读过希腊神话的人都知道普罗米修斯偷盗天火赐福人间的故事;我国古代也有阳燧取火的记载.今天,人类社会发展正处于“人口、资源、环境”相互制约的三难境地.面对新世纪能源提出的挑战,科学技术要做现代普罗米修斯,把无穷无尽的太阳能转化为绿色电力,造福人间.
1 用之不竭的太阳能
天文学家指出:太阳的氢储备已经使太阳在广大的范围内和持久的时间中,经历了漫长的50亿年;而太阳的氢储备还可供应我们人类50亿年安宁的生活.未来的50亿年,太阳仍将一如既往、毫不吝惜地向茫茫宇宙空间释放出巨大的光和热.
太阳的能量有多大?美国作者F．N巴什在为天文爱好者写的科普名著《通俗天文学》中有过这样的描述:“太阳每秒钟辐射4×1033尔格(即4×10 YJ——编注)能量,这相当于500,000,000,000,000,000,000,000马力.”作为太阳形成的“副产品”——地球,从太阳那里获得的能量又有多大呢?巴什是这样说的:“……太阳发出的能量仅有二十亿分之一到达地球表面.而被地球表面拦截的这部分太阳能,约有35%又被地球的保护性大气反射回太空.然而就人类的标准而言,即使这部分能量也是巨大的.例如,这部分能量仅需持续供应20 min,即足以提供人类文明社会对动力的一整年的需要量.”太阳的能量真的是用之不竭!
从理论上讲凡是日光照耀的地方都可以利用太阳能.太阳能发电提供绿色电力,对地球环境保护有利.这些都促进了太阳能发电事业的蓬勃发展.但由于地球上获得的太阳能量密度低,还不能成为稳定的电力来源.再加上天气因素和制造成本等原因,太阳能电力要成为大众化、实用型的电力还有很长的路要走.
2 太阳光发电
利用半导体PN结的光电效应,把太阳光能直接转换成电能就可以构成太阳光电池发电了.世界上第1个太阳光电池,是1954年由美国贝尔实验室Pearson小组发明的.单个太阳光电池出力低,不能满足实用要求.实际使用时,一般把若干个电池连接成一个个电池组件,再根据电压和出力的要求,将若干个组件连接成太阳光电池板或电池阵使用.
根据制造PN结的材料区分,太阳光电池大体可以分为2大类:硅系与化合物系(见表1).
目前普遍使用硅系太阳电池.硅系太阳电池材料资源丰富,制造成本低,因而获得广泛应用.以单晶硅为材料的太阳电池,理论上最高转换效率可达28．8%.实验室研究水平已达24%左右,实际生产水平达到了18%,单个电池构成组件后实用的太阳电池效率又要低2%~4%.也就是说目前情况下,硅系太阳电池组件的最高效率大约是16%.
制造硅系太阳电池须拉制单晶硅.拉制单晶成本高.20世纪80年代研制成的多晶和非晶硅系太阳电池制造成本低,但其转换效率也低.为了充分发挥单晶硅系太阳电池转换效率高和非晶硅系太阳电池制造成本低两者的优势,日本三洋电机公司新材料研究所于1999年开发出HIT(Heterojunctionwith Intrinsic Thin-layer:具有内在薄层异结)太阳电池.其内在薄层异结可在200℃以下的相对低温形成,比原来按热扩散法(约900℃温度)制造的单晶硅系太阳电池需要的能量少,受热扩散影响造成畸变也难一些.硅基片厚度可以从原来的约350μm降低至250μm左右,既节省材料又降低成本.另外,由于温度上升导致效率降低的情形,也比原来的好.因此夏季这种具有内在薄层异结的太阳电池,在相同出力条件下,可以比结晶型太阳电池多获得一些电量.
太阳电池在结构上大多做成薄板形式,以便获得更多光通量.实际应用中,与建筑墙面、屋顶连成一体的太阳电池早已投入使用.如日本炼钢厂与德国ASE公司合作开发太阳电池,于2000年在神户市中央区建成一座太阳能大厦.太阳光发电设备就嵌镶在大厦从3楼到9楼的外墙和屋顶的铝制窗框内.该太阳电池系统的最大出力76 kW,1年大约可以削减10 t二氧化碳气体的排放量.
3 太阳热发电
用一定方法获取太阳辐射的热能,加热低沸点工质,再通过郎肯循环或斯特林发动机(一种外部加热使活塞往复运动的外燃机)发电,便组成了太阳热发电系统.据测算,太阳每秒钟辐射到地球上的热量高达81万亿kW,是目前全世界发电容量的数万倍.以现有的技术水平比较,单位日光照射面积下太阳热发电电量是太阳光发电的2倍,这使得大型太阳热发电极具诱人的前景.
目前美国、日本、西班牙等国都在深入开展太阳热发电的研究与开发,并希望通过太阳热发电从沙漠获得取之不尽的绿色电力.太阳热发电技术也逐步进入了实用期.如美国,容量354 MW的“Trough Power Plants”(槽型太阳热发电厂)已投入商业运行;西班牙,30 MW太阳热发电项目也于1999年完成最终实验等.根据太阳光集热系统划分,太阳热发电大体可以分成槽型、塔型和碟型3种.
槽型,是在抛物面状的槽型聚焦镜的聚焦位置上安放受热器,利用聚焦后的太阳热直接产生蒸汽,或通过加热低沸点媒体间接获得蒸汽的发电方式.受热器一般为76．2 mm左右的双层管结构:内侧有流体,外侧为真空,以防止热流失.槽型集热器追踪太阳聚焦;受热器固定不动.运行温度可达400℃左右.在日照强度800 W/m2的情况下,发电能力可达120~140 W/m2左右.
塔型是美国和以色列研发过的发电方式.塔型集热,目的是克服当阳面积受限制,实现大容量发电.
碟型,因聚焦面形状像个碟子而命名.碟型太阳热集热系统具有受热器和聚光器一体化的紧凑型结构.聚光器可以跟踪太阳.单台聚光器已达150 m2左右.运行温度达750℃.
为了确立太阳热发电在公众中的形象,推广太阳热发电技术,希腊、德国、西班牙和意大利等欧洲国家,曾在希腊的克里特岛推行过一项太阳热发电实验计划.克里特岛位于地中海,岛上少雨,年日照强度中等(约800 W/m2),被认为是可以推行太阳热发电的场所.实验采用槽型集热器,年日照能量2 480 kW·h/m2·a(按年运行3 060 h计),在太阳场面积296 480 m2的情况下,1年可获得112 400 MW·h的电量,发电成本约0．11美元/kW.
4 蓬勃发展的太阳能发电事业
近年来,随着太阳光发电技术日趋完善和商业化发展,太阳能发电的规模不断扩大.2000年全球太阳光发电容量达287．65 MW.表2表示2000年全球著名太阳光电池制造厂产量及其份额.
2000年日本太阳光电池产量远超美国,成为世界第一太阳光发电大国.日本的太阳能发电事业,起始于上世纪第1次石油危机后的1974年.这一年日本提出以开发新能源为目的的“阳光计划”,从此开始太阳能发电的研究与开发.1993年“阳光计划”与日本通产省提出的以节能开发为目的的“月光计划”合二而一,组成“新阳光计划”,同时推进新能源和节能的研发与利用.
太阳光发电普及的关键之一是降低成本.通过“新阳光计划”,日本太阳光结晶系电池成本已从当初的2~3万日元/W,降低到了600~650日元/W.到太阳光发电研发第一期计划终了的2000年底,太阳电池组件的制造成本为300日元/W左右.为了进一步降低造价,日本太阳光发电技术研究所负责人表示,到2010年第二期研发成果转化为批量生产的时候,力争太阳电池组件的成本降低到100日元/W以下;发电成本大约是25日元/kW·h.该负责人表示,进一步展望到2020年,希望太阳光发电成本降到10~15日元/kW·h;2030年降低到5~10日元/kW·h.如果实现的话,太阳光发电的成本就可以与一般的火电或核电相提并论了.
日本虽然已经超过美国,成为世界第一太阳能发电强国,但在介绍当代太阳能利用情况时,最激动人心的太阳能利用事业,莫过于美国1997年6月提出的“百万太阳能屋顶计划”.该计划从1997年开始至2010年止,要在全国的住宅、学校、商业建筑和政府机关办公楼等建筑物的屋顶上,安装100万套太阳能发电装置,发电总容量达3 025 MW,并力争使太阳光发电的成本,从1997年的22美分/kW·h降低到2010年的6美分/kW·h.
我国太阳能资源丰富,全国总面积2/3以上的地区年日照时间大于2 000 h.我国西藏的大部分地区年日照时间达到了3 100~3 400 h,是世界上少有的太阳能资源富集地区之一.到2000年底,我国已有累计约20 MW太阳能电力设施,主要用于家庭、通信等.目前我国太阳光发电装置的年产量在4．5 MW左右,仅占世界产量的0．8%左右.为了打破这种局面,国家正通过重点扶持,努力推进第二代太阳能电池的商业化进程.日前一项由国家计委立项的高技术产业化重点项目——多晶硅太阳能电池及应用系统示范工程,作为我国最大的太阳能电池项目,在保定实施.该项目由3条各自独立的生产线(硅片生产线、电池片生产线和组件生产线)构成,最终产品是太阳光电池组件.据介绍,承担该项目的保定英利新能源公司,在去年6月完成国家年产3 MW多晶硅太阳能电池及应用系统示范工程项目基础上,将在今年内建成上述3条生产线,使硅太阳电池的生产能力提高到26 MW.
5 太阳能发电的未来:GENESIS
面对太阳能发电的光明前景,科学家们作过种种令人神往的描绘.其中最诱人的莫过于GENESIS(Global Energy Network with Solar cell andInternational Superconductor grids:用太阳电池和超导电网装备的全球能源网).
日本专家在2000年到来之时,提出的这项GENESIS方案是这样设计的.假定全世界一次能源消费量换算石油是140亿kL/a(1999年全球一次能源消费量换算石油大约是100亿kL),全部由太阳电池供给,并假定太阳光发电系统的转换效率为10%,则这个太阳电池的面积是一个边长807 km的正方形.这个正方形的面积只占全球整个沙漠面积的4%左右.但是这个庞大的太阳光发电系统有致命的弱点:夜晚不能发电,下雨天或阴天出力降低;如何才能把电供应到世界各地也是个问题.因此,必须采用研发中的高温超导体组成下述全球电力供应网.
首先在全球不同地方按时区配置若干太阳光发电厂,然后用超导电缆把这些发电厂连接成网,通过地球白昼地区的太阳光电力向黑夜地区送电.这就是用太阳光电池和超导电缆装备成的全球能源网的观念.
要完成这一课题,从技术上分析,第一是要研制出高性能低成本的太阳光电池;第二是有足够长度的常温超导电缆.关于太阳光电池,本文已述目前单晶硅系太阳电池转换效率已达24%左右.而本课题要求整个太阳光发电系统的转换效率是10%.对此,科学家们充满信心.关于常温超导电缆,有报道指出超导电力传输的实验已经启动:底特律有3万户家庭的供电,是通过连接在弗里斯比变电站的3条120 m长的超导电缆来完成.另有报道指出,我国单根200 m Bi(铋)系高温超导长带研究居国际先进水平,可制造任意长度,可满足应用项目要求.即使目前还不能采用常温超导,从现实出发采用1 000 kV直流高压也可以实现1 000 km以上距离低损失输电.对此,科学家们同样充满信心.
太阳光电力前程似景.科学家们预测,到21世纪中期,仅屋顶太阳光电池就可以为全世界提供约25%的电量.果真如此,到那时相信距离用太阳电池和超导电缆装备全球能源网的日子也不会太远了.
(编辑：银红丽) |
