太阳能的发电
太阳能发电系统可分为太阳能热发电和太阳能光伏发电两类，太阳能热发电就是利用太阳能将水加热，使产生的蒸汽去驱动汽轮发电机组。根据热电转换方式的不同，把太阳能电站分为集中型太阳能电站和分散型太阳能电站。塔式太阳能电站是集中型的一种，即在地面上敷设大量的集热器（即反射器）阵列，在阵列中适当地点建一高塔，在塔顶设置吸热器（即锅炉），从集热器来的阳光热聚集到吸热器上，使吸热器内的工作介质温度提高，变成蒸汽，通过管道把蒸汽送到地面上的汽轮发电机组发电。
分散型太阳能电站的集热装置的特点是以一个镜体配合一个吸热器组成一个的单元。根据发电容量的设计要求，串、并联若干单元组成电站。
太阳能光发电是利用太阳电池组将太阳能直接转换为电能。太阳电池由单晶硅或非晶硅薄膜制成，转换效率最多为10％～17％。将太阳电池排成方阵，其总面积决定所需的功率。太阳电池发出直流电，而且要随阳光的强弱变化，所以还得配备逆变器（将直流电变为交流电）、蓄电池和相应的设备。太阳能光发电已广泛用于人造地球卫星和宇航设备上，也可作为孤立地区的电源。
近年来人们对建造宇宙空间太阳能电站的问题进行了大量的研究。宇宙空间太阳能电站是在绕地球的同步轨道上建造卫星电站，太阳辐射能通过光电转变成电能，用微波发生装置将电能转变为微波，然后再以集束形式把微波发射到地面接收站，地面接收装置再把微波转变成电能输送到电网中。
目前太阳能发电有两种方法。一种是将太阳能转换为热能，然后按常规方式发电，称为太阳能热发电。另一种是通过光电器件利用光生伏打原理将太阳能直接转换为电能，称
为太阳能光伏发电。
1.1 常规太阳能发电
太阳能热发电系统太阳能热发电也叫做太阳能聚光发电，是将太阳辐射从面积上浓缩产生高温发电的装置。由于太阳光聚集后可以产生高温，因此该技术用于与热发电机相连来构成发电系统。太阳能聚光技术最早可以追溯到140年前(D.Mills,2003),Mouchot和Pifre于1882年在法国所做的研究工作。其后，在1888年Ericsson，1901年Eneas，1913年Shuman和1968年Francia在该方面也进行了大量的研究工作。最值得一提的是在上世纪80年代，由于70年代的石油危机，太阳能热发电得到了重视，一批大规模的太阳聚光器在世界各装。如发电总功率354MW的槽式太阳能热电站在美国加洲建成，在十几年间已经发电超过5000GWh。
当前太阳能热发电按照太阳能采集方式可划分为：
1.1.1太阳能槽式发电
槽式发电是最早实现商业化的太阳能热发电系统。它采用大面积的单轴槽式太阳能追踪采光板，通过对太阳光的聚焦，把太阳光聚集到安装在抛物线形反光镜焦点上的线形接收器上，并加热流过接收器的热传导液，使热传导液汽化，同时在能量区的热转换设备中产生高压、过热的蒸汽，然后送入常规的蒸气涡轮发电机内进行发电。通常接收太阳光的采光板采用模块化布局，许多采光板通过串并联的放置，均匀的分布在南北轴线方向。为了保证发电的稳定性，通常在发电系统中加入化石燃料发电机。当太阳光不稳定的时候，化石燃料发电机补充发电，来保证发电的稳定性和实用性。一些国家已经建立起示范装置，对槽式发电技术进行深入的研究。到2000年，随着先进技术和设计的提出，减少了槽式
发电在热收集方面的损耗和电的寄生效应，使槽式发电得到了较大的提高。可使一个80MW的发电站的光电转换效率达到12.9%。当前，随着热能存储设备的加入，可使槽式发电的效率比最初提高7%。热能存储设备可以存储剩余的热量，保证发电的平稳，同时它也为的太阳能发电提供了保障。有了热能存储设备的加入，可使一个80MW的发电站的光电转换效率达到13.8%。当前正在发展的技术方向为直蒸汽（DSG）技术。典型的PTC发电厂动力范围为30-150MW，工作温度约为400℃
1.1.2 太阳能碟式发电
碟式发电是目前利用太阳能发电效率最高的太阳能发电系统，最高可达到29.4％。因此它有潜力成为最廉价的利用太阳能发电的系统。它利用双轴跟踪技术，采用一组反光镜聚集太阳光，同时利用接收器进行有效地热转变工作，之后利用常规发电机进行发电。通常接收器的接收面被放置于聚光焦点的后面以减小激烈的高温熔化。碟式发电系统具有高效率、多功能、可和化石燃料混合发电等特点。高效率来自于它的低成本和高能量密度。和其它太阳能技术比较依赖场地和高费用来说,碟式发电每MW大约需要1.2到1.6公顷的占地。对于系统的安装成本，尽管当前为＄12000/kW，但是由于它具有的高效率,因此潜力巨大 。同时碟式发电系统功率较小，一般为5～50kW，因此它即可以单独分散发电，也可以组成较大的发电系统。研究表明，碟式太阳能热发电系统在空间上的应用，与光伏发电系统相比，具有气动阻力低、发射质量小和运行费用便宜等优点，因此目前世界各国也都在对碟式发电进行积极的研究和利用。。
11.3太阳能塔式发电
太阳能塔式发电又叫做高温太阳能热发电，它利用跟踪太阳光的定日镜群把太阳光聚集到塔顶的能量转换器（接收器）上，通过能量的转换把热量传递给热传导液，再由
蒸汽发生器产生蒸汽带动蒸汽涡轮发电机产生电能，同时利用冷却塔进行冷却再进入接收器进行循环发电。塔式太阳能发电系统是利用定日镜来实现对太阳光的反射和聚集，由于塔式发电系统中定日镜的数量众多，因此可实现大功率的发电，实际应用上可达到30-400MW之间。而且接收器的散热面积相对较小，因而可以得到较高的光电转换效率。同时由于储能槽的加入，使系统可以一天内连续发电13小时。在美国的西南部，由于充足的日照强度和相对便宜的土地价格，使这里成为了建设塔式发电站的理想区域，同样北非、墨西哥、南美、中东和印度等地，也都是理想的塔式发电站建设地。
11.4 常规太阳能发电的趋势
目前正在发展的技术方向为直加热空气发电技术。太阳能热发电系统的发展与展望1950年，前苏联设计了世界上第一座太阳能塔式电站，建造了一个小型试验装置。70年代，太阳能电池价格昂贵，效率较低。相对而言，太阳能热发电效率较高，技术比较成熟，因此当时许多工业发达的国家都将太阳能热发电作为重点，投资兴建了一批试验性太阳能热发电站。据不完全统计，从1981～1991年，全世界建造的太阳能热发电站（500kw以上）约有20余座，发电功率最大达80MW。80年代中期，人们对建成的太阳能热发电站进行技术总结后认为，虽然太阳能热发电在技术上可行，但投资过大，且降低造价十分困难，所以各国都改变了原来的计划，使太阳能热发电站的建设逐渐冷落下来。正当人们怀疑太阳能热发电的时候，美国和以色列联合组成的LUZ太阳能热发电国际有限公司，自1980年开始进行太阳能热发电技术研究，开发槽式太阳能热发电系统，并成功地进入了商品化阶段。于1985年至1991年间在美国加州沙漠建成了9座槽式太阳能热发电站，总装机容量达到了353.8MW 。并使发电成本逐渐下降，预期能达到5～6美分／kWh。LUZ热发电站的成功实践，激发起人们对太阳能热发电继续进行研究开发的热情。
为此，以色列、德国和美国几家公司进行合作，继续推动太阳能热发电的发展，并
成功的在美国内华达州建造了两座80MW槽式太阳能热发电站，两座100MW太阳能与燃气轮机联合循环电站，在西班牙和摩洛哥分别建造了135MW和180MW太阳能热发电站各一座。我国对太阳能热发电领域的研究也逐渐重视起来。在“六五”期间建立了一套功率为lkW的太阳能塔式热发电模拟装置和一套功率为lkW的平板式太阳能低温热发电模拟装置。此外，我国还与美国合作设计并试制成功功率为5kW的碟式太阳能发电装置样机。并在2005年与以色列合作，在江苏省南京市建成了第一座功率为75kW的太阳能塔式热发电示范电站，并成功运行发电。太阳能热发电具有巨大的潜力，因此对于太阳能热发电未来的发展，应着眼于市场应用的开发，使太阳能热发电真正溶入到我们的生活当中。研究低成本的反射材料、接收器和发电设备成为了降低热发电成本的关键，也是当前热发电领域研究的重点。
2.1 能光伏发电
太阳能光伏发电是利用太阳能光伏电池的光生伏打原理把太阳光能直接转化为电能的发电方式。
2.2.1 太阳能光伏发电系统的组成
太阳能光伏发电系统由太阳能光伏电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。 太阳能光伏电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分，也是太阳能光伏发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能光伏电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳能控制器控制着整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。蓄电池一般为铅酸电池小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂
电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能。
2.2.2 太阳能光伏电池的原理
太阳能电池内部存在P-N结，当P-N结处于平衡状态时，在P-N结处形成耗尽层，存在由N区到P区的势垒电场。当太阳光入射的能量大于硅禁带宽度的时候，射入电池内部的太阳光子，把电子从价带激发到导带，产生一个电子-空穴对。电子-空穴对随即被势垒电场分离，电子和空穴被分别推向N区和P区，并向P-N结交接面处扩散，当到达势垒电场边界时，受势垒电场的作用，电子留在N区，空穴留在P区，形成内建电场。而由于内建电场的作用，N区中的空穴和P区中的电子被分别推向对方区域，使N区积累了过剩的电子，P区积累了过剩的空穴，即在P-N结两侧形成了与势垒电场方向相反的光生电动势，当接入负载后，就会产生电流流出。
2.2.3 太阳能光伏发电系统的分类
当前太阳能光伏发电系统大致可分为三类：蓄电系统、反馈式发电系统、市电并联系统。蓄电系统：这是比较原始的一种太阳能应用方式。在国内外应用已有若干年。系统比较简单、造价低。只因其一系列的电池维护困难，而了使用范围。反馈式发电系统：当用电负载较大时，太阳能电力不足就向市电网络购电，而负载较小或不使用电器时，就可以将多余的电力卖给市电。这种方式的实施意义重大。适用于电网己全面改造的
城市。市电并联系统：这是介于上述两种方案之间的系统。常常是太阳能发电的中期运用形式。由于城市电网改造尚未进行，只好采用此灵活的做法。光伏发电系统的分类
2.2.4 太阳能光伏发电的现状和发展趋势
①国外太阳能光伏发电现状和发展趋势太阳能光伏发电产业是20世纪80年代以来世界上增长最快的高新技术产业之一。到2004年,世界太阳能光伏发电装机总容量达到9.9MW,到2006年底,达到4961.69MW。已经商品化、实用化的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光电池、带状硅电池及薄膜电池等几类。在国际市场上,目前太阳能光伏电池的价格大约为3.15美元/W,并网系统价格为6美元/W,发电成本为0.25美元/(kWh)。光伏电池的光电转化效率也不断提高,晶体硅光电池转化率达到15%,单晶硅光电池转化率是23.3%,砷化镓光电池是25%,在实验室中特制的砷化镓光电池已达35%～36%。同时太阳能光伏电池/组件的使用寿命也大大增长,最多可达到30年。目前,光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国,其光伏发电量约占世界光伏发电量的80%。今后光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。专家们预测到2050年,太阳能光伏发电在发电总量中将占13-15,到2100年将约占%。②国内太阳能光伏发电现状和发展趋势20世纪90年代以来是我国光伏发电快速发展的时期。在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强,成本不断降低,市场不断扩大,装机容量逐年增加,2006年累计装机容量达35MW,约占世界份额的3/7。10多年来,我国光伏产业长期平均维持了全球市场1左右的份额。到2020年前,我国光伏技术产业将会得到不断的完善和发展,成本将不断下降,光伏市场会发生巨大的变化:预计2005—2010年,我国的太阳能电池主要用于光伏发电系统,发电成本到2010年将约为1.20元/kWh；2010—2020年,光伏发电将会由系统转向并网发电系统,发电成本到2020年将约为0.60元/kWh。到2020年我国光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。
太阳能光伏发电产业进一步发展需要解决的问题目前,世界太阳能光伏发电产业还处于初级阶段，为了保证太阳能光伏发电产业的健康发展,需要做好以下条件:
a继续研制太阳能电池新材料,提高电池的光电转化效率；
b研究太阳能光电电池最大功率跟踪算法,实现太阳光最大功率跟踪；
c研究太阳能光电池阵列的优化组合算法,实现太阳能光电电池阵列的优化组合；
d研究太阳能光伏发电的软并网技术,减少光伏电能对电网的冲击；
e探索并实现太阳能光伏发电与建筑物建设相结合,实现建筑物绿色发电与自我供电；
f探索并出台保护太阳能光伏发电发展的与法律、法规,对太阳能发电电价实行保护,促进太阳能发电产业的发展。
2.3 宇宙太阳能发电站
所谓宇宙太阳能发电站是指在宇宙空间进行大规模的太阳能发电，然后通过无线电波将电力输送到地面。系统如果建成，人类将会获得取之不尽的绿色能源。1990年，日本在休斯顿举行的各国首脑会议上提出了“地球新生计划”，该计划列出了今后100年可使地球环境新生的战略技术，这就是核聚变和宇宙太阳能发电。所谓太阳能发电就是利用半导体将光能直接转换成电能的发电方法，利用当前的技术可将10％的光能转换成电能。为使发电过程不排放对人体有害的氮氧化物等气体、放射性废弃物及造成地球变暖的二氧化碳，人们期待着开发绿色发电技术。依靠太阳光发电不仅能满足人类活动所需的大部分能源，而且能对地球环境问题的解决做出重大贡献。但是，在地面上每平方米仅能获
得约1千瓦的电力，而且太阳能的利用还要受天气因素的影响。为了弥补这一不足，有人曾提出在日照充足的沙漠地带建造大规模太阳光发电站的设想，但在地面上夜间不能发电。利用阳光发电的最好方法是不断地用太阳能在宇宙空间发电。1968年，美国人格雷齐尔提出了建造宇宙太阳能发电卫星的设想。他提出将卫星发射到静止轨道，然后利用微波将太阳电池获得的电力送到地面，这样人类便可获得无限的绿色能源。静止轨道就是位于赤道上空36000公里的圆形轨道。静止轨道上的卫星与地球的自转周期是一致的，即每日自转1周，所以从地面上看卫星总是处在同一位置上。而且静止轨道上的太阳光强度为地面上的大约14倍。除日食期间外，可以不分昼夜、不分季节和不管天气好坏进行发电，因此，在宇宙空间太阳能的利用率约是地面上利用率的10倍。宇宙空间发电所得的电力用微波送往地面。送电用的微波是光波(即电磁波)的一种，属于卫星广播、微波炉、移动电话使用的波长范围。为满足美国的总电力需求，经历了70年代的石油危机后，美国能源部与美国航空航天局合作，自1976年开始实施宇宙太阳能发电的研究，其研究内容有，假定21世纪之初美国所需的3亿千瓦电力全部由宇宙太阳能发电提供的话，会对环境、经济、社会等方面产生什么样的影响，同时还要将宇宙太阳能与火力、核能、核聚变等其他发电方法进行比较。当时研究的发电卫星叫做“参考系统”，一颗卫星就是一个5公里×10公里的庞然大物，如果把它发射到静止轨道上，可发电500万千瓦。按每颗卫星总重量50000吨计算，每年发射2颗，在30年内计划总计要发射60颗卫星。研究人员经过对用微波送电对地球环境的影响、能效等多方面考察，最终得出了应推进阳光发电卫星研究这一结论。但由于难以预测的巨大建造成本等问题，这项研究于1980年终止。这一结果，使得世界各国对宇宙太阳发电的兴趣急剧降温。但是，随着近年来地球环境问题的日益严重，对宇宙太阳发电的认识又有所改变，自80年代后期开始重新掀起了宇宙太阳发电热。在日本，1987年由国家公立大学和研究所的研究人员组成了文部省宇宙科学研究所“太阳发电卫星研究小组”。日本又于1990年成立了“SPS2000”宇宙太阳发电系统实用化研究小组，该小组的研究一直持续至今。1997年又成立了既有理学、工学，又有法学和经济学方面人士参加的“太阳发电卫星研究会”。目前该研究会的事务局设在东京大学，正在从事研究信
息的交换及对外信息的提供。1998年日本科技厅成立了宇宙太阳发电研究委员会，专门研究其安全性及经济性问题。最近美国航天局重新开始了对宇宙太阳发电的研究，虽然对其成本问题尚未进行研究，但1998年后将会大幅增加研究经费，而且研究的进度将会加快。日本的SPS2000计划所谓SPS2000是指最迟到2000年在围绕地球的轨道上组建输出10000千瓦的太阳能发电卫星，首先把发射轨道定在赤道上空1100公里处，供电范围定在赤道附近的一些国家。
