第二章　先进发电技术

一、太阳能发电技术

1　太阳能发电技术的利用

在全球能源互联网的构建中，开发利用“一极一道”的可再生能源，是一个非常重要而且十分关键的过程。在北极及其他风力资源丰富的地区建设风电场，在赤道及其他光照充足的地区建设太阳能电站，通过特高压技术将这些电力资源输送到世界范围内电能短缺的地区，将改善全球能源分布不均的状况。通过这个庞大的工程，取之不尽、用之不竭的风力资源和光照资源将为人类社会发展提供无尽的动力，而成熟的可再生能源发电技术是这一过程成功实现的关键。

太阳能是地球上绝大多数能源的主要来源，太阳能发电技术是重要的可再生能源利用技术。对太阳能的利用一直是人类生存发展的重要技术。人类很早就已经学会使用镜面反射采集阳光来取火或对物体进行加热，这是人类简单对太阳能的应用。随着电气时代的来临，人们开始尝试将太阳能转化为电能。在19世纪中期，法国科学家发现了“光生伏特效应”，为光电转化提供了重要的基础。1954年，贝尔实验室率先制造出可以商业化应用的太阳能电池，使太阳能发电成为现实，带动了光伏发电产业的迅速崛起。随后，利用阳光中的热量进行发电的光热发电技术也迅速实现并应用，使太阳能成为目前全球重要的电力来源，并且推动着人类能源利用的重大变革。

目前主要的太阳能发电技术包括光伏发电技术和光热发电技术。光伏发电技术已经发展得相当成熟，当前全球范围内也已建成了具有相当规模的光伏发电站。截止到2016年底，世界光伏发电装机容量已达305GW，中国光伏发电装机容量则已达到77.42GW；而光热发电技术还处在发展期，全球光热发电装机容量在4.8GW左右，但是世界各国已经制定了光热发电的快速发展规划，未来几年将是光热发电的快速发展期。

太阳能发电的优势主要有两个方面：一方面，光照资源来自于太阳，是取之不尽、用之不竭的能源，如果将赤道地区的太阳能加以利用，那么可以满足全人类的电能需求；另一方面，太阳能是清洁能源，不会产生有害气体，对于今天日益严重的环境问题有着极为重要的意义。日本一直面临着能源短缺的困境，英国伦敦曾因汽车尾气排放、柴油机燃烧等出现严重的雾霾现象，美国肯塔基州的路易斯维尔发电厂因有毒废料排放过量而导致空气污染严重。类似问题将随着太阳能发电技术的发展迎刃而解。

太阳能发电技术已经发展得较为成熟，但全球范围内很多光照资源丰富的地区的太阳能资源还未得到充分的开发和利用，如赤道地区、中东地区、非洲南部地区以及中国的西北地区。在这种情况下，世界各国纷纷制定了鼓励政策以支持太阳能发电产业的发展。例如，中国、英国、德国、日本等通过政府电价补贴的方式直接提升太阳能发电企业的利润，美国则以投资税减免、折旧率补贴的形式减少太阳能电站的建设成本，印度、印度尼西亚以及大多数拉丁美洲国家也都通过不同的支持政策加快太阳能发电行业的崛起。未来太阳能发电技术将更加完善，发电成本进一步降低之后，对于太阳能发电产业的扶持和补贴力度将会削弱甚至取消，但在今后很长一段时间，支持政策将是太阳能发电技术迅速发展的重要推动力。

面对传统能源劣势的逐渐显现与太阳能发电逐步兴起的趋势，世界各国也纷纷提出了太阳能发电的发展目标。中国的“十三五”规划制定了在2020年要实现5GW光热发电装机、45GW地面型光伏装机和60GW分布式光伏装机的目标，欧盟制定了到2030年可再生能源需占能源需求结构27%的目标，日本制定了到2030年光伏发电装机容量达64GW的目标，印度的“国家太阳能计划”规划到2020年光伏发电装机容量达到100GW，沙特阿拉伯的“国家可再生能源计划”则规划在2023年前完成9.5GW可再生能源的装机建设。此外，南非、越南以及诸多拉丁美洲国家都制定了太阳能发电的建设目标。在大规模规划出台的背景下，太阳能发电迎来了装机量快速增长的时期。位于中国山西省芮城县的光伏领跑技术基地规划装机容量达1020MW，建成后将成为世界最大的光伏发电站；世界最大的光热发电站同样位于中国，即敦煌100MW塔式熔盐光热电站。目前这两个项目都已经建设完成，实现并网发电。

太阳向地球传递的能量主要包括热能和光能，太阳能发电技术的基本原则也是充分利用这两种形式的能量。当前太阳能发电技术主要是光热发电技术和光伏发电技术。

光热发电技术是利用聚热技术聚集阳光的热量，通过换热装置产生蒸汽，推动汽轮机进行发电的技术。从本质上讲，光热发电技术与传统的火力发电技术原理很相似，区别只在于产生蒸汽的热量来自光照而非来自化石燃料的燃烧；光伏发电技术是利用太阳能直射半导体产生直流电，再用逆变技术将直流电转化为交流电，并入交流电网或提供给用户，本质上光伏发电技术是利用半导体的光生伏特特性进行发电。光热发电主要利用了太阳能中的光能和热能，光伏发电则主要应用了太阳能中的光能，两种发电技术相互配合与补充，实现了对太阳能的充分利用。

2　光热发电技术

光热发电技术与光伏发电技术在应用中存在着很多差异，光热发电技术适用于集中式、大规模的太阳能发电工程。光热发电常利用蓄热罐进行能量存储，储能效率高，而且清洁环保。而光伏发电技术适用于分布式、中小型规模的太阳能发电工程，适合小区域供电或直接并入电网，光伏发电利用蓄电池进行存储，储能效率相对较低，对环境也有一定的影响。

光热发电系统的发电原理如下图所示，光热发电主要包括聚热系统、热传输系统、蓄热与热交换系统、发电系统等。

聚热系统通过聚热装置收集来自太阳的热能，通过热传输系统，将热量传递给蓄热与热交换系统，发电系统利用来自蓄热与热交换系统的热量，产生蒸汽推动汽轮机转动进行发电。

光热发电的关键技术是聚热技术，也就是将阳光中的热量进行聚集的方法。按照聚热技术的不同，光热发电系统可以分为槽式光热发电系统、塔式光热发电系统、碟式光热发电系统和菲涅尔式光热发电系统。

槽式光热发电系统利用抛物线型聚光器，将太阳辐射聚集于焦线的吸热器，吸热器吸收热量后，开始加热导热油，导热油温度达到预设温度后，一部分进入蒸汽发生器，将水变成水蒸气，推动汽轮机进行发电；另一部分加热熔盐，加热后的熔盐进入储热罐，将热量储存起来，在夜间或者光照强度不充足的时间进行发电，以保证电能输出的稳定性。槽式光热发电系统是目前全世界应用最广泛的光热发电系统，在已建成的光热发电系统中，有80%以上是槽式光热发电系统。槽式光热发电系统也是世界最早投入商业使用的光热发电系统，从1985年开始，美国加州相继建成了354MW的槽式光热发电工程。2012年，中国大唐天威太阳能热发电工程竣工，该项目使用了槽式光热发电系统，装机容量10MW。

塔式光热发电系统是将吸热器建在塔顶，利用定日镜追踪太阳直射的角度，并将太阳辐射反射到吸热器。吸热器将辐射转化为热能，并为热工质（熔盐或水）加热，热工质达到预定温度后，进入蒸汽发生器，一部分与水发生热交换，产生水蒸气，推动汽轮机发电；另一部分进入储热罐，用于夜间或光照强度不足时进行发电。在当前已建成的光热发电系统中，塔式发电系统大概占10%的装机容量。美国Solar Two塔式光热发电系统曾验证了将熔盐作为热工质的可行性，降低了塔式光热发电系统的成本，加速了其大规模投入商业运行的进程。2016年，中国三峡金塔白水泉光热项目获批并开建，装机容量100MW，该工程为目前世界最大的塔式光热发电系统。

碟式光热发电系统是利用一个或多个地面抛物线反射镜，通过旋转调整镜面角度，实现对太阳直射角度的追踪，吸热器被布置在抛物线反射镜的焦点上，吸收太阳辐射，将其转化为热能，对热工质进行加热，热工质达到要求的温度后，一部分进入蒸汽发生器产生水蒸气带动汽轮机发电，另一部分进入蓄热罐将热量存储。1997年，美国已有碟式光热发电系统并网运行；2017年，中国在内蒙古察右中旗启动了50MW碟式光热发电项目，拉开了中国大规模商业使用碟式光热发电系统的序幕。

菲涅尔式光热发电系统是利用平面镜的二次反射，将太阳辐射聚焦到吸热器，吸热器对热工质进行加热，热工质一般是水，水被加热成水蒸气后，推动汽轮机发电。相对于其他光热发电系统模式需要使用抛物线镜面进行反射，菲涅尔式光热发电系统的平面镜更易生产，前期投资成本较低。因菲涅尔式光热发电技术近些年才发展成熟，目前还未大规模推广。2012年，西班牙建成了Puerto Errado菲涅尔式光热电站，该电站装机容量30MW，是目前世界上装机容量最大的菲涅尔式光热电站。

目前已建成的光热发电系统中，槽式光热发电系统占80%以上，塔式光热发电系统占10%以上，其他光热发电系统占10%以内。目前四种最流行的光热发电技术各有其特点，使用场合也不尽相同，应根据项目建设地区的实际条件进行规划和设计，合理选择光热发电类型，以达到充分利用当地资源的目的。

尽管中国、美国、日本、德国等国家都已经规划了一批光热发电工程的建设，但大部分还在试验运行，尚未投入大规模商业运行。未来若要利用光热发电技术大规模地对太阳能进行利用，一些重要问题还需要实现突破。

首先，光热发电的关键设备还需要进行技术攻关。当前光热发电技术对太阳能的利用率并不高，槽式光热发电系统大约在35%，塔式发电系统大约在25%，效率低下主要是对太阳能的吸收不足以及热能转化过程中能量流失过多造成的。未来光热发电关键设备的研发过程中，尚需从这两个方面解决光能利用率低下的问题。

其次，光热发电站的规划和选址仍需进行优化。从技术特点来看，光热发电非常适合建设大规模发电站，而规模较大的发电站可能会对地区电网的布局和潮流产生影响。因此在对光热发电站进行规划时，必须要结合当地电网的实际情况统一规划。诸如当前槽式光热发电系统、塔式光热发电系统和碟式光热发电系统是已经成熟的技术，但是对于阳光照射的要求很高，适合建设在光照资源丰富的地区；菲涅尔式光热发电系统虽然对光照要求不高，但是技术还不成熟，未来一段时间光热发电的大规模建设仍然将集中在光照充足的地区。

最后，在全球范围内光热发电技术还属于比较小众的技术，所以运维和检修人员严重缺乏、经验严重不足。要解决这一问题，只能一方面通过实际运行积累经验，另一方面需加强与拥有丰富光热发电技术经验的国家间的交流与合作。

相对于光伏发电技术和风力发电技术，光热发电技术主要优势在于其输出的电能质量好。因光热发电系统大多拥有储能装置，所以电能输出稳定，不受间歇性光照的影响，且输出电能具有可调节性，相对于需要采用电力电子设备进行环流的光伏发电技术，电能质量更好，对电网的冲击也更小。光热发电系统本质上与火力发电系统、水力发电系统的发电原理相似，利用旋转电动机结合储能的发电方式，不仅易于并网，还可以协助电网进行调峰、错峰控制等。

而与光伏发电相比，光热发电的主要缺陷在于其对周围环境要求较高，需要建设在太阳直射强度较高的地区，另外，光热发电系统还需要大量的水来进行冷却。综合各个方面，光热发电系统的建设成本较高，每千瓦造价为光伏发电系统的2～3倍。因此，要大规模建设光热发电站，还需要降低光热发电技术对于地区条件的要求，并降低光热发电的成本。

在未来的能源市场，光热发电技术将成为主流发电技术。作为重要的太阳能利用技术，未来光热发电技术将在三个方面实现突破，以加快其大规模应用，实现对太阳能的充分利用。

首先，在关键发电设备上，将持续取得技术创新。当前光电转化效率不高的问题一直使光热发电技术不能充分发挥其效益。未来当太阳能发电成为主要发电方式以后，光电转化效率将成为关键，微小的提升都会带来极大的经济效益。另外，热工质的选择也影响着光热发电的效率，因此传统热传导介质的优化和新介质的研发也将成为重要的研究领域。

其次，未来光热发电技术将配备更完备的储能装置。光热发电技术拥有储能环节，可使其输出连续、稳定、可调节，受光照的强弱和间歇性的影响并不明显，在并网以及协助电网调峰调谷方面具有很大的优势，未来全球能源互联网的可再生能源渗透率越来越高，光热发电占的比例越来越大时，这一优势将更加明显。而先进且完备的储能技术，是保证光热发电输出持续稳定，充分发挥其提高电网稳定性、调峰调谷作用的重要前提。

最后，光热发电技术将与其他发电技术配合使用，解决电能消纳问题。未来风力发电、光伏、光热、储能等技术将在同一区域配合使用。各种发电方式互相取长补短，完成多种可再生能源的消纳和利用，将成为全球能源互联网中可再生能源利用的主要方式，而光热发电技术因良好的稳定性和电能输出可靠性，必将在未来多种能源协调配合发电过程中发挥不可替代的作用。

3　光伏发电技术

光伏发电的原理如下图所示。光伏电池阵列受到阳光照射后，因光电转化效应产生直流电，直流电经逆变器最大功率跟踪、并网逆变等环节转化为交流电，并经升压变压器升压后并入电网。

光伏发电系统主要有两种形式，即集中式光伏发电系统和分布式光伏发电系统。集中式光伏发电系统一般电池阵列布置规模较大，并采用集中式光伏并网逆变器并入电网，其装机容量较大，输出的电能直接并入电网，接受电网的统一调度和规划。例如，中国张家口可再生能源基地就建有大规模的集中式光伏发电系统。光伏发电的另外一种形式是分布式光伏发电系统。分布式光伏发电系统在电能转换时主要采用组串式光伏并网逆变器，装机容量较小，输出的电能一部分供给小电网及当地用户使用，剩余电能将送入大电网，目前分布式光伏发电方式在欧洲及南亚地区较为流行，中国西藏、新疆的部分地区也以屋顶光伏的形式存在部分分布式光伏发电系统。

光伏发电最关键的影响因素主要是光伏电池的光电转化率和光伏并网逆变器的控制方式。光伏电池的光电转化率决定了光伏发电系统能从阳光照射中获取多少能量，逆变器控制技术则关系着光伏发电系统向电网输出电能的质量，因此这两项技术决定了光伏发电系统的性能和效率。

光伏电池主要是按照材料进行分类的。当前使用较多的光伏电池主要包括硅光伏电池、多元化合物薄膜光伏电池、聚合物薄膜光伏电池和纳米晶光伏电池等。

硅光伏电池是目前应用最为广泛的光伏电池，主要分为单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池三种。单晶硅光伏电池利用高纯度硅作为主要原料，具有较高的光电转换效率，在实际工程应用中可以达到17%，但是单晶硅光伏电池对硅材料的要求较高，且制作工艺复杂，导致成本较高，因此目前只利用在光照强度不高、对供电可靠性要求较高的场合，如太空空间站、宇宙飞船等的蓄电池大多采用单晶硅电池。多晶硅光伏电池采用纯度较低的多晶硅作为主要原料，对硅材料的纯度要求不高，生产工艺简单，成本较低，是目前光伏发电系统最常用的光伏电池。非晶硅光伏电池是采用特殊工艺使高纯硅烷等气体分解沉降而成，具有光电转换效率高、成本低等优势，适合大规模生产，而且电池本身重量较轻，非常有优势。目前，非晶硅光伏电池因光电衰退效应导致的稳定性问题正在得到解决，将逐步实现大规模生产和应用。

多元化合物薄膜光伏电池与硅光伏电池的不同之处在于，多元化合物薄膜光伏电池不采用单一元素晶体作为发电材料，而是采用多种元素化合物作为发电材料。多元化合物光伏电池利用化合物的特性，扩大太阳能吸收光谱范围，从而提升光电转化率。多元化合物光伏电池拥有转换效率高、成本低和性能稳定等特点，理论上是性能最好的光伏电池，正在逐步推向工业应用。但部分多元化合物光伏电池还存在一些缺陷，例如镉化合物因构成元素镉有毒，需先解决环保和安全性问题才可进一步推广，铜锌锡硫光伏电池目前仍在性能试验和验证阶段，待完善后将投入实际应用。相比硅电池，多元化合物电池具有光电转化效率高、生产成本低、有利于大规模制造等特点，但当前多数新材料还处于研发和完善阶段，未来在光伏发电工程中的比重将逐步提升。

聚合物薄膜光伏电池则是以聚合物作为发电材料的光伏电池，相比于其他种类的光伏电池，具有质量小、生产工艺简单、成本较低等优势，但当前对于聚合物薄膜电池的研究才刚刚起步，该类电池具有光电转化效率低、电池使用寿命短等特点，在大规模投入使用前，还需要完成一些技术攻关工作。

纳米晶光伏电池是以纳米材料作为发电材料的光伏电池，1991年出现的第一款纳米晶光伏电池曾经引起轰动，被认为可解决光伏电池转化率低、生产工艺复杂等问题。纳米晶光伏电池具有原材料丰富、制造工艺简单、环保、光电转化效率高等优势，有望成为未来主要的光伏发电电池。

光伏电池是光伏发电系统的核心组件，当前光伏电池产业发展的主要问题在于电池价格问题和光电转化效率问题。光伏电池生产成本较高，导致光伏发电系统的成本较高，光电转化效率较低，光伏发电行业的利润不高，需依赖政策支持，随着政策力度的减弱和取消，必将使行业发展步伐放缓。要解决这两个问题，不但需要优化生产工艺，建立高效的生产流程，还要积极寻找成本低、效率高的光伏发电材料。未来光伏电池的性能和价格竞争力还有很大的提升空间，研发的突破也将为光伏产业的飞跃带来新的动力。

光伏发电的逆变器控制主要包括两方面：一方面是逆变器最大功率跟踪；另一方面是逆变器的并网控制。最大功率跟踪的目的是在光照不断变化的过程中使光伏发电系统始终运行在最大功率点上，使其输出最大功率，充分利用太阳能进行发电；逆变器的并网控制使光伏发电系统输出的电流波形和频率与电网保持一致，光伏发电系统能够并网运行。因而，最大功率跟踪和并网控制关系着光伏发电系统的输出功率大小、电能质量和并网稳定性。

根据光伏电池的特性，在一定温度和光照强度下，光伏电池存在一个最大功率点，当发电系统运行在这一点时，其输出功率为该条件下的最大输出功率。而在光伏电池实际运行过程中，温度和光照强度等条件都是在不断变化的，因此最大功率点也在一直变化，但外界温度和光照强度的变化又无规律可循，难以通过数学方法确定其最大功率点，因此在光伏并网逆变器中都采用动态的控制策略对最大功率点进行跟踪，保证光伏电池工作在最大功率点上，即最大功率跟踪控制。

光伏发电系统要实现并网就要保证其输出电流波形、频率等参数满足电网的要求，否则会被电网的控制保护系统当成非正常运行状态而切出电网。逆变器并网控制的目的是使光伏系统输出的交流电与电网保持同步同频率，从而能够顺利接入电网并尽量减少对电网的不良影响。

未来光伏发电的逆变器作为光伏发电的核心设备，其发电效率主要从以下方面进行改进。

（1）提升光伏逆变器最大功率跟踪的效率。最大功率跟踪是光伏发电系统获取最大输出功率的最重要的环节，在同等光照条件下，最大功率跟踪控制的效率决定了光伏发电系统的输出功率。

（2）提高光伏逆变器的光电转换率。当光伏逆变器完成最大功率跟踪环节之后，将来自光伏电池的直流电转换为交流电是逆变器的重要功能，逆变器换流时的损耗、对功率的吸收等都影响着整个光伏系统的能量利用率。因此，减少换流过程中的各种能量损失是提升光伏发电系统光电转换率的重要措施。

（3）提高光伏逆变器的电网适应性。当前光伏发电系统不能很好地实现并网，导致光伏发电电能难以消纳。当前光伏发电的送出技术已成为重要的研究课题，未来随着柔性直流技术、光伏逆变控制技术的突破，光伏发电的并网和消纳问题将得到解决。

未来光伏发电将有下面的发展趋势。

（1）与其他发电方式相结合。目前风光热储技术已经非常成熟，利用风力发电、光伏发电、光热发电和储能技术互相配合，实现稳定的电能输出，提高并网稳定性，将成为光伏发电技术应用的重要趋势。中国在张北建设的国家风光储输示范工程，就是根据当地白天光照充足、夜晚风力资源丰富的环境特点，结合储能技术，进行各种发电方式容量的合理规划，实现了全天电能稳定输出。

（2）分布式发电。未来在一些电网无法触及以及不适宜建设电网的地区，分布式发电技术将是重要的电能供应技术，而控制灵活、启停方便等特点也将使得分布式发电成为配合集中式发电，保证供电稳定性和可靠性的重要方式，光伏发电在成本、占地以及建设难度等方面都非常适合应用在分布式发电系统中。

（3）光伏发电与其他产业相融合的方式。农业光伏是当前光伏发电的重要运用方式，因薄膜光伏电池具有透光性，又可以储存热量，其发出的电能可作为农业用电，因此光伏与农业生产的结合非常适合在现代农业中应用。目前渔光互补、蔬菜大棚光伏都是比较有前景的发展方向。中国已经开始鼓励农业光伏的发展，并出台了相应的规划和鼓励政策，未来光伏产业与工业、服务业等行业的融合也是非常值得期待的。

4　太阳能发电技术应用前景广阔

太阳能发电是解决当前困扰全球的环境问题和能源短缺问题的重要技术，充分合理利用太阳能发电是全球能源互联网构建过程中实现“清洁替代”的关键步骤。目前全球太阳能发电装机容量正快速增长，并逐步代替化石能源发电。未来可再生能源将成为主流发电方式，太阳能发电技术的完善和创新，将使太阳能这一取之不尽、用之不竭的清洁能源在全球能源供给中扮演更加重要的角色，更大程度地服务于人类的进步与发展。