1、而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1/5左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。2. 不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。3. 效率低和成本高：太阳能利
2、用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。1.2 太阳能的技术原理1.2.1光伏的技术原理光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料（例如硅）制成的固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表以及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明以及交通信号灯和监控系统，并入电网供电。光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电能。
3、天台及建筑物表面均可使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。1.2.2 光热的技术原理现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸气和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，方法是在设计时加入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。海上太阳能项目新型船舶由它们反射的阳光都自动聚集到甲板中心的中央，加热锅炉里的水,产生高温高压蒸汽，推动发动机，从而产生电力。二太阳能的应用 太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。
4、为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。太阳能的应用目前主要分为一下几个方面：2.1 光伏发电光伏技术是利用半导体的光电效应直接将太阳能转化为电能的一种技术。目前光伏技术已历经三代：晶硅电池、薄膜电池和聚光光伏电池。技术的发展来源于人们希望提高对光能的吸收效率、提高光能电能的转换效率、同时控制成本的要求。所以三代电池有着不同的技术特点： 晶硅电池：由于硅是最理想的太阳能电池材料，具有良好的光电转换效率，所以，人们首先想到了单一的以硅板作为介质接受太阳光并将其转换成电能。但由于硅的开采和提炼成本居高不下，所以成本高是这种电池的主要弊端。 薄膜电池：顾名思义就是将
5、一层薄膜制备成太阳能电池，因为其主要以铜铟镓硒或碲化镉作为硅的替代品进行光电反应，所以其制造成本较晶硅电池要低廉许多，但其效率也要明显低于晶硅电池，并且稳定性差。 聚光电池：根本思想是利用旋转抛物面作为反射镜将太阳光汇聚到一交点上，并在这一点上安装一晶硅电池，从而增加光能转换率。与大面积铺设硅板不同，聚光电池只需在焦点处安装一小面积晶硅电池，从而大大降低了成本。缺点是在这种情况下晶硅电池的温度极易升高从而降低光电转换率。三代光伏技术转化效率比较2.1.1光伏技术的主要弊端在于：前段污染和光伏生产的高耗能值得注意的是，光伏技术从创始之初就有前端单晶硅、多晶硅等生产的高污染性，为了生产相应可以发电
6、的太阳能光伏板，需要消耗大量水、能源和自然资源，不仅对空气存在巨大粉尘和二氧化硫污染，也对地下水、居民用水造成一定的重金属污染，因此太阳能光伏尽管相对光热在地域上有更广泛应用，但其前段污染是不可忽视的弊端。2.1.2光伏技术的应用领域有限光伏技术由于是在阳光的作用下，半导体直接发电，因此发电量直接受到太阳光多少的影响，大规模的光伏电站也因此无法24小时运转，同时由于电能的储存目前在全世界都是为解决的难题，因此储能也成了制约光伏发电技术推广的巨大瓶颈。无法解决储能问题的光伏电站，只能作为调峰电站间歇性发电，对于需要保持常年稳定载荷的电网来说，不稳定的间歇性发电不仅对电网会造成巨大损伤，严重的还会
7、造成电网负载不稳定而跳闸；同时也无法真正满足电网用户的需要，因此光伏发电和风力发电都被电网系统称为“垃圾电”。2.2 光热发电光热发电是利用聚光和集热装置先将光能转化为热能，再将热能转化为电能的太阳能利用技术。其核心部件就是聚光器和集热器。原理是利用聚光器加热集热管，从而使里面的传导液（水、合成油、熔融盐等）升温并汽化，利用蒸汽机发电原理推动涡轮机发电。目前主要有四种光热发电技术：槽式、菲涅尔式、塔式和碟式。 槽式系统：技术成熟度和商业化验证程度最高的槽式太阳能热发电系统的核心是槽式聚光集热器，由聚光镜和集热管两部分组成。其中，聚光镜做成抛物柱面状，根据光学原理，照射在上面的太阳光会反射到一条
8、直线（焦线）上，这样，在这条直线的位置上安装一长直的集热器，可达到收集光热的作用。集热管分为内外两层，内层为吸热管，通常为金属材质，用来吸收聚光镜反射的阳光；外层为玻璃套管，套管和吸热管间抽成真空，防止吸收到的热耗散到空气中。吸热管内含合成油、熔盐等物质的导热液，被加热到一定温度（槽式中工作介质温度大约为400C）后汽化，然后蒸汽会推动涡轮转动，从而起到发电的目的。 菲涅尔系统：简化了的槽式系统菲涅尔系统其实就是用一组平板镜来取代槽式系统里的抛物面型的曲面镜聚焦。通过调整控制平面镜的倾斜角度，将阳光反射到集热管中，实现聚焦加热。为了简化系统，一般采用水/水蒸气作为吸热介质（油和熔盐介质在技术上
9、也是可行的）。相比于抛物面式的曲面镜，平面反射镜制造难度低，因此大大降低了初始投资成本，但聚焦精度比槽式差。目前菲涅尔还在示范阶段，没有商业化运行的电站。 塔式系统：效率较高，且能储热塔式系统利用多面定日镜跟踪太阳光，将阳光反射并集中到接收塔的顶部的吸热器。吸热器中的工作介质的温度在500C-1000C。相对于槽式系统，由于省掉了管道传输系统，热损失小，系统效率高，也更便于存储热量。塔式的工作介质可用空气、水或者水蒸气、以及熔盐。商业化初期的电站为了降低技术风险，多用水、水蒸气作为工作介质。熔盐应该为大型商业化塔式系统的选择。 碟式系统：转换效率最高，但成本下降尚需时日和其它太阳能集热发电系统
10、不同，碟式系统是由发动机实现由热能到机械能的转化，而不是汽轮机。利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚集在焦点上，放置在焦点处的太阳能接收器收集热能，加热工质，从而驱动斯特林发电机组发电。这种系统规模较小，高效、模块化，可以灵活单独使用或者集成使用。单机功率在5-50kw，但聚焦温度可达750C-800C，光电转化率高，可达29%，主要缺点是单位投资高。三种主要光热技术主要参数比较槽式塔式碟式规模30-320兆瓦10-20兆瓦5-25千瓦运行温度（C）390/734565/1049750/1382年容量因子23%-50%20%-77%25%峰值效率20%23%24%年净效率11%-16%7%-20
11、%12%-25%商业化情况已商业化示范工程试验模式技术开发风险低中高可否储能有限可以蓄电池成本：美元/平方米275-630200-475320-3100美元/瓦2.7-42.5-4.41.3-12.6美元/峰瓦1.3-40.9-2.41.1-12.6最具商业化发展的条件，运行发电量超过90 亿度，太阳能收集效率超过60，太阳能电能的最高转换效率21，与天然气混合发电得到验证可行，可以热储能作为高效转化太阳能，具有好的中期发展前景，太阳能收集效率超过46（在温度达到565），高温储热，有可能实现与化石能源混合发电运行很高的能量转化效率，太阳能电能的最高转换效率30，可以模块化，实现与化石能源混合
12、发电运行由于聚光比和导热油物性的上限局限，蒸汽温度的提高受到限制，导致发电效率提高受限投资成本尚不确定混合系统中燃烧效率低，完成可靠性验证注释：年容量因子: 实际年发电量与系统全年满负荷运行的年发电量之百分比;峰值效率: 系统最高转换效率;年净效率: 年发电量（ 扣除系统本身消耗电量） 与全年接收太阳能量之百分比;2.2.1 光热的利用瓶颈主要在于集热效率和储能技术不同于光伏技术，太阳能光热技术由于是一种集热技术，因此其收集的能源以热能的形式更容易保存，而制约目前光热发展的主要瓶颈就是集热效率，即单位面积下，太阳能集热装置对太阳光热收集的效率，目前国际先进水平的热收集率已经可以达到单位面积70
13、%，这一技术的发展也给了太阳能光热新的发展契机。我国由于在太阳能光热领域起步较晚，因此绝大多数太阳能光热的核心技术都掌握在美国、以色列、德国和日本等发达国家，因此在太阳能光热的应用方面增加了巨大的成本导致目前国内大型光热项目仍处在技术论证阶段。2.3 光热替代传统锅炉的太阳能热利用由于太阳能光热技术和储热技术近几年的快速发展，使太阳能光热有了取代传统蒸汽锅炉的可能性。这一技术主要是替代传统产生高温蒸汽（200-600摄氏度）的燃煤或燃气锅炉，通过收集太阳能热产生出同等质量的蒸汽。2009年全球领先的太阳能技术和设备供应商以色列BrightSource公司与雪佛龙签订了热能供应协议，并在同年开始
14、建设全世界第一个太阳能集热应用于油田稠油热采蒸汽的应用项目，2011年项目投产并至今平稳运行。这一项目的投产也标志着太阳能集热利用进入了商业化的时代。三太阳能产业链3.1 光伏产业3.2 光热产业光热发电产业链主要包含集成的系统开发商、汽轮机、集热器、反光/聚光器、热媒材料、储能材料及电力模组等，均有一定的产业化门槛。另外需要用到钢材、混凝土、玻璃等原材料作为支撑架构、衬底等。由于光热发电产业的生态环境一直是一个小众化的市场，有限的电站项目数量，集成的系统开发商数量也因此比较少，因此集热器、反光镜等主要组件多被少数企业垄断下来，汽轮机、电控装置则依旧由传统大厂把持，新进业者在缺少新产品资金研发
15、支持或类似产品线的情况下，很难打入产业供应链。主要光热设备市场集中度集热器制造工艺相对复杂，主要难点在于中高温集热、真空化、镀膜以及涂层，提高光谱吸收、降低红外辐射，目前主要由Schott 及Solel 所垄断。未来发展趋于表面积逐步增大、耐高温、甚至有承受高压蒸汽的能力；改进吸热材料，以提升工作温度，虽然会带来集热器材料等方面成本的增加，但同时能够大幅的提高转换效率，有效降低了各项成本的平摊。反光/聚光器领域，主要难点在于玻璃一次成型、曲面的设计以及表面镀膜。热媒需要耐高温、低沸点、良好的导热性、满足低成本大规模生产的条件，从而提高系统转换效率，降低热交换成本及使用成本。目前技术成熟的有机油
16、类、融盐，未来有望引入纳米技术及其他无机物种类。储能主要有融盐、相变、石墨、氨、氢化镁等多种方式，融盐储能可与融盐热媒结合使用，且已有成功的项目验证。3.3 光伏发电和光热发电的比较目前光热发电电站的投资成本略高于大型商业化光伏电站，不含储能的系统约光热电站投资在3.5-8.5 美金/W（电站规模越大，投资成本越低），储能设施的成本约2.5 美金/W。光热电站对自然条件的要求很苛刻，但由于存在独特的优势，能够吸引电力公司的投资。光热与光伏发电优劣势比较对一个电力企业来讲，在规划未来各类发电技术的投资组合时，选择的内在因素有多种，除了投资成本、发电成本以外，技术成熟性、电力品质、并网及输电成本、
17、碳排放强度等也是重要的考虑指标。光热发电系统的主要优势如下：容量因子高，同样条件下，光热发电的容量因子，即有效发电时间要多于PV，因此能进一步摊薄发电成本。光热系统的电力输出比光伏更加平稳，而且能实现较低成本的储能，提高电网安全，降低了并网及电力传输的成本。光热系统由于使用汽轮机发电，原理与火电站及天然气发电相近，因此可以与之组成联合发电系统。可在大型CSP 系统中引入燃气发电作为必要时辅助，由于燃气发电具有启停迅速的特点，属于输出弹性较高的电源，所以是用于调峰、支撑可再生能源发电的优良选择。利用光热发电余热可进行制冷、海水淡化或污水净化等其他应用。光热发电的主要劣势就是初始投资过大，约占度电
18、成本的80%，其余20%为运营、管理以及保险成本。一座装有7.5 小时储热的50MW槽式光热发电项目，总投资约为3.64 亿美元。3.64 亿投资按照20-25 年摊销，每年设备摊销成本0.145 亿0.182 亿，按照50MW光热项目年发电量2.16 亿度计算，初始投资折合度电成本6.78.4 美分/度。不过，根据Estela、 AT Kearney、GTM 等多家机构预测结果，未来光热度电成本将有40%以上的下降空间，光热发电成本将以每年3%-4%的速度下降。到2025 年，三种主要光热发电方式的度电成本都将下降到8.0 美分以下。上图中，从上往下：Trough（wet, nostorag
19、e）槽式无储能光热发电PV:Multi,fixed多晶硅光伏发电Power Tower（dry,no storage）塔式无储能光热发电CdTe,fixed碲化镉薄膜光伏发电Mono单晶硅光伏发电High CPV高倍聚光光伏发电四市场分析4.1 光热发电国际市场与光伏发电相比，太阳能热发电 仅能够有效利用总太阳辐射中的直接辐射，且土地平整度等方面有着更高的要求。因此全世界适宜太阳能热发电 应用的地理位置相对光伏而言，有一定的限制，仅美国部分州、西班牙、南非、澳大利亚、MENA 地区（中东及北非），南美的秘鲁、智利部分地区，中国、印度部分地区满足要求，但总体的面积仍然是非常巨大的。建设50MW
20、太阳热发电站的所需环境条件：太阳法向直接辐射（DNI） 2000 kWh/m2供水：1百万立方米/年（水冷），25万立方米/年（风冷）占地面积1.5*1.5 3 km（平坦）电网接入110/220KV，距离10 km道路条件良好（满足运输玻璃易碎物品）辅助燃料（最好是天然气）全球太阳直接辐射资源（DNI）分布情况美国市场：2009 年美国一系列激励政策也促使其光热市场重新启动。目前美国有467MW 新的太阳能热电站处于建设阶段，规划中的太阳能热电站总规模近10GW，其中有6.7GW 项目已签署购电协议（PPA），仅需进一步解决行政、土地审批或融资问题。近期及未来几年的美国太阳能热发电 市场，除
21、大部分位于加州以外，还有亚利桑那州及内华达州，均处在美国的西南部。欧洲市场欧洲的DNI 资源相对匮乏，仅西班牙及土耳其两地资源比较集中。因此目前只有西班牙市场具备一定的规模；德国、法国有少量示范性安装；土耳其依靠其自然条件，计划2011 年开始规模化发展太阳能热发电 电站。规划中的电站，主要市场也在西班牙，法国、意大利有少量项目。2009 年西班牙可再生能源FiT政策激励促使其光热发电三年来发展迅速，累积装机约582MW，在建项目超过600MW，规划及建设阶段的项目累计达到4.4GW。MENA及其他北非及中东地区拥有全球最好的DNI 资源及广阔的沙漠（沙漠太阳能热发电 电站已有超过25年的可靠
22、运行经验），适宜发展太阳能热发电 电站。目前摩洛哥、以色列、苏丹、约旦、阿联酋、阿尔及利亚及埃及等国，均有大小不一的中短期市场规划，累积达到1.4GW。尤其对北非国家来讲，可持续的太阳能热发电 市场不仅能够产生电力效益，并可附带发展海水淡化产业、带动低端太阳能热发电 产业链的本地化投资，产生就业机会。其他地区，如澳大利亚、南非、印度等国累加有近700MW 的中长期太阳能热发电 市场发展规划。小结：目前全球已建成CSP 电站约1.1GW，主要分布于西班牙、美国及北非中东地区。处于5-10 年内规划与建设阶段的项目总数约18GW，主要市场包括西班牙、美国、MENA、中国、澳大利亚以及印度。4.2
23、光热发电国内市场十五、十一五期间，我国部分科研机构、企业已经开始光热相关设备的研发，在光热领域研发较早的机构包括中国科学院工程热物理所、中国科学院电工研究所、中国科学院长春光机所、河海大学、皇明太阳能等，主要研究领域集中在聚光器的设计制造、镜场的设计和系统控制、熔盐的热交换和储能系统、抗风高精度定日镜技术、高温塔式吸热器技术、高温储热技术、槽式真空管制造和槽式聚光器集成技术等。 槽式太阳能集热管是系统难点，也是核心技术。目前国内研发制造集热管领先的机构包括皇明太阳能公司、河海大学，清华大学，北京航天航空大学等。国内目前已经生产出工作温度在350C 以上的样管。 塔式聚光器/定日镜 中国科学院电
24、工研究所和皇明太阳能公司联合研制了多种塔式聚光器/定日镜，其中100 平方米的定日镜目前正使用在其1MW 示范项目中；河海大学与南京春晖公司联合研制的定日镜使用于南京江宁的 70kw 塔式示范项目中。 碟式太阳能聚光器国内目前已有多种不同形式的碟式太阳能聚光器。其中4 套由中国科学院电工研究所主持研究，皇明太阳能公司参与了其中3 套设备的研制，新疆新能源公司参与了其中1套设备的研制。聚光器焦点处的温度可达到约1600C，在技术指标及经济指标上已达到国际先进水平。根据华泰联合证券，如果所有已公布项目均能实施，2015 年前，中国国内的太阳能热发电装机容量将达3GW 左右规模，按照光伏系统可比成本
25、计算，市场总量450 亿元人民币。五总结5.1 太阳能是未来能源发展的趋势对于发展中国家来说，经济增长势必导致能源消耗的增长，而且能源需求的持续增长也主要来源于这些国家。对于发展中国家能源增长的限制，并不会使得能源需求降低，而且往往只有通过严厉的措施才能生效。然而真正具有进步性的举措是使得能源使用效率有所提升，这可以通过合理的能源定价来反映真实的成本，并降低其碳排放。目前国内电力产能随着近几年不断投入的加大，西南和东部经济发达的确的“电荒”情况逐渐得到缓解，然而近几年的“雾霾”让能源结构调整问题成了今后能源行业的重点，清洁可再生能源的利用也将成为今后能源行业发展的主导。太阳能作为目前可知的最大
26、资源量的能源，应用前景不言而喻。太阳能与其他能源相比还具备：分布均匀、无需开采运输、收集简单等优势，因此也将是未来能源应用的主要方向。作为目前太阳能行业的主要投资人之一，谷歌并不是为了感觉良好和让员工高兴才向清净能源项目投入数十亿美元巨资的。该公司这么做是因为投资所产生的效益得到了数据的支持。“矿物能源价格正处在一条不断上升的成本曲线上，而可再生能源则恰好相反。”谷歌能源和可持续发展总监里克尼德哈姆（Rick Needham）在于旧金山举行的清洁技术论坛（Cleantech Forum）上进行演示时表示。即便考虑到水力压裂法已在众多地区降低了天然气的成本，但定价趋势仍然将我们引向可再生能源。去
27、年，美国太阳能发电厂的平准化发电成本（LCOE）下降了28%。太阳能电池板的价格在过去5年中下降了80%。太阳能发电很快会在全球众多市场中实现成本平价。意大利、西班牙和澳大利亚已经实现了成本平价。据彭博社报道，未来十年，太阳能发电的成本必将呈现稳步下降的趋势且将与煤炭发电成本相近。彭博新能源财务公司（Bloomberg New Energy Finance）今天称，到2020年，大型光伏项目的发电成本将降至每瓦特1.45美元，是现在价格的一半。这家位于伦敦的研究公司表示，在诸如中东等大部分时间都阳光普照的地区，太阳能发电相对于化石燃料发电来说是可行的。“我们现在已经身处相变阶段，两者的发电成本
28、也已经相当接近。”加拿大太阳能（Canadian Solar Inc.）首席执行官瞿晓铧（Shawn Qu）在一次访谈中如是表示。“在许多市场中，太阳能已经具备和高峰电价相互竞争的能力，如美国加州和日本。”中国企业，如晶澳太阳能公司 （JA Solar Holdings Ltd ）、加拿大太阳能公司、英利绿色能源（Yingli Green Energy Holding Co）等，在更好的电池技术和更合理的生产流程的支持下，已能生产较便宜的太阳能板。彭博新能源财务公司表示，这使得太阳能在更多地方显得更为经济，且在未来数年内，太阳能发电在无需补贴的情况下，即可和煤炭发电展开竞争。我认为，有利于太阳能成为主要电能来源的趋势有两个。第一，正如上述文章所指出的，就是太阳能成本的持续下降。另外一个趋势就是煤炭和其他化石燃料的价格正在上涨。正是这两者的共同作用对太阳能有利。我的一位同事手头握有更多能够显示太阳能行业增长趋势的数据。从个人角度来说，我认为太阳能是最有意义的能源技术，且太阳能的技术革新是如此喜人，我预计，在本世纪末之前，太阳能将成为最常见的电能来源。5.2 中国正在取代美国成为清洁能源的投资中心根据皮尤慈善信托基金会（Pew Charitable Trusts）2013年发布的清洁能源报告，2012年，全
