太阳能发电的最新发展趋势

电工文摘／综述2011.6 1１　能源危机 浩瀚宇宙，博大精深，星球密布，资源丰富。

当前人类开发的只有地球，而其资源将被耗尽。

最近国际会议上发表的专家调研报告指出，不可再生能源直到枯竭为止的剩余利用年限如下：煤——１６４年，石油——４１年，天然气——６７年。

核能原料（铀）只占石化燃料总量的１％。

地球资源、能源的开发利用，与１９００年（大致是工业化开始起步的年代）比，在２０５０年达到高峰，蕴藏量将减少到１／５的低谷，而环境污染程度最严重的高峰年代将是２０４０年，将达到１９００年的１２０倍。

经济的高速发展离不开能源的支持，一方面，常规能源在人们过度使用下已经出现短缺现象，能源危机成为摆在世界各国面前的一个巨大难题；另一方面，世界环境继续恶化，温室效应和空气污染成为威胁人类生存的两大因素。

为了实现能源和环境的可持续发展，世界各国都将太阳能发电作为发展的方向。

２　太阳能量 太阳不停地向宇宙空间中发送巨大的能量。

太阳注入地球表面的能量密度，在转换为电功率后约为１　ｋＷ／ｍ２，总功率可达１．２５×１０８　ＧＷ。

太阳能是一种取之不尽、用之不竭的巨大能源，同时还是一种可再生的清洁的新能源。

到达地球表面的太阳能，大约相当于目前全世界所有发电能力总和的２０万倍。

地球每天接收的太阳能，相当于全球一年所消耗的总能量的２００倍。

与其他能源相比，太阳能不会产生有毒、有害气体和废渣，因而不污染环境。

同时太阳光随处都可以得，使用方便、安全；成本低廉，可以再生。

太阳能除去数量巨大之外，还能长期供给，理论计算太阳尚可维持数十亿年之久，此外，太阳能随处都有，不需开采和运输，并且是没有任何污染的清洁能源。

这些都是它的独特之处。

但是，它的能量密度很低，只有１　Ｗ／ｍ２，并且受气候影响，具有不稳定性，这些又给太阳能的利用带来很大困难。

在新能源中，当前太阳能发电的成本较高，大约是生物质发电（沼气发电）的７～１２倍，风能发电的６～１０倍。

但太阳能与其他新能源相比在资源潜力和持久适用性方面更具优势，从长远前景来看，太阳能发电是最具潜力的战略替代发电技术。

到本世纪后期，太阳能发电将在世界电能结构中占据８０％的位置。

太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。

太阳光能发电和热能发电都是太阳能发电的主要形式，国际上并没有哪一种是主流之说。

只是每个国家根据自己的资源条件和战略需求进行侧重发展。

例如，德国、日本是光能发电的主要市场；西班牙和美国等则以太阳热能发电为主，装机容量比较多。

我国对光电更加青睐。

３　光能发电 太阳电池是美国于１９５４年发明的，最早是在１９５８年３月用于人造卫星。

阳光发电系统主要是利用学校、体育馆、其它建筑物的屋顶、墙壁、商业街的拱廊、铁路的站台和大沙漠等能够铺设光伏电池板的地方。

阳光发电将加入全球联网，从而使发电、输电、贮电、配电等成本大为降低。

个别区段的供电间隔，比如夜间无阳光、不发电时，在美洲可由加拿大的水电提供，在欧洲可由法国的核电提供，在欧亚地区可由俄国的潮汐发电提供。

俄罗斯的规划表明，潮汐发电能源巨大，将向欧亚售电。

这种全球互联网络，即使戈壁滩大沙漠的巨大阳光发电系统供电间断（比如夜间），也能保证电平衡至２０１０年，全球光伏发电装机容量将达到１５　ＧＷ，未太阳能发电的最新发展趋势哈尔滨电机厂有限责任公司 赵平平摘要：在新能源中，当前太阳能发电的成本较高，大约是生物质发电（沼气发电）的７～１２倍，风能发电的６～１０倍。

但太阳能与其他新能源相比在资源潜力和持久适用性方面更具优势，从长远前景来看，太阳能发电是最具潜力的战略替代发电技术。

到本世纪后期，太阳能发电将在世界电能结构中占据８０％的位置。

太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。

关键词：太阳能发电　发展趋势电工文摘／综述2011.6 2来数年光伏发电行业的复合增长率将高达３０％以上；至２０３０年；全世界光伏发电装机总容量将达到３００　ＧＷ，在世界总电力供应中所占比例也将达到１０％以上；到２０４０年，光伏发电将达到全世界发电总量的　２０％以上。

到２１世纪末，可再生能源在能源结构中将占到８０％以上，太阳能光伏发电将占到６０％以上。

这些数字足以显示出太阳能发电产业的发展前景及在能源领域中的重要战略地。

未来的太阳能发电站将向高空发展。

４　高塔电站 在美国西南部未来有可能出现一座太阳能发电用的高塔，就像一个巨大的烟囱，高达１千米，但并不释放有害浓烟气体，而是通过太阳能加热空气，并转换成为电能，属于太阳能的热能发电，可供２０万户居民使用。

类似的设计出现在将近３０年以前，原型叫做“太阳能热量收集器”，用于将附近地面上加热的空气引导进入高塔中枢，位于塔内底部的气轮机转轮便被气流驱动而旋转，并带动透平发电机发电。

１９８２年，在西班牙的这种塔的高度为１９５ｍ，被一个透明温室遮篷围绕着，其覆盖直径为２４４　ｍ。

它的最大输出电能仅为５０　ｋＷ。

但是１９８９年在一场暴风中被吹垮。

今后将改用混凝土结构，可使用至少５０年。

建造的更坚固、更结实和更高大，可以加大地面和塔顶之间的温差，便可提供更强大的抽吸能力。

最理想的设计是塔的高度为８００～１０００　ｍ，其周围围绕一个直径１．５英里的温室遮篷。

被加热的空气流动速度高达５５　ｋｍ／ｈ　。

塔顶部空气温度可达到２０℃，在地面温室遮篷的空气可达到７０℃。

当热空气以５５　ｋｍ／ｈ　的速度上升时，３２个旋转的透平机将生产出最大２００　ＭＷ　的电能。

尽管这种转换效率还不足电池板的十分之一，但是它的优势是更易维持、成本更低。

２００　ＭＷ这种高塔的建造费用需要１０亿美元，这意味着每千瓦小时的成本仅２０美分，这仅是当前太阳能电池板生产电能价格的三分之一。

５　卫星电站 太空太阳能发电站最初在１９６８年由美国提出。

一个面积达５０平方公里的太阳能电池板阵列（其中每块电池板都能产生数千瓦的能量），可用火箭将它们送入地球同步轨道，并让数百名宇航员在太空中完成组装工作。

电池板能不断调整角度以面对太阳，借助一个长达１公里的微波天线将太阳能传回地球。

这个巨大的天线安装在万向装置上，使它能自由旋转而不受其他设备的影响。

地面接收天线则更为壮观，占地超过１００平方公里。

由于大气层外没有大气吸收、昼夜交替和云层遮挡，因此相同时间内，太空发电站的发电量将是在地球上相同面积太阳能电站产能的２０倍。

即便将建设期间所需能量考虑进去，太空发电站产生的能量也比地面上占地面积相同的太阳能发电站高５倍。

近年来太阳能领域的三大技术突破可使太阳能卫星的大小和成本降到可接受的水平。

与２０世纪７０年代相比，如今的太阳能电池的效率提高了４倍，因此所需的电池板的面积可大大缩小。

其次，微波传送技术也大大提高，利用固定装置就能使微波光束实现精确指向，而不再需要旋转天线。

因此可以用体积小、组装简便的模块天线替代原来１公里长的天线。

最后，机器人可以替代宇航员在太空中完成组装工作。

将太阳光聚集到两个直径为１．２５公里的太阳能电池上，然后通过微波传输器将能量传输到地球。

如果太阳能电池板的设计为　１００平方米大，并且固定在控制卫星上。

虽然它不能调整角度面对太阳，但简单的装置使重量大大减轻，发射成本也随之下降。

美国正在建造的一颗能将１０兆瓦太阳能传回地球的试验卫星，预计于５年内完成。

建设一个发电量为１０亿千瓦的太空发电站，并且要将建设成本控制在１０亿美元以下，每度电的成本也不高于８美分。

与一般煤电每度５美分、核电每度１０美分的成本相比，这个价格也算得上经济实惠。

日本研究显示，太空发电站每度电的二氧化碳排放量仅与核电相当。

德国已经解决了一些最主要的相关技术难题，有望在４０年后让地球人用上直接来自太空的能量。

新型激光设备可以利用激光光束把在太空中收集到的能量传送回地球。

６　月球电站 日本拟于２０３５年建设一条沿月球赤道（长约１１０００　ｋｍ）的太阳能电池带，将电力转换成强大的微波和激光束射向地球，然后由地面接收站再转换为电能。

将能满足全世界的用电需求。

机器人将担当主力，可以２４　ｈ不间断接受来自地球的遥控，完成诸如平整地面和组装机器设备等任务，同时还将安排一支宇航员队伍在现场提供支持。

由于需要大量的太阳能电池板和其他材料，打算尽可能利用月球资源来制造水泥和混凝土材料，而采用太阳能热处理技术也可帮助生产砖、玻璃纤维和其他建筑材料。

这种月球电站宽度为数公里，之后将扩大为４００　ｋｍ。

太阳能电池产生的电力将通过电缆传输到月球朝向地球一侧的设备。

电能转换为微波束和激光束后，通过直径为２０　ｋｍ的天线射向地球接收站，具有导向功能的无线电指向标将保证波束传输方向的准确。

而后，波束电工文摘／综述2011.6 3能量再由地面站重新转换为电力送入电网，或用于转换为氢以作燃料或储存之用。

由于月球几乎没有大气层，因此它的最大优势之一是不存在影响太阳能电池板效率的坏天气或云层，可以２４　ｈ持续不断地接收清洁能源。

其１年的发电规模相当于１７亿吨石油或１．３万个核电站的年发电量，以目前的能源消耗计，足够全球使用３０年。

２０３５年动工的原因是考虑到届时地球上的传统能源资源将被开发得所剩无几。

如果这一雄伟计划得以实现，有可能结束人类对有限地球能源资源的依赖。

７　热能储存 美国开发出能按需储存和释放太阳热能的新材料　，能够按照需要储存，不但能量存储密度大，还具有成本低、运输方便、储存时间长等的特点。

２０１０年，美国揭示了“二钌富瓦烯”新材料的独特性质。

它的分子——在被阳光照射时，内部结构会发生改变并将能量存储起来，形成一种“亚稳定”结构。

当需要时，这些热量又能在特定催化剂的作用下被释放出来，同时其分子也会恢复为放热前的形态。

这一过程可以不断重复。

通过这种方法可在甲地存储热量，乙地释放热量；也可以用产生的热量驱动蒸汽发电机发电。

但这种材料的缺点在于，所含的钌元素稀有且昂贵，且由其制成的储热设备在能量密度上还不及传统的“锂”离子电池。

这使这项技术一直无法获得大规模应用。

　后来，借助碳纳米管对这一技术进行了完善，又制造出了一种可取代“二钌富瓦烯”的新材料。

这种材料由偶氮苯和碳质－纳米管组成。

除了具备“二钌富瓦烯”的优点外，它还有价格低廉、热稳定性好的特点，在能量密度上更是超过了锂离子电池。

将偶氮苯分子“捆绑”在碳纳米管上，形成一种碳纳米管化合物，该材料的能量之差（基能态到高能态之间的差值）和活化能（分子从常态转变为容易发生化学反应的活跃状态所需要的能量）都较为理想。

新材料在能量密度上可达６９０　Ｗｈ／ｌ　，超过了传统锂离子电池（２００～６００　Ｗｈ／ｌ），相对于仅采用偶氮苯的能量密度（９０　Ｗｈ／ｌ），也获得了极大的提升。