新型太阳能电站发电效率提高的研究与设计

李为明

摘 要：目前我国乃至全球均面临着环境、能源、资源的巨大压力，可再生的环保性能源是解决大气污染与能源短缺问题的必然趋势，是地球可持续发展的唯一选择。太阳能电站利用了最具发展前景、最具广泛性的太阳光能，将光能转化为电能供人们使用，太阳能的持续性与广泛性特征让高效率应用太阳能成为了研究者的重点思考课题。本文首先分析了目前我国建设太阳能发电站在效率方面的阻碍因素，并在此基础上提出了新型太阳能电站效率提升的几点策略。

关键词：太阳能电站；发电效率；改进措施

太阳能发电技术简称CSP，利用太阳光线温度资源实现发电的环保性与可持续性[1]。相对于光伏发电而言，太阳能发电通过物理方式实现光电转换，减少了对地球资源的消耗与对环境的影响，是发电站的必然发展趋势[2]。现阶段，塔式电站利用其系统综合效率高、热功转换效率高、集热效率高、成本控制空间大的优势，成为了我国太阳能发电站的建站首选。本文以太阳能发电站的发电效率为切入点，研究了效率影响因素及研究设计策略。

一、发电效率阻碍因素

（一）自主技术限制

以塔式太阳能发电站为例，在技术层面欠缺自主研发关键技术，多数核心技术属于引进，无法掌握技术内核。如高温熔融盐泵的制造、吸热器设备的制造、吸热器涂层材料制造、吸热管材的研发、定日镜镀层材料等，均属于保密级别的高精尖技术，引入难度较大[3]。我国在技术层面目前发展状态为初级起步阶段，控制技术、光热电站系统模拟仿真技术、集成技术、整体系统设计等均缺乏电站建设运营的实际能力与建设经验，只能够引进或模仿国外先进技术，无法切实结合我国发展现状通过核心技术的自主研发实现发电效率的提升。

（二）建站成本偏高

由于我国太阳能电站的发电技术大多来源于国外研究成果，而发电站的建设属于技术密集型与资本密集型，因此在引进的同时还应考虑到建设竞争力与经济性。我国太阳能发电站多建设于高原地区，偏北方，存在明显的扬沙、大风、高海拔特征，DNI分布差异明显。若直接引用美国、西班牙等地的建站技术，其适用性将大打折扣，在不断调整过程中影响了建站成本控制。现如今我国已建成的较大型太阳能发电站为中控德令哈电站与八达岭延庆电站，数量较少，无法形成建站经验。加上目前国家政策方面对发电站的市场化、产业化发展尚未明确，因此建站成本居高不下，急需国产化设备及国家政策的支撑[4]。

二、发电站提升效率的设计研究

（一）高效率应用太阳辐射度

太阳能电站的发电效率很大程度上取决于太阳辐射强度，辐射升高时电池开路电压会随之小幅度提升，继而提升短路电流，增强输出功率。以光跟踪技术为例，目前可采用光电自动跟踪法与视日运行轨道跟踪法两种光跟踪技术。前者通过光敏电阻之类的光传感原件感知阳光，阳光射入角度的不断变化让传感器出现偏差信号，在信号放大器作用下偏差信号被输入至控制单元，在偏差值的位置计算下利用驱动装置对电池阵列位置加以调整，确保其垂直于太阳光；后者的原理为对太阳方位角加以跟踪、感知变化，由电池阵列绕轴转动，保障方位角平行于太阳方位角。

（二）优化电池原料

电池原料的选择应尽量采用自主研发制，根据我国发电站建站位置环境、规模等因素，设计出适应性更高的材料设备。太阳能电池材料应选择宽度适合的半导体材料禁带，同时符合转换率高、可工业化使用、環境污染少的要求。目前我国正研发以氮、镓、铟的合金为基础的光电池，并发现氮化铟作为半导体，在禁带宽度上远低于初始认知，因此该技术下光电池能够更灵敏的接收太阳光谱辐射。同时，该光电池效率明显高于目前使用材料，多级太阳能电池利用氮化镓与氮化铟双层制成在理论极限上可达到最大效率的？。

（三）电池组件温度控制

电池组件的温度变化会影响到光伏发电效率，温度的上升让组件中热机发电子处于主导，电池短路电路随之升高，开路电压明显下滑，影响到输出功率的稳定性。实验室数据显示，当温度处于20℃-100℃之间时，温度提升1℃则开路电压下降2mV，短路电流提升1‰，即功率下降0.35%。因此在太阳能电站建站并使用期间应注意严格控制电池组件温度，可利用冷却系统实现降温。现阶段可通过被动冷却与主冷却两种方式完成，相对而言主冷却对太阳能的利用率更高，但系统结构复杂，可靠性相对偏低，因此更宜选择可靠性及成本性均具优势的被动冷却系统。

太阳能发电站的建设是全球发电站的必然发展趋势，充分利用太阳能、提升发电效率需要从设备、材料、技术等方面不断优化，不断改进生产工艺、规避影响发电效率的影响因素，设计出适应性高、发电功率稳定、安全性强、成本性高的太阳能电站，不断提升太阳能转换效率，让新型太阳能电站不断向无污染、寿命长、储量大、效率高发展。

参考文献：

[1]吴毅，王佳莹，王明坤，戴义平.基于超临界CO_2布雷顿循环的塔式太阳能集热发电系统[J].西安交通大学学报，2016，v.5005：108-113.

[2]胡甜，余琴，王跃社.基于光线踪迹法的塔式太阳能镜场布置与优化研究[J].工程热物理学报，2015，v.3604：791-795.

[3]罗彦，杜小泽，杨立军，杨勇平.塔式太阳能电站分离式吸热器热流分布与定日镜场设计研究[J].可再生能源，2017，v.35；No.222 02：192-200.

[4]罗彦，杜小泽，杨立军，杨勇平.塔式太阳能热发电太阳倍数及储热时长优化研究[J].热力发电，2017，v.46；No.36706：21-27.endprint