太阳能光伏与光热发电对比简析

2015-12-30

江西广播电视大学学报 2015年2期

太阳能光伏与光热发电对比简析

陈丽，付颖

（江西广播电视大学，江西南昌330046）

摘要：太阳能的利用目前主要分为光伏和光热两大类别。两者发电的原理不同，系统形式有较大的区别；两者产生的电流形式不同，并网要求不同；它们之间最重要的区别是储能方面的不同。这两种技术发展的不同，使得两者适合的发电方式、地区也有所区别。它们有各自的优势和发展前景，长远看来应该是互补的关系，将共同承担未来世界能源消费格局。

关键词：光伏；光热；对比

太阳能无疑是目前地球上可以开发的最大可再生能源。根据对到达地球上的太阳辐射能量进行转化形式的不同，太阳能的利用可以分为光伏和光热两大类别。［1］

截至2013年底，全球已装机光伏发电达到135GW，目前仍以每天约100MW的速度增加，这主要是受益于光伏发电成本在过去五年的大幅削减、光伏市场的崛起和分布式光伏发电的显著增长等因素影响。目前全球仅有约4GW太阳能热发电装机规模，主要是由于低成本光伏和页岩气的竞争压制了光热发电装机的增长，同时部分市场并不特别需要光热这种灵活可调但略显昂贵的电力。但当光伏装机达到一定的较高份额后，对光热这种可在晚间持续供电的技术的需求就会显著增加。［2］光热的能量存储是十分高效的，比电能存储要廉价的多，这也是光热发电的最大竞争优势。

本文主要通过对比介绍分析的方法，介绍了光伏发电与光热发电在原理、系统形式、能量转换、储能方式、工程特性、环境、土地利用等多个方面的区别与联系，表明光伏和光热发电两种技术虽然有时存在竞争关系，但事实上这两种技术是相互联系依存的。

一、原理对比

光伏发电是指利用半导体界面的光生伏特效应原理，通过太阳能电池将太阳光能直接转化成电能的一种技术。而太阳能光热发电（也称聚光太阳能发电CSP），是指利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。

二、系统形式对比

光伏发电主要分为并网光伏发电系统（图1）、独立光伏发电系统（图2）。［3］

并网太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电连接到国家电网的发电的方式，成为电网的补充，典型特征为不需要蓄电池。

独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要用蓄电池来存储夜晚用电的能量。

图1　并网光伏发电系统

图2　独立光伏发电系统

一般来说，太阳能光热发电形式有槽式、塔式、碟式（盘式）三种系统。

槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，加热工质，产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。

塔式系统是利用众多的定日镜，将太阳热辐射反射到置于高塔顶部的高温集热器(太阳锅炉)上，加热工质产生过热蒸汽，或直接加热集热器中的水产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。

碟式系统利用曲面聚光反射镜，将入射阳光聚集在焦点处，在焦点处直接放置斯特林发动机发电。

三种系统原理及使用示意图如下图3所示。

图3　太阳能光热发电系统原理及使用示意图

三、能量转换对比

光伏发电仅需经过光电一次转换，产生的是直流电，而太阳能光热发电则需要经过光到热再到电的二次转换，产生的是和传统的火电一样的交流电，与传统发电方式和现有电网的匹配性更好，可直接上网。

光热发电的二次转换，增加了系统集成的难度，但热量发生作为光热热电站运行的一个中间环节，也扩大了光热发电技术的应用领域。比如，可以利用其产生的过热蒸汽与传统的燃煤电站、燃气电站或生物质发电厂进行混合发电；也可以将其产生的热作为副产品用于海水淡化、工业用热、空调等领域。

四、储能方式对比

光伏发电和光热发电之间最为重要的差别，在于各自在能量储存方式上的差异。由于光伏发电是由光能直接转换为电能，因此其多余的能量只能采用电池储存，其技术难度和造价远比太阳能光热发电中仅需储热要大得多。储能方式使光热发电具备调峰的功能，而储能对于弥补太阳能发电的间歇性，以及对电网的调峰能力，具有非常重要的意义。因此，易于对多余的能量进行储存，以实现连续稳定的发电和调峰发电，是太阳能热发电相对于光伏发电的一个最为重要和明显的优势。［4］

五、工程特性对比

在工程技术和安装上，光伏发电的全部光电转化都已经被完整地包含在一个模块当中，功能独立，因此非常适合分散式发电。光伏发电的集中式发电，也是基于对数目众多的太阳能电池模块的叠加效应，是对单块电池的拼装和连接。一旦电池出厂，就已经是功能独立的运行单元，后期的现场安装和维护都相对简单。所以产业的重点在于对单片的太阳能电池的制造技术的开发上。

而太阳热发电技术，除了斯特林（碟式）本身因为有类似于光伏的模块化的特点以外，其它三种光热方式缺乏用作分布式小型发电的优势，更适合于大型的集中式发电，其经济性也只有在大规模的集中发电中才能够体现出来。在太阳能热发电技术中，虽然所使用的材料都只是一般的常规材料，诸如玻璃和钢材，但系统集成更具工程性，现场安装和施工都相对复杂，并且对于整个项目的成功至关重要。如镜场的支架，乃至调试等，甚至是经验也起着非常关键的作用。

因此，光伏发电主要应用于分布式发电，而光热发电则较多用作集中式发电。

六、环境方面对比

一是环境污染方面。目前常见的太阳能电池在生产过程中会产生各种可能的污染物(如粉尘、烟气、纳米颗粒和化学气体的尾气产物等)，对环境和操作人员都会产生不良影响，但短时间内其生产依然摆脱不了高污染与高能耗。［5］相比较而言，太阳能光热发电站的建造和维护对环境的影响小、污染少。

二是环境温度影响方面。环境温度升高会使光伏电池的输出功率下降，但环境温度越高，光热的集热效率则越高。因此，光热发电更适合于气温较高的地区，光伏发电则更适合于气温较低的地区。

七、土地利用方面对比

太阳能辐射到地球上的能量密度低，使得单位土地面积的太阳能利用率就成为了衡量光热发电和光伏发电电站投资可行性的重要参数。［6］

首先，有人对美国加州12个5MW到500MW的光热电站项目（除一个为菲涅尔电站外，其余均为槽式或塔式）进行了评估计算，其平均的单位土地电力输出为39.47MW/k㎡；对5个同样位于加州的光伏电站进行测算，其平均的单位土地电力输出为32.53MW/k㎡。这表明光热发电的单位土地利用率相对更高些。

其次，考虑土建投资和土地利用率的另外一个方面是项目对土地形状、倾斜度的要求。光热电站中，不论是槽式和菲涅尔的反光镜还是塔式的定日镜，都对聚焦精度要求较高，土地如果不够平整则对聚焦精度影响较大，因此光热电站对土地斜率和平整度的要求就较高；而光伏电站对项目用地的几何形状没有过多要求。

下表1列出了光热发电与光伏发电技术上定量的对比。［7］

表1　光热发电与光伏发电对比

综上所述，我们可以看出：

1.光伏发电与光热发电的原理不同，因此它们的系统形式有较大的区别。

2.光伏发电产生的是直流电，如需并网需利用逆变器转换成交流电。而光热发电产生的是交流电，可直接并网，虽然经过二次转换增加了系统的难度、成本等，但也扩大了其技术的应用领域。

3.两者之间最重要的区别在储能方式上。光伏发电是储电，储存在电池上，而电池技术目前发展得并不尽如人意，使用寿命短，损耗大。光热发电是储热，因此可以通过一些介质如溶融盐，水等材料进行热储存，使用寿命长，损耗小。

4.模块化光伏电池组件的成熟发展与应用，使得它非常适合分布式小型发电。而光热发电系统中模块化技术的缺少，使得它更适合集中式大型发电。

5.相对光伏发电系统，光热发电系统更适合温度较高的地区，在建造和使用维护过程中对环境的影响小，污染少。同时，它的单位土地利用率相对更高些，土地斜率和平整度的要求也较高。

光热发电技术已相对成熟，产业化初步形成；光伏发电技术已成熟应用，未来可能还会有新的技术突破，产业化程度已经较高。［8］二者都有各自的优势和发展前景，并没有直接冲突。在太阳能发电发展比较好的地方应该既有光热发电系统，又有光伏发电系统，因此两者长期来看是互补关系。未来二者必将共同担当未来世界能源消费格局。

参考文献：

［1］张桂玲.光伏与光热发电齐头并进［J/OL］.www. chinaygny.cn,2011.

［2］高峰.光热发电比光伏有更好的前景［J/OL］.中外能源,2011.

［3］陈昊，王纲.太阳能发电技术、经济对比［J］.环境教育, 2011,(12):90-92.

［4］陈昊，王纲.太阳能发电潜力及前景分析［J］.WTO经济导刊,2012,(2):49-51.

［5］卢兰兰，毕冬勤，刘壮，杨春雷，肖旭东.光伏太阳能电池生产过程中的污染问题［J］.中国科学,2013(6):687-703.

［6］侯元元，刘彤，黄裕荣，高子涵，吕华侨.国际太阳能光热发电技术专利情报研究［J］.科技和产业,2014(8):142-145.

［7］侯元元，夏勇其，黄裕荣，吕华侨.基于专利信息的太阳能光热发电技术竞争态势分析［J］.情报探索,2014(8):54-58.

［8］吕华侨，夏勇其，申峥峥.我国太阳能热发电产业政策解析［J］.电力科技,2014(22):142-143.

责任编辑：邱美玲

[作者简介]陈丽（1976—），女，江苏徐州人，讲师，硕士，研究方向：建筑能源、建筑工程管理等。

[收稿日期]2015-3-10