文献综述(或调研报告):
能源是人类发展必不可少的基本资源之一,进入 21 世纪以来,随着世界经济的飞速发展,各国对能源的消耗与日俱增,能源短缺已成为人类社会面临的重大挑战。现今世界,人类在不断寻找可持续生存和可持续发展的能源。而太阳能是在自然界本身就存在的,是清洁、取之不尽、用之不竭的,大力发展和利用太阳能是未来的必然趋势[1]。
太阳能利用技术主要有太阳能热利用技术、太阳能发电和太阳能光化学转换等,其中太阳能热利用技术和太阳能发电逐渐广泛应用于人类的生产生活中,太阳能光化学转化也为航空航天领域提供了成本更低的燃料来源[2]。
太阳能热发电技术是通过辐射能-热能-电能的转化实现的,其原理是利用集热器收集太阳辐射中的热量,将收集到的热量加热工质进而送入汽轮机中,利用工质所蕴含的能量带动汽轮机转动,进而发电。太阳能光发电技术是通过光能-电能的转化实现的。主要原理是在阳光下,将光能转变为太阳能电池的电能,然后将太阳能电池组产生的电能通过蓄电池组储存或直接用于用电器,这种发电方式也叫光伏发电[2]。太阳能光伏发电技术是一种利用半导体的光伏效应将太阳能直接转换为电能的光电转换技术,光伏发电仅能利用太阳光中可见光及其附近的波长光(约占太阳光总能量的58%),且受天气变化、热斑效应影响较大[3]。
中国光伏产业起步较晚,但呈现出迅速发展的势头。截至2017年9月底,全国光伏发电装机达 164.74GW,位居全球首位,其中光伏电站117.94GW,分布式光伏达到46.8GW[4]。就太阳电池技术本身来说,中国经过最初的技术跟踪发展到技术同步乃至部分超越,取得了巨大的进步[5]。尽管太阳能电池的研究相对比较成熟,但是我国目前的光伏产业发展还相对不够成熟,光伏产业发展比较弱,2017年,我国光伏发电的全部产量仅占据我国太阳能电池生 产总产量的3%,这一比例足以说明,我国的光伏发电发展极为薄弱,新能源电池研发发展不平衡,可持续发展性相对薄弱[6]。
太阳能热发电技术利用大规模阵列镜面收集太阳能,通过换热装置提供蒸汽,结合传统汽轮发电机的工艺实现发电。根据集热镜面排布形式,光热发电系统主要分为槽式、塔式、碟式三类[7]。
美国的Ivanpah 是目前最大的塔式电站,于2014 年 2月13日正式并网投运,总装机容量 392MW,由三座装机分别为133MW、133MW 和126MW 的塔式电站构成,电站年发电量为 1079GWh。Ivanpah 电站单塔装机最高为133MW,首次实现了百 MW 级塔式电站的开发,从实践层面验证了塔式电站大规模开发的可行性。相比于国外,我国的太阳能热发电还处于产业 化起步阶段,对于其技术的的掌握和研究明显滞后。中控集团青海德令哈50MW 塔式太阳能热发电站一期 10MW 项目是我国首个塔式发电商业化示范电站,于2013年7月正式投运,电站分东、西两塔各5MW,镜场由3万面2m2 的定日镜组成。为推进塔式熔盐技术的商业化,目前正进行10MW 项目的熔盐系统改造[8]。
从整体发展阶段来看,我国塔式太阳能热发电技术还处在示范工程的起步阶段,在太阳能热发电材料装备方面、我国与国外差距约5年,在电站集成、服务方面,与国外差距更大。我国发展塔式太阳能热发电还欠缺部分关键技术如定日镜的镀层材料、吸热器上的吸热管材及涂层材料、吸热器设备、高温熔融盐泵等制造技术。这些技术均属于保密级别,引入困难。另外塔式电站整体系统设计能力和集成技术、光热电站系统模 拟仿真及控制技术都刚刚起步,缺乏电站建设运营经验和能力,而且国外的技术也大多在示范阶段[8]。
塔式太阳能发电系统是一种广泛应用的太阳能利用形式,而影响发电效率的一个重要因素就是太阳能的接收效率。根据有关研究文献,在一个照射日内全天垂直照射比固定倾斜照射,太阳能板的效率可提高 37% 左右。目前市场上的太阳能装置多为固定式,但是,在实际应用中随着季节的不同和同一天内,集热板受太阳照射的角度不同,集热能力是不同的。在太阳照射角度过大时,集热效率明显下降,使单位面积集热板的经济效益较低[9]。
光电跟踪和视日轨迹跟踪是目前常用的两种太阳能跟踪方法,前者是闭环跟踪,后者是开环跟踪,两种跟踪方法各有优劣,其使用场合也各有不同。
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