国外太阳能利用情况简介

目前国际上太阳能的开发与利用已经成为日益关注的热点，其中主要集中在太阳能热利用与太阳能发电等领域。

（1）太阳能热利用 在太阳能热利用方面，太阳能热水器及热水系统得到了较为普遍的应用，其中希腊、以色列等国家与我国一样，太阳能热水器主要供应生活和洗浴热水；在欧洲、澳大利亚等国家，太阳能热水系统主要是作为辅助热源与常规能源系统联合运行，既能供应生活和洗浴热水，还为建筑供暖；在美国，太阳能热水器主要是用于游泳池的加热。欧盟90%以上的太阳能热能用于居民住宅，并有希望到2030年成为最大的消费者，太阳能热利用到2030年有望达到35Mtoe。OECD国家能源消费中的15%～20%用于水加热，太阳能热水器的潜力是巨大的，尤其是阳光充足的地区。

太阳能发电主要包括太阳能热发电与太阳能光伏发电等形式。

（2）太阳能热发电 首先，太阳能热发电主要指聚光类太阳能热发电，是利用聚光集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环持续发电的技术。20世纪80年代以来，美、以、德、意、俄、澳、西等国积极开展了研究开发工作，相继建立起槽式系统、塔式系统和碟式系统等不同形式的示范装置。如30MW以上的线聚焦抛物面槽式系统、30MW以上点聚焦塔式系统以及几千瓦到数十千瓦的采用燃气轮机或斯特林发动机的点聚焦抛物面碟式系统，其中前两种一般与大电网并网运行，后一种一般供用户作为独立电源使用，但同时也可并网使用。

抛物槽式太阳能热发电系统虽然在美国已取得了大规模商业化运行的经验，但目前的主要问题是当系统集热温度高于400℃后，峰值集热效率急剧下降。当直射辐射强度（DNI）为800W/m²，温度为500℃时的集热效率比250℃时的集热效率约降低22.5%。由于其几何聚光比低及集热温度不高等条件的制约，使得抛物槽式太阳能热发电系统中动力子系统的热转功效率偏低，通常在35%左右。因此，单纯的抛物槽式太阳能热发电系统在进一步提高热效率、降低发电成本方面的难度较大。

塔式太阳能热发电系统与槽式太阳能热发电系统相比，其集热温度更高，易生产高参数蒸汽，因此，热动装置的效率相应提高。目前，塔式太阳能热发电系统的主要障碍是当定日镜场的集热功率增大时，即单塔的太阳能热发电系统大型化后，定日镜场的集热效率随之降低。目前，SolarOne是较为成功的塔式太阳能热发电系统，容量为10MW，定日镜场的年均集热效率为58.1%。针对上述问题，国外学者提出多塔的定日镜场形式，我国的金红光研究员提出了槽塔结合的双级蓄热太阳能热发电系统，这些研究为塔式太阳能热发电技术的发展开拓了新方向。

目前，碟式太阳能热发电系统规模较小，高效发电技术还不成熟（尚处于试验阶段），在上述三种太阳能热发电技术中，开发风险最大且投资成本最高。

太阳能热发电的另一种方式是太阳能热气流发电，太阳能热气流发电系统也称太阳烟囱发电系统。热气流发电的工作原理类似于温室效应，如在一片广阔的平地上，用透明塑料或玻璃做一个中间向上倾的屋顶，形成巨大的篷式地面太阳空气集热器，在其中央有一个高大的竖直烟囱。于是在阳光的照射下，地面空气集热器内的空气就被加热，它对环境的温差可高达35℃。利用冷热空气的温度差或密度差，加热了的空气将向屋顶上方运动，并通过烟囱迅速上升，其速度可达15m/s。也可以把烟囱看做是将空气中的热能转换为压力能的转换器。在烟囱的底部安装一台风力发电机，从而将热风的动能转变成了电能。屋内的土地具有储能的作用，以减少电能输出的波动。如图5-28所示，太阳能热气流发电系统主要由三部分构成：太阳能集热棚、导流烟囱和涡轮发电机组。其中集热棚采用透光隔热材料制成，吸收太阳辐射加热棚内空气；在位于集热棚中央的烟囱抽气和集热棚内热空气压力的联合作用下，引导棚内空气形成强大气流；气流驱动涡轮机带动发电机发电。

图5-28 太阳能热气流发电示意图

太阳能热气流发电的构想是由德国斯图加特大学的Jorgan.Schlaich教授在1978年首先提出的。1982年，在西班牙的门泽纳雷斯市（Manzanres）成功建起了一个白天平均功率为50kW的试验性太阳能烟囱发电站。它成功地将成熟的温室技术、烟囱技术和风力涡轮机技术结合为一体。

这种太阳能发电具有以下优点：①集热器既能吸收直射的太阳光，也能吸收漫射太阳光。而依靠聚焦型太阳能集热器生产蒸汽来驱动热机发电的系统则只能吸收直射辐射，因此受天气情况影响小。②太阳能热气流发电技术是一种很好的太阳能转化技术，集热棚地面吸收的太阳能不但白天能够发电，而且晚上也能释放能量，保证发电机组的连续运行。③太阳能热气流电厂结构坚固，不易损坏。稳定气流状况下的太阳能热气流电厂中，风力透平、传动器和发电机是仅有的运动部件，这使电厂维护相对简单。④太阳能集热器以及烟囱材料均可以使用现有的常规材料，设备较其他发电技术简单，运行费用低，而且设备规模越大，功率越大，发电的效率也越高，经济性上适合于建立大功率的太阳能热气流发电系统。⑤和传统电厂（包括部分其他形式的太阳能电厂）不同，太阳能热气流电厂不需要冷却水，对于那些阳光充裕而饮用水缺乏的国家而言，是一个极为重要的优势。⑥建造太阳能热气流电厂所需的主要建筑材料是混凝土和玻璃，利用沙漠地区富含的石子和沙土以及已建成的太阳能热气流电厂的电能，又可以继续生产混凝土和玻璃。(www.xing528.com)

缺点是太阳能热气流电厂只能把集热器所吸收的太阳能的一部分转化为电能，因此“效率很低”，其原因是太阳能首先变成低品位的热能，才又转变成气流和电能。但是太阳能热气流电厂造价低廉，架构坚固，维修费用低，这些足以弥补其效率低的缺点。

从世界范围看，太阳能热发电技术已基本完成了实验室探索阶段，正处在逐步实现商业化的过程中。西班牙、美国、德国、以色列、意大利、澳大利亚、日本、韩国等国家都投入了大量资金和人力进行研究，取得了大量科研成果，全世界先后建立了20余座塔式太阳能热发电示范电站。

1984～1990年，在美国加州安装了九个槽式太阳能热发电厂，功率为13～80MW不等。槽式太阳能热发电技术是目前最为成熟的太阳能热发电技术。随着技术的不断发展，系统从光到电的效率从起初的11.5%提高到13.6%，并且最大的峰值效率曾达到过21%。建造费用由5976美元/kW降低到目前的2300～2500美元/kW。系统光到电的年净效率为11%～15%。在太阳资源为2940kWh/m²地区的发电成本已经由26.3美分/kWh降低到12美分/kWh。一个商业规模的发电厂的大小在50MW以上。

从1996～1999年，美国的Solar Two发电厂显示太阳能塔式发电技术在10MW试验规模水平。全世界目前已经有10个塔式的太阳能热发电试验电站在运行。随着技术的不断发展，系统从光到电的效率由1995年Solar Two的7.6%提高到2004年Solar Two的13.7%。系统建造费用由5976美元/kW降低到目前的2500～2900美元/kW。系统光到电的年净效率为15%～20%。目前在太阳资源每年为2940kW/m²地区的LEC大约为0.15美分/kWh。一个商业规模的发电厂的大小在50～200MW。

太阳能热发电在商业上还未得到大规模应用，或者说正在逐步实现商业化的过程中，其根本原因是目前太阳能热发电系统的发电成本高，是常规能源发电成本的1倍以上。造成太阳能热发电成本高的原因主要有以下三个方面：①太阳能热气流密度低，需要大面积的光学反射装置和昂贵的接收装置将太阳能直接转换为热能，这一过程的投资成本约占整个电站投资的一半。②太阳能热发电系统的发电效率低，年太阳能净发电效率不超过15%。在相同的装机容量下，较低的发电效率需要更多的聚光集热装置，增加了投资成本。③由于太阳能供应不连续、不稳定，需要在系统中增加蓄热装置，大容量的电站需要庞大的蓄热装置和管路系统，造成整个电站系统结构复杂，增加了成本。

（3）太阳能光伏发电 太阳能发电的另一种方法是通过太阳能电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统，即太阳能光伏发电系统。太阳能光伏发电目前工程上广泛使用的光电转换器件晶体硅太阳能电池，生产工艺成熟，已进入大规模产业化生产，并且发展迅速。1990～2006年以来世界太阳能电池的生产实现了持续增长，尤其是最近10年太阳能电池及组件生产的年平均增长率达到33%，最近5年的年平均增长率达到43%。2006年，世界太阳能电池产量达到2500MWp（Wp代表在大气质量为1.5、太阳辐射1000W/m²时，太阳能电池的输出功率Watt，1MW等于1000kW），累计发电量达到8590MWp，呈现加速增长的态势。根据欧洲可再生能源委员会《可再生能源状况2040》报告，太阳能占世界总发电量的比例在2010年将达到0.1%，2020年将达到1.1%，2030年将达到8.3%。日本新能源产业技术开发机构（NEDO）对太阳能组件的未来预测以及从费用角度绘制的路线图，到2030年，太阳能电池的发电量将达到100GW。

随着光伏技术的进步，世界光伏产量有了很大的提高，20世纪90年代的年平均增长率达到20%，从1991年的55MW增长到2000年的287MW；2001年以来，光伏电池产量快速增长，光伏组件的年平均增长率更是高达30%以上。2005年，世界太阳能电池产量达到1656MW，比2004年增加了38%；日本光伏电池产量再次领先增长到762MW，增长率为27%；欧洲产量增加48%，达到464MW；美国增加12%，达到156MW；世界其他地区增加96%，达到274MW。

光伏电池板是太阳能光伏发电系统中的基本核心部件，它的大规模应用需要解决两大难题：一是提高光电转换效率；二是降低生产成本。

目前太阳能电池的发展已经历了三代。第一代光伏电池以硅片为基础，虽然其技术已经发展成熟，但高昂的材料成本在全部生产成本中占据主导地位，不仅消耗了过多的硅材料，而且制作全过程中要消耗很多能源。第二代光伏电池基于薄膜技术，将很薄的光电材料铺在非硅材料的衬底上，大大减少了半导体材料的消耗，并且易于形成批量自动化生产，从而大大降低了光伏电池的成本，国际上已经开发出了电池效率在15%以上、组件效率在10%以上和系统效率在8%以上、使用寿命超过15年的薄膜电池工业化生产技术。第三代高转换效率的薄膜光伏电池通过减少非光能耗，增加光子有效利用以及减少光伏电池内阻，使光伏转换效率的上限有望获得新的提升。

另外，多晶硅光伏电池比单晶硅光伏电池的材料成本低，是世界各国竞相开发的重点。目前它的研究热点包括开发多晶硅生产技术，开发快速掺杂和表面处理技术，提高硅片质量，研究连续和快速的布线工艺，多晶硅电池表面结构化技术和薄片化，开发高效率电池工艺技术等。非晶硅电池仍处在发展之中，每年的新增产量在10MW以上。化合物太阳电池（如铜铟镓硒等）正以其转换效率高、成本低、弱光性好及寿命长等优点成为新一代光伏电池的发展方向。

总之，经过世界各国几十年的不懈努力，太阳能技术已经有了长足的发展，并表现出如下特点：一是发达国家占据着太阳能核心技术的高端，自2000年以来，太阳能专利的大部分权利人来自日本，日本拥有的发明专利数量绝对第一，占45%，美国以21%排名第二，德国、中国紧随其后，分别为10%和8%，此外，韩国占3%，澳大利亚占2%，俄罗斯和世界知识产权组织（WIPO）各占1%，其他国家共占9%；二是太阳能核心技术的拥有者为企业，目前全球太阳能产业领域申请专利前十名的全部为日本企业，其中日本佳能株式会社最多，专利申请数量为1503项，夏普次之，为1345项，京都陶瓷883项、三洋电子799项及松下530项，表现出绝对的领先优势；其他发达国家的企业，如美国的Sun-Power和德国的Siemena Solar等企业在太阳能光伏市场上都有非常强的竞争力，不容忽视。