓励家庭进行太阳能发电。
日本已于1992年4月实现了太阳能发电系统同电力公司电网的联网,已有一些家庭开始安装太阳能发电设备。日本通产省从1994年开始以个人住宅为对象,实行对购买太阳能发电设备的费用补助三分之二的制度。要求第一年有1000户家庭、2000年时有7万户家庭装上太阳能发电设备。[1]
据日本有关部门估计日本2100万户个人住宅中如果有80%装上太阳能发电设备,便可满足全国总电力需要的14%,如果工厂及办公楼等单位用房也进行太阳能发电,则太阳能发电将占全国电力的30%-40%。当前阻碍太阳能发电普及的最主要因素是费用昂贵。为了满足一般家庭电力需要的3千瓦发电系统,需600万至700万日元,还未包括安装的工钱。有关专家认为,至少要降到100万到200万日元时,太阳能发电才能够真正普及。降低费用的关键在于太阳电池提高变换效率和降低成本。
不久前,美国德州仪器公司和SCE公司宣布,它们开发出一种新的太阳电池,每一单元是直径不到1毫米的小珠,它们密密麻麻规则地分布在柔软的铝箔上,就像许多蚕卵紧贴在纸上一样。在大约50平方厘米的面积上便分布有1,700个这样的单元。这种新电池的特点是,虽然变换效率只有8%—10%,但价格便宜。而且铝箔底衬柔软结实,可以像布帛一样随意折叠且经久耐用,挂在向阳处便可发电,非常方便。据称,使用这种新太阳电池,每瓦发电能力的设备只要1.5至2美元,而且每发一度电的费用也可降到14美分左右,完全可以同普通电厂产生的电力相竞争。每个家庭将这种电池挂在向阳的屋顶、墙壁上,每年就可获得一二千度的电力。
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太阳能发电的前景
太阳能发电有更加激动人心的计划。一是日本提出的创世纪计划。准备利用地面上沙漠和海洋面积进行发电,并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电。据测算,到2000年、2050年、2100年,即使全用太阳能发电供给全球能源,占地也不过为 65.11万平方公里、 186.79万平方公里、829.19万平方公里。829.19万平方公里才占全部海洋面积 2.3%或全部沙漠的 51.4%,甚至才是撒哈拉沙漠的 91.5% 。因此这一方案是有可能实现的。
另一是天上发电方案。早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想,准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板,上面布满太阳电池,这样便可提供500万千瓦电力。但这需要解决向地面无线输电问题。现已提出用微波束、激光束等各种方案。目前虽已用模型飞机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电,但离真正实用还有漫长的路程。
随着我国技术的发展,在2006年,中国有三家企业进入了全球前十名,标志着中国将成为全球新能源科技的中心之一,世界上太阳能光伏的广泛应用,导致了目前缺乏的是原材料的供应和价格的上涨,我们需要将技术推广的同时,必须采用新的技术,以便大幅度降低成本,为这一新能源的长远发展提供原动力!
太阳能的使用主要分为几个方面:家庭用小型太阳能电站、大型并网电站、建筑一体化光伏玻璃幕墙、太阳能路灯、风光互补路灯、风光互补供电系统等,现在主要的应用方式为建筑一体化和风光互补系统。
世界目前已有近200家公司生产太阳能电池,但生产设备厂主要在日企之手。
近年韩国三星、LG都表示了积极参与的愿望,中国海峡两岸同样十分热心。据报道,我国台湾2008年结晶硅太阳能电池生产能力达2.2GW,以后将以每年1Gw生产能力扩大,当年并开始生产薄膜太阳能电池,今年将大力增强,台湾期待向欧洲“太阳能电池大国”看齐。2010年各国及地区有1GW以上生产计划的太阳能电池厂商有日本Sharp,德国Q—Cells,Scho~Solar,拐5威RWESolar,中国SuntechPower等5家公司,其余7家500MW以上生产能力的公司。
近年世界太阳能电池市场高歌猛进,一片大好,但百年不遇的金融风暴带来的经济危机,同样是压在太阳能电池市场头上的一片乌云,主要企业如德国Q—Cells的业绩应声下调,预年今年世界太阳电地市场也会因需求疲软、石油价格下降而竞争力反提升等不利因素而下挫。但与此同时,人们也看到美国.奥巴马上台后即将施行GreenNewDeal政策,包括其内的绿色能源计划可有1500亿美元的补助资金,日本也将推行补助金制度来继续普及太阳能电池的应用。
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太阳能电池发电原理
太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种,如:单晶硅,多晶硅,非晶硅,砷化镓,硒铟铜等。它们的发电原理基本相同,现以晶体硅为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅,形成P-N结。 吉光光电当光线照射太阳能电池表面时,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子,使电子发生了越迁,成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差,当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是:光子能量转换成电能的过程。
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晶体硅太阳能电池的制作过程
储量丰富的硅
“硅”是我们这个星球上储藏最丰量的材料之一。自从19世纪科学家们发现了晶体硅的半导体特性后,它几乎改变了一切,甚至人类的思维。20世纪末,我们的生活中处处可见“硅”的身影和作用,晶体硅太阳能电池是近15年来形成产业化最快的。
生产过程
生产过程大致可分为五个步骤:a、提纯过程 b、拉棒过程 c、切片过程 d、制电池过程 e、封装过程。
以单晶硅为例,其生产过程可分为: 工序一,硅片清洗制绒
目的——表面处理:
清除表面油污和金属杂质;
去除硅片表面的切割损坏层;
在硅片表面制作绒面,形成减反射织构,降低表面反射率; 利用Si在稀NaOH溶液中的各向异性腐蚀,在硅片表面形成3-6 微米的金字塔结构,这样光照在硅片表面便会经过多次反射和折射,增加了对光的吸收;
工序二,扩散
硅片的单/双面液态源磷扩散,制作N型发射极区,以形成光电转换的基本结构:PN结。
POCl3 液态分子在N2 载气的携带下进入炉管,在高温下经过一系列化学反应磷原子被置换,并扩散进入硅片表面,激活形成N型掺杂,与P型衬底形成PN结。主要的化学反应式如下: POCl3 + O2 → P2O5 + Cl2 P2O5 + Si → SiO2 + P
工序三,等离子刻边
去除扩散后硅片周边形成的短路环; 工序四,去除磷硅玻璃
去除硅片表面氧化层及扩散时形成的磷硅玻璃(磷硅玻璃是指掺有P2O5的SiO2层)。
工序五,PECVD
目的——减反射+钝化:
PECVD即等离子体增强化学气相淀积设备,Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition;
制作减少硅片表面反射的SiN 薄膜(~80nm);
SiN 薄膜中含有大量的氢离子,氢离子注入到硅片中,达到表面钝化和体钝化的目的,有效降低了载流子的复合,提高了电池的短路电流和开路电压。
工艺原理:
硅烷与氨气反应生成SiN 淀积在硅片表面形成减反射膜。
利用高频电源辉光放电产生等离子体对化学气相沉积过程施加影响的技术。由于等离子体存在,促进气体分子的分解、化合、激发和电离,促进反应活性基团的生成,从而降低沉积温度。PECVD在200℃~500℃范围内成膜,远小于其它CVD在700℃~950℃范围内成膜。
反应过程中有大量的氢离子注入到硅片中,使硅片中悬挂键饱和、缺陷失去活性,达到表面钝化和体钝化的目的。
工序六,丝网印刷
用丝网印刷的方法,完成背场、背电极、正栅线电极的制作,已引出产生的光生电流;
工艺原理:
给硅片表面印刷一定图形的银浆或铝浆,通过烧结后形成欧姆接触,使电流有效输出;
正面电极用Ag金属浆料,通常印成栅线状,在实现良好接触的同时使光线有较高的透过率;
背面通常用Al金属浆料印满整个背面,一是为了克服由于电池串联而引起的电阻,二是减少背面的复合;
工序七,烘干和烧结
目的及工作原理:
烘干金属浆料,并将其中的添加料挥发(前3个区);
在背面形成铝硅合金和银铝合金,以制作良好的背接触(中间3个区);
铝硅合金过程实际上是一个对硅进行P掺杂的过程,需加热到铝硅共熔点(577℃)以上。经过合金化后,随着温度的下降,液
相中的硅将重新凝固出来,形成含有少量铝的结晶层,它补偿了N层中的施主杂质,从而得到以铝为受主杂质的P层,达到了消除背结的目的。
在正面形成银硅合金,以良好的接触和遮光率;
Ag浆料中的玻璃添加料在高温(~700度)下烧穿SiN膜,使得Ag金属接触硅片表面,在银硅共熔点(760度)以上进行合金化。
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聚光太阳能发电
聚光太阳能发电(Concentrating Solar Power)简称CSP,准确地说应该是“聚光太阳能热发电”。
聚光太阳能发电的先行者是美国的吉尔伯特·科恩,在美国内华达州建造极具规模的聚光太阳能发电站,已经成功地为拉斯维加斯供应22兆瓦的电力能源。
聚光太阳能发电继风能、光电池之后,已经开始崭露头角,有望成为解决能源匮乏、应对气候变暖的有效技术手段。
基本原理:聚光太阳能发电使用抛物镜将光线聚集到充有合成油的吸热管上,再将加热到约400摄氏度的合成油输送到热交换器里,将热量通过此加热循环水,将水加热,产生水蒸气,推动涡轮转动使发电机运转,以此来发电。
聚光太阳能发电与太阳能电池不同,太阳能电池使用太阳电池板将太阳能直接变成电能,可以在阴天操作,CSP一般只能够在阳光充足、天气晴朗的地方进行。
不过,即使在没有太阳的夜晚,采用熔融盐储存热量的方法,现在也能解决全天候的供电问题了。
国际能源署(IEA)下属的SolarPACES、欧洲太阳能热能发电协会(ESTELA)和绿色和平组织的预测则较为温和,认为CSP到2030年在全球能源供应份额中将占3%-3.6%,到2050年占8%-11.8%,这意味着到2050年CSP装机容量将达到830GW,每年新增41GW。在未来5-10年内累计年增长率将达到17%-27%。
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太阳能电池的应用
通信卫星供电
上世纪60年代,科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术——通信卫星供电,上世纪末,在人类不断自我反省的过程中,对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切,不仅在空间应用,在众多领域中也大显身手。如:太阳能庭院灯、太阳能发电户用系统、村寨供电的独立系统、光伏水泵(饮水或灌溉)、通信电源、石油输油管道阴极保护、光缆通信泵站电源、海水淡化系统、城镇中路标、高速公路路标等。欧美等先进国家,将光伏发电并入城市用电系统及边远地区自然界村落供电系统纳入发展方向。太阳电池与建筑系统的结合已经形成产业化趋势。
离网发电系统
太阳能发电[1]控制器(光伏控制器和风光互补控制器)对所发的电能进行调节和控制,一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载,另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存,当所发的电不能满足负载需要时,控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后,控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时,控制器要控制蓄电池不被过放电,保护蓄电池。控制器的性能不好时,对蓄电池的使用寿命影响很大,并最终影响系统的可靠性。
蓄电池组的任务是贮能,以便在夜间或阴雨天保证负载用电。
逆变器负责把直流电转换为交流电,供交流负荷使用。逆变器是光伏风力发电系统的核心部件。由于使用地区相对落后、偏僻,维护困难,为了提高光伏风力发电系统的整体性能,保证电站的长期稳定运行,对逆变器的可靠性提出了很高的要求。另外由于新能源发电成本较高,逆变器的高效运行也显得非常重要。
产品包括:A、光伏组件 B、风机 C、控制器 D、蓄电池组 E、逆变器 F、风力/光伏发电控制与逆变器一体化电源。
并网发电系统
上海力友电气有限公司的可再生能源并网发电系统是将光伏阵列、风力机以及燃料电池等产生的可再生能源不经过蓄电池储能,通过并网逆变器[2]直接反向馈入电网的发电系统。
因为直接将电能输入电网,免除配置蓄电池,省掉了蓄电池储能和释放的过程,可以充分利用可再生能源所发出的电力,减小能量损耗,降低系统成本。并网发电系统能够并行使用市电和可再生能源作为本地交流负载的电源,降低整个系统的负载缺电率。同时,可再生能源并网系统可以对公用电网起到调峰作用。网发电系统是太阳能风力发电的发展方向,代表了21世纪最具吸引力的能源利用技术。
产品包括:A、光伏并网逆变器 B、小型风力机并网逆变器 C、大型风机变流器 (双馈变流器,全功率变流器)
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太阳能发电技术原理
现在,太阳能的利用还不是很普及,利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题,但是太阳能电池在为人造卫星提供能源方面得到了应用。太阳能是太阳内部或者表面的黑子连续不断的核聚变反应过程产生的能量。地球轨 道上的平均太阳辐射强度为1369w/㎡。地球赤道的周长为40000km,从而可计算出,地球获得的能量可达173000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kw/m2,地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kw/㎡,相当于有102000TW 的能量,人类依赖这些能量维持生存,其中包括所有其他形式的可再生能源(地热能资源除外),虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍,但太阳能的能量密度低,而且它因地而异,因时而变,这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。 尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量的22亿分之一,但已高达173,000TW,也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳;即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然气等)从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能,所以广义的太阳能所包括的范围非常大,狭义的太阳能则限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。
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太阳能发电网
中国太阳能发电网以互联网作为信息平台,以光伏、光热及太阳能发电行业的整个产业链的企业要闻、行业政策、技术动态、产业观察等信息作为主要内容,是致力于为太阳能发电企业提供行业新鲜、权威的资讯产品,为政府机关、能源企事业单位、科研院所、行业协会、学会提供资讯服务、咨询服务、资本运作、项目合作等综合服务的信息咨询公司。积极利用自身行业优势,探索将新技术、新资源,新媒体进行整合,尝试新思维、新模式有机结合,创新绿色能源发展路径,致力打造成中国太阳能发电企业的权威网站、极
具影响力的行业媒体平台——“中国太阳能发电网”。
《太阳能发电》杂志
《太阳能发电》杂志,是中国太阳能发电网下的专业平媒, 杂志以太阳能发电业界的权威人士为采访对象,每月推出一位重点人物,以探寻名企生产运行的战略方针,对目前国家相关政策的解读等。内设高端访谈、特别企划、阳光资讯、产业研究、技术论坛、国际观察、前沿动态等栏目,努力打造成网刊一体、网刊互动的综合性行业媒体平台。
可再生能源联网规划与运行是高比例可再生能源电力系统规划优化、运行优化、稳定与控制、电力电子装备4个方面。发展可再生能源是能源转型的重要途径,高比例可再生能源并网是未来我国电力系统的重要特征。
摘要:20世纪的后工业时代,人类生存和社会发展对能源的依赖越来越大,能源危机也在一定程度上拖慢了经济发展的速度。本文从我国能源发展现状和新能源、可再生能源的开发利用及其特点着眼,分析了太阳能、风能、核能等清洁可再生能源的可利用价值和利用途径,针对我国现阶段的发展状况进行思考,并做出了总结。
关键词:新能源;开发利用;太阳能;风能;核能
1 引言
谈及中国未来的发展,能源问题是无论如何也绕不过的。在很大程度上,可以说能源是中国进一步发展的前提。中国未来能源中可再生能源的比重很可能要比现在高得多,陈旧过时、设计落后的输电网将被淘汰,也就是说,由尖端数控、电子配电和更高负荷输电线路构成的智能输电网所替代。2009年12月,全球瞩目的新一轮联合国气候变化大会在丹麦首都哥本哈根召开,虽然未达成实质性的协议,但是哥本哈根会议有望成为世界全面向低碳时代转型的历史转折点。从大的方向上看,可持续的低碳和绿色经济,也必将是未来世界发展的大势所趋,这将会给新能源、环保等新兴产业带来机遇[1]。
低碳经济的迅速蔓延并非偶然。早在各国意识到传统化石能源不可再生的危机时,低碳经济就已经开始孕育。在席卷全球的金融危机和全球气候变化的巨大压力下,各国政府纷纷推出绿色政策,低碳经济模式得到普遍认可。低碳时代要求高效利用能源、开发清洁能源、追求绿色GDP,核心是能源技术和减排技术创新、产业结构和制度创新以及人类生存发展观念的根本性转变。低碳式发展模式的一个关键环节就是发展绿色新能源,主要包括太阳能、风能、核能以及地热能、氢能等多种能源,它们的特点是污染少,能量可持续或者是能量来源成本较低。本文中着重介绍太阳能、风能以及核能等重要新能源的利用现状和发展前景。
2 新能源的来源和简介
2.1 太阳能
2.1.1 太阳能的定义及发展史
太阳能(Solar Energy),又称太阳辐射能,指的是太阳以电磁辐射形式向宇宙空间发射的能量,也可以描述为太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能,其中约二十亿分之一到达地球大气层,是地球上光和热的源泉。
随着经济的发展、社会的进步,人们对能源提出越来越高的要求,寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存,而自古人类也懂得以阳光晒干物件,并作为保存食物的方法,如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下,才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用(光热转换)和光电转换两种方式。太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源,如风能,化学能,水的势能等等。
2.1.2 太阳能的分类
(1)太阳能光伏
光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置,由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分,故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源,较复杂的光伏系统可为房屋提供照明,并为电网供电。光伏板组件可以制成不同形状,而组件又可连接,以产生更多电力。近年,天台及建筑物表面均会使用光伏板组件,甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分,这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。
(2)太阳热能
现代的太阳热能科技将阳光聚合,并运用其能量产生热水、蒸气和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外,建筑物亦可利用太阳的光和热能,方法是在设计时加入合适的装备,例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。
2.1.3 太阳能的开发途径
(1)光热利用
它的基本原来是将太阳辐射能收集起来,通过与物质的相互作用转换成热能加以利用。目前使用最多的太阳能收集装置,主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器等3种。通常根据所能达到的温度和用途的不同,而把太阳能光热利用分为低温利用(<200℃)、中温利用(200~800℃)和高温利用(>800℃)。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太阳能温室、太阳能空调制冷系统等,中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等,高温利用主要有高温太阳炉等。
(2)太阳能发电
未来太阳能的大规模利用是用来发电。利用太阳能发电的方式有多种。目前已实用的主要有以下两种:
①光—热—电转换。即利用太阳辐射所产生的热能发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽,然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光—热转换,后一过程为热—电转换。
②光—电转换。其基本原理是利用光生伏打效应将太阳辐射能直接转换为电能,它的基本装置是太阳能电池。
(3)光化利用
这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光—化学转换方式。
(4)光生物利用
通过植物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。目前主要有速生植物(如薪炭林)、油料作物和巨型海藻。
2.1.4 太阳能发电的优点
照射在地球上的太阳能非常巨大,大约40分钟照射在地球上的太阳能,便足以供全球人类一年能量的消费。可以说,太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净,不产生公害。所以太阳能发电被誉为是理想的能源。
从太阳能获得电力,需通过太阳电池进行光电变换来实现。它同以往其他电源发电原理完全不同,具有以下特点:①无枯竭危险;②绝对干净(无公害);③不受资源分布地域的限制;④可在用电处就近发电;⑤能源质量高;⑥使用者从感情上容易接受;⑦获取能源花费的时间短。不足之处是:①照射的能量分布密度小,即要占用巨大面积;②获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。但总的说来,瑕不掩瑜,作为新能源,太阳能具有极大优点,因此受到世界各国的重视。
2.2 风能
2.2.1 风能的定义及发展史
风能是因空气做功而提供给人类的一种可利用的能量。空气流具有的动能称风能。空气流速越高,动能越大。现在人们通常用风车把风的动能转化为旋转的动作去推动发电机,以产生电力。据统计到2008年为止,全球以风力产生的电力约有94.1百万千瓦,供应的电力已超过全球用量的1%。风能虽然还不是大多数国家的主要能源,但在1999年到2005年之间已经成长了四倍以上。
风能量是丰富、近乎无尽、分布广泛、环保无污染。人类利用风能的历史可以追溯到西元前,但数千年来,风能技术发展缓慢,没有引起人们足够的重视。自1973年世界石油危机以来,在常规能源告急和全球生态环境恶化的双重压力下,风能作为新能源的一部分才重新有了长足的发展。风能作为一种无污染和可再生的新能源有着巨大的发展潜力,特别是对沿海岛屿,交通不便的边远山区,地广人稀的草原,以及远离电网和近期内电网还难以达到的农村、边疆,风能作为解决生产和生活能源有着重要的意义。即使在发达国家,风能作为一种高效清洁的新能源也日益受到重视。
2.2.2 风能的来源
风是地球上的一种自然现象,它是由太阳辐射热引起的,风能是太阳能的一种转化形式。空气流动所形成的动能即为风能。太阳辐射到地球表面,地球表面各处受热不同,产生温差,从而引起大气的运动形成风。风能就是空气的动能,风能的大小决定于风速和空气的密度。据估计到达地球的太阳能中虽然只有大约2%转化为风能,但其总量仍是十分可观的。全球的风能约为2.74×109MW,其中可利用的风能为2×107MW,比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。
2.2.3 风能的利用和经济性
风能利用形式主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能量。在赤道和低纬度地区,太阳高度角大,日照时间长,太阳辐射强度强,地面和大气接受的热量多、温度较高;在高纬度地区太阳高度角小,日照时间短,地面和大气接受的热量小,温度低。这种高纬度与低纬度之间的温度差异,形成了中国南北之间的气压梯度,使空气作水平运动。
利用风来产生电力所需的成本已经降低许多,即使不含其他外在的成本,在许多适当地点使用风力发电的成本已低于燃油的内然机发电了。风力发电年增长率在2002年时约25%,现在则是以38%的比例快速成长。2003年美国的风力发电成长就超过了所有发电机的平均成长率。自2004年起,风力发电更成为在所有新式能源中已是最便宜的了,在2005年风力能源的成本已降到1990年代时的五分之一,而且随着大瓦数发电机的使用,下降趋势还会持续。
2.2.4风能的优缺点
(1)优点
风能是一种洁净的能量来源,随着风能设施逐渐进步,大量生产降低成本,在一些地区,风力发电成本低于发电机。风能设施多为不立体化设施,可保护陆地和生态环境。风力发电是可再生能源,很环保。
(2)风力发电在生态上的问题是可能干扰鸟类,目前的解决方案是离岸发电,离岸发电价格较高但效率也高。在一些地区,风力发电存在经济性不足:许多地区的风力存在间歇性。风力发电需要大量土地兴建风力发电场,才可以生产比较多的能源。进行风力发电时,风力发电机会发出庞大的噪音,所以需要空旷的地方来兴建。现在的风力发电还未成熟,还有相当大的发展空间。
2.3 核能
2.3.1 核能的定义
核能是通过转化其质量从原子核释放的能量,符合阿尔伯特•爱因斯坦的质能方程E=mc2,其中E=能量,m=质量,c=光速常量。核能的释放主要包括核裂变能、核聚变能、核衰变能三种形式。
2.3.2 核能发电原理
核能发电利用铀燃料进行核分裂连锁反应所产生的热,将热水加热成高温高压,核反应所放出的热量较化石燃料所放出的能量要高很多(相差约百万倍),比较起来所需要的燃料体积比火力电厂少相当多。核能发电所使用的的铀-235纯度只约占3%-4%,其余皆为无法产生核分裂的铀-238。核能发电的能量来自核反应堆中可裂变材料(核燃料)进行裂变反应所释放的裂变能。裂变反应指铀-235、钚-239、铀-233等重元素在中子作用下分裂为两个碎片,同时放出中子和大量能量的过程。反应中,可裂变物的原子核吸收一个中子后发生裂变并放出两三个中子。
2.3.3 核能发电的优缺点
(1)优点
核能发电不像化石燃料发电那样排放巨量的污染物质到大气中,因此核能发电不会造成空气污染,同时也不会产生二氧化碳等温室气体。而且核电的燃料铀燃料到目前为止没有其他的特别用途。燃料费在核能发电的成本中所占比例较低,核能发电的成本比较稳定,不易受到国际经济形势的影响。
(2)缺点
核能发电时仅将1/3的热能转化为电能,其余2/3的余热需藉循环冷却水排出厂外,冷却水的最佳来源就是天然海水,故核电厂多设置于海边(或河边)。因此废水的排出会对海洋环境造成一定的影响。水温因废水会增高2-3℃,如果持续很久会对无脊椎动物及海藻类生物都有不良影响。例如南湾核三厂附近的珊瑚大量白化死亡。而且废料的处理也是一大问题。
3 我国新能源的开发利用现状
3.1 太阳能
3.1.1 太阳能发电的应用
虽然太阳能有多种开发途径,但是目前应用最广泛且最有前景的途径就是太阳能发电。
太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响,但可以分散地进行,所以它适于各家各户分批进行发电,而且要联接到供电网络上,使得各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司,不足时又可从电力公司买入。实现这一点的技术不难解决,关键在于要有相应的法律保障。现在美国、日本等发达国家都已制定了相应法律,保证进行太阳能发电的家庭利益,鼓励家庭进行太阳能发电。太阳能发电具有布置简便以及维护方便等特点,应用面较广,现在全球装机总容量已经开始追赶传统风力发电,在德国甚至接近全国发电总量的5%-8%。
3.1.2 太阳能电池的应用
太阳能电池是一个对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种,如:单晶硅,多晶硅,非晶硅,砷化镓,硒铟铜等。它们的发电原理基本相同,现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅,形成P-N结。当光线照射太阳能电池表面时,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子,使电子发生了越迁,成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差,当外部接通电路时,在该电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是:光子能量转换成电能的过程。
(1)通信卫星供电
上世纪60年代,科学家们就已经将太阳电池应用于空间技术——通信卫星供电,上世纪末,在人类不断自我反省的过程中,对于光伏发电这种如此清洁和直接的能源形式已愈加亲切,不仅在空间应用,在众多领域中也大显身手。
(2)离网发电系统
太阳能发电控制器(光伏控制器和风光互补控制器)对所发的电能进行调节和控制,一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载,另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存,当所发的电不能满足负载需要时,控制器又把蓄电池的电能送往负载。蓄电池充满电后,控制器要控制蓄电池不被过充。当蓄电池所储存的电能放完时,控制器要控制蓄电池不被过放电,保护蓄电池。蓄电池组的任务是贮能,以便在夜间或阴雨天保证负载用电。
(3)并网发电系统
并网发电系统是将光伏阵列、风力机以及燃料电池等产生的可再生能源不经过蓄电池储能,通过并网逆变器直接反向馈入电网的发电系统。因为直接将电能输入电网,免除配置蓄电池,省掉了蓄电池储能和释放的过程,可以充分利用可再生能源所发出的电力,减小能量损耗,降低系统成本。并网发电系统能够并行使用市电和可再生能源作为本地交流负载的电源,降低整个系统的负载缺电率。同时,可再生能源并网系统可以对公用电网起到调峰作用。网发电系统是太阳能风力发电的发展方向,代表了21世纪最具吸引力的能源利用技术。
3.1.3 我国太阳能开发现状
中国蕴藏着丰富的太阳能资源,太阳能利用前景广阔。目前,我国太阳能产业规模已位居世界第一,是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。我国比较成熟太阳能产品有两项:太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统。
《可再生能源法》的颁布和实施,为太阳能利用产业的发展提供了政策保障;京都议定书的签定,环保政策的出台和对国际的承诺,给太阳能利用产业带来机遇;西部大开发,为太阳能利用产业提供巨大的国内市场;原油价格的上涨,中国能源战略的调整,使得政府加大对可再生能源发展的支持力度,所有这些都为中国太阳能利用产业的发展带来极大的机会。
3.2 风能
3.2.1 风能发电的应用
风力发电在19世纪末就开始登上历史的舞台,在一百多年的发展中,一直是新能源领域的独孤求败,由于它造价相对低廉,成了各个国家争相发展的新能源首选。风能作为一种新兴的环保的可再生能源已越来越受到关注,人类对其的利用技术也日趋成熟。我国风能有相当大的开发和利用空间,在风能充沛的地区广泛建立风力发电站可以大大的缓解我国能源缺乏的问题。
3.2.2 我国的风能利用
我国位于亚洲大陆东部,濒临太平洋,季风强盛,内陆还有许多山系,地形复杂,加之青藏高原耸立我国西部,改变了海陆影响所引起的气压分布和大气环流,增加了我国季风的复杂性。冬季风来自西伯利亚和蒙古等中高纬度的内陆,那里空气十分严寒干燥,冷空气积累到一定程度,在有利高空环流引导下,就会爆发南下,在此频频南下的强冷空气控制和影响下,形成寒冷干燥的西北风侵袭我国北方各省。每年冬季总有多次大幅度降温的强冷空气南下,主要影响我国西北、东北和华北,直到次年春夏之交才消失。夏季风是来自太平洋的东南风、印度洋和南海的西南风,东南季风影响遍及我国东部地区,西南季风则影响西南各省和南部沿海,但风速远不及东南季风大[2]。
青藏高原地势高亢开阔,冬季东南部盛行偏南风,东北部多为东北风,其他地区一般为偏西风,夏季大约以唐古拉山为界,以南盛行东南风,以北为东至东北风。我国幅员辽阔,陆疆总长达2万多公里,还有18000多公里的海岸线,边缘海中有岛屿5000多个,风能资源丰富。我国现有风电场场址的年平均风速均达到6米/秒以上。一般认为,可将风电场风况分为三类:年平均风速6米/秒以上时为较好;7米/秒以上为好;8米/秒以上为很好。
中国风力资源极为丰富,风能发电很可能作为可再生能源的主力军在今后能源产业中起到领军作用。中国气象科学院研究员朱瑞兆提供的数据显示,中国风能资源仅次于美国和俄罗斯,居世界第三[3]。已探明的中国风能理论储量为32.26亿千瓦,可利用开发为2.53亿千瓦。风能如果能够全部利用起来,将满足当前能源需求的近1/4。
3.3 核能
3.3.1 世界核能发电现状
核能发电作为核能应用中发展最快的一支,第一座商业用核电厂1957年在美国宾州开始运转。1986年,前苏联切尔诺贝利核电厂发生重大事故,这一历史上最严重的核能事故,除了导致人员伤亡、土地污染等后果外,某种程度上也直接影响了核工业的前进脚步。核能从世界发展最快的能源沦为发展最慢的能源。当然,当时全球电力过剩、油价低廉、经济不景气等原因也进一步促使核电发展“一蹶不振”,二十多年后的今天,在国际能源危机的背景下,已在适应经济的快速增长和对环保的迫切要求上显示出巨大竞争力的核电,再次被提上议事日程,法国有关专家认为,芬兰建造的第三代核电站和法国兴建的同样的核电站将开启新一轮的核电发展高峰。
全世界核电当前状况有很大的不同。在30个已经具有核发电能力的国家中,核反应堆的发电百分比从法国的78%到中国的仅仅2%。截至2008年3月,全世界总计有439座核反应堆,另有35座正在建造。美国最多,有104座,法国次之,有59座,日本55座,而俄罗斯有31座并另有7座在建造中。核电发展集中在亚洲。正在建造中的35座反应堆中总共有20座在亚洲,而最近并网发电的39座反应堆中的28座也是在亚洲[4]。
3.3.2 核能应用全球升温
有越来越多的人在讨论核能发电,常常涉及诸如全球变暖和气候变化之类的更广泛的问题。是什么推动了对核电期望的上升呢?能源预测一直表明世界对能源的需求有持久的长期增长。同时新的环境限制——像京都议定书的生效等存在着避免温室气体排放的一些实际财政利益。
中国目前面临着能源需求的急剧增长,因此正在十余利用一切可能的能源包括核能来扩大其发电容量。目前中国的核电仅占全国能源总量的2%,但是为了配合国家能源结构调整,中国首先要发展的就是核电。中国核电发展的最新目标是:到2020年前要新建核电站31座,在运行核电装机容量4000万千瓦,在建核电装机容量1800万千瓦[5]。
4 中国新能源发展的战略思考
我国具有丰富的新能源和可再生能源资源:水能可开发资源为3178亿千瓦,目前已开发利用11%;生物质能资源,包括农作物秸秆、薪柴和各种有机废物,利用量约为216亿吨标准煤,占农村生活能源消费的70%,占整个用能的50%;我国太阳能年总辐射量超过60万焦耳/平方厘米,开发利用前景广阔;风能资源总量为16亿千瓦,约10%可供开发利用;地热资源尚待继续勘探,目前已探明的地热储量约为4626亿吨标准煤,现利用的仅约十万分之一;我国海洋能源资源亦十分丰富,其中可开发的潮汐能就有2000万千瓦以上[6]。
我国政府高度重视可再生能源的研究与开发。国家经贸委制定了新能源和可再生能源产业发展的“十五”规划,并制定颁布了《中华人民共和国可再生能源法》,重点发展太阳能光热利用、风力发电、生物质能高效利用和地热能的利用。我国政府承诺到2020年中国单位GDP二氧化碳排放将比2005年下降40%~45%,到2020年我国非化石能源占一次能源消费的比例达到15%左右[1]。
从第四届新能源国际高峰论坛获悉,2009年中国可再生能源在一次性能源消费结构中所占的比例已从2008年的8.4%提升至9.9%。2009年,国内一次性能源消费结构中,煤炭占68.7%,石油占18%,天然气占3.4%,非化石能源,即可再生能源消费比重上升到9.9%。根据国务院2009年年底提出的目标,到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右。从9.9%至15%,可再生能源需提升的比重虽不算太大,但考虑到未来中国能源需求的巨大增长,上述目标的实现仍面临考验。2009年,我国能源消费总量为30亿吨标准煤。专家预测,到2020年,能源需求总量可能高达45亿吨标准煤,这意味着新能源领域必须加大投入才能确保消费比重稳定提升。根据初步分析判断,要实现可再生能源消费比重达15%的目标,到2020年我国水电装机容量要达到3亿kw以上,核电投运装机容量达到6000万kw至7000万kw,风电、太阳能及其他可再生能源利用量达到1.5亿吨标准煤以上[7]。
因此,中国长远目标应该是以风能、太阳能以及核能为主,适当发展生物质能、垃圾焚烧、沼气、地热等能源,建立多元化的新能源利用体系,合理均衡地发展新能源。
5 总结与讨论
20世纪的后工业化时代,能源和人类生存有着紧密的关系,能源危机拖慢了经济发展的速度。电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急,我国作为能源消耗大国,不得不考虑改变能源结构,走可持续发展道路,保证能源的可持续供给。能源枯竭和环境恶化已成为人类可持续发展的重大威胁,新能源开发迫在眉睫。新能源即将成为人类历史上的“第四次能源革命”,新能源产业将成为战略性新兴产业已经成为全球共识[8]。
欧美日等发达国家以及众多的发展中国家,纷纷投入到新能源领域,以在未来国际竞争中占有一席之地。中国也顺应潮流将新能源发展提上战略日程,但却面临缺乏规划、技术创新不足、应用障碍多、发展不均衡等问题。通过出台战略规划加强引导,通过加大技术创新、完善基础设施、建立补贴机制和能源利益调节等完善提高实用性,通过产业政策和市场培育政策完善产业链条扩展市场容量,通过多元化策略建立合理的新能源体系,是中国在新能源发展方面的必然战略选择。
发展新能源任重而道远。在未来中国,新能源将会,也必须得到大力发展。这样在未来的“低碳经济”时代,中国才有机会掌握应有的话语权,才能在国际竞争中立于不败之地。
参考文献:
[1] 胡兴军,新型能源迎来大发展机遇,新材料产业,2010(4),53~57
[2] 风能:领军新能源,消息,华北电力技术,2010(5),50
[3] 朱瑞兆,风电场风资源卫星遥感地理信息综合评估和选址研究,中国气象科学研究院年报,1997(00),41~50
[4] Alan McDonald,世界核电形势,国际原子能机构通报,2008,49(2),45~48
[5] 2007年中国能源发展报告
[6] 姚岩峰,我国新能源开发利用现状及未来发展趋势研究分析,中国市场,2010(22),16~17
[7] 能源经济资讯,中国可再生能源消费比重达到9.9%,能源技术经济,2010(22),68
[8] 柳士双,中国新能源发展的战略思考,经济与管理,2010,24(6),5~9
混合能源系统是基于太阳能、风能、柴油发电机组、市电储能等能源混合为一体的能源系统,其不仅可以降低用电成本,还可以提高供电系统的可靠性,可应用在海岛、边防哨所、电信基站、别墅、工商业储能等离网或并网混合能源供电系统。
HES9510混合能源控制器可用于柴油发电机组与太阳能,风能,储能电池等以逆变器做为电源输出的能源系统。它可以控制逆变电源的起/停机,输出模式,功率输出大小以及输出断路器的合分闸,也可以根据负载情况,控制系统中的发电机组的起停,为逆变电源提供旋转备用,还可以控制变流器对储能电池进行充放电管理等功能。
HES9510可应用在有市电或无市电能源系统中。控制器可控制市电、发电机组、储能电站、PV电站或风力电站使用的优先级。 每种能源可单独设置优先级,优先级数值越小,优先级越高,同时也支持动态调整优先级。
在有市电的系统中,系统可由市电,光伏和柴油发电机组组成,正常运行时光伏并网发电,在市电功率限制、阶梯电价电费高等原因时,最大限度的减少市电使用。在市电故障时,光伏和发电机组并网带载并通过对光伏输出功率的控制,使柴油发电机组以最小的功率输出,并且可以通过对光伏输出功率的控制,可以防止在和柴油发电机组并网运行时造成柴油发电机组逆功。
在无市电的系统中,系统可由光伏、风电,储能和柴油发电机组组成。白天风能和光伏带载并为储能电池组充电;晚上风能和储能电池组带载,当储能电池组电量不足时,柴油发电机组带载。