在瑞士的納沙泰爾湖，3個(gè)建在水中用于太陽(yáng)能發(fā)電的浮動(dòng)實(shí)驗(yàn)室目前正在建設(shè)之中。它們由瑞士能源公司ViteosSA和項(xiàng)目開(kāi)發(fā)商N(yùn)olaris聯(lián)合開(kāi)發(fā)，坐落于一家凈水廠附近，距離海岸150米。光看外表這3個(gè)浮動(dòng)實(shí)驗(yàn)室就與以往的太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施大不相同，以往的太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施都建在陸地上，而這個(gè)浮動(dòng)實(shí)驗(yàn)室卻建在水中，不僅如此，它在追蹤太陽(yáng)光方面也有獨(dú)特的本領(lǐng)。
建在水上的太陽(yáng)能發(fā)電實(shí)驗(yàn)室
據(jù)介紹，這3個(gè)實(shí)驗(yàn)室將同時(shí)利用光伏發(fā)電和聚光太陽(yáng)能發(fā)電兩種方式獲取電力。所謂光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)，將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，它的關(guān)鍵元件是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽(yáng)能電池組件，再配合功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。
而聚光太陽(yáng)能發(fā)電則需使用拋物鏡將光線聚集到充有合成油的吸熱管上，再把加熱到約400攝氏度的合成油輸送到熱交換器里，靠合成油的高熱量把熱交換器里的循環(huán)水加熱，水加熱后產(chǎn)生的水蒸氣推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電。聚光太陽(yáng)能發(fā)電一般只能夠在陽(yáng)光充足、天氣晴朗的時(shí)候進(jìn)行，但現(xiàn)在采用熔融鹽儲(chǔ)存熱量的方法彌補(bǔ)了這種不足，即使在沒(méi)有太陽(yáng)的夜晚也能解決供電問(wèn)題。
由于坐落于水中，因此使實(shí)驗(yàn)室阻力降低，效率提高。它們由電纜和湖底的混凝土塊固定，利用電纜與海岸相連，并且通過(guò)Viteos逆變器并入電網(wǎng)。
ViteosSA計(jì)劃投資1.08億美元，把3個(gè)用于太陽(yáng)能發(fā)電的浮動(dòng)實(shí)驗(yàn)室作為瑞士實(shí)施可再生能源開(kāi)發(fā)計(jì)劃的一部分；與此同時(shí)將其用作研究設(shè)施，來(lái)證實(shí)聚光光熱對(duì)水的效力，以及這一效力是否也適用于光伏發(fā)電等其他太陽(yáng)能技術(shù)。
根據(jù)設(shè)計(jì)，這3個(gè)實(shí)驗(yàn)室將于今年8月完成，并在10年內(nèi)使發(fā)電量提高到8000萬(wàn)千瓦時(shí)以上。3個(gè)浮動(dòng)實(shí)驗(yàn)室可以持續(xù)發(fā)電25年，關(guān)閉后所有的零件將被回收利用。
確保發(fā)電效率最佳
其他太陽(yáng)能系統(tǒng)這樣追蹤太陽(yáng)
一年四季，周而復(fù)始。每天日升日落，循環(huán)交替。由于地球的自轉(zhuǎn)，太陽(yáng)的光照角度時(shí)時(shí)刻刻都在變化。對(duì)于身處某一個(gè)固定地點(diǎn)的聚光太陽(yáng)能發(fā)電或光伏發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，如何才能有效保證太陽(yáng)能接收器時(shí)刻正對(duì)太陽(yáng)，使發(fā)電效率達(dá)到最佳狀態(tài)呢？目前世界上通用的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)都需要根據(jù)聚光太陽(yáng)能發(fā)電或光伏發(fā)電系統(tǒng)安放地點(diǎn)的經(jīng)緯度等信息，計(jì)算一年中每一天不同時(shí)刻太陽(yáng)所在的位置，將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到可編程控制器、單片機(jī)或電腦軟件中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的實(shí)時(shí)跟蹤。由于采用的是電腦數(shù)據(jù)理論，需要經(jīng)緯度的數(shù)據(jù)，因此一旦安裝，就不便移動(dòng)或裝拆，若要移動(dòng)就必須重新設(shè)定計(jì)算數(shù)據(jù)，調(diào)整各個(gè)參數(shù)，非專業(yè)人士不能夠隨便操作。
為了在發(fā)電過(guò)程中使太陽(yáng)光的使用實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，提高發(fā)電效率，各國(guó)工程技術(shù)人員都致力于研發(fā)太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)。最近，位于美國(guó)加利褔尼亞州門(mén)洛帕克的QBotix公司開(kāi)發(fā)出一款新的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)。這套雙軸跟蹤系統(tǒng)使用一對(duì)移動(dòng)式機(jī)器人，動(dòng)態(tài)地控制和運(yùn)營(yíng)裝機(jī)容量200千瓦—5兆瓦的太陽(yáng)能電廠。其中一個(gè)機(jī)器人唱“主角”，另一個(gè)備用。太陽(yáng)能電池板安裝在該公司設(shè)計(jì)的支架系統(tǒng)上，但沒(méi)有裝備任何單獨(dú)的負(fù)責(zé)調(diào)整角度的設(shè)備。全靠機(jī)器人在軌道上巡視，逐個(gè)調(diào)整每個(gè)太陽(yáng)能電池板支架系統(tǒng)的角度以保證它們能持續(xù)面向太陽(yáng)，獲取最多的太陽(yáng)能，從而達(dá)到優(yōu)化其太陽(yáng)能集熱性能的目的。而傳統(tǒng)的單軸跟蹤系統(tǒng)則不一樣，需要數(shù)百個(gè)單獨(dú)的發(fā)動(dòng)機(jī)和控制器從事支架系統(tǒng)的調(diào)整工作，有時(shí)還得用上成噸的鋼鐵和混凝土，因此體積龐大，造價(jià)昂貴。QBotix公司稱，雖然用機(jī)器人代替電機(jī)和控制器等設(shè)備的費(fèi)用與現(xiàn)有的單軸跟蹤系統(tǒng)相差不大，但是具有更高的性能和能量輸出。使用機(jī)器人后采集的太陽(yáng)能增加15%，能量輸出比固定式太陽(yáng)能電池板高40%。依靠自主機(jī)器人嵌入式的智能和數(shù)據(jù)通信能力，太陽(yáng)能電廠的性能得到優(yōu)化，并且細(xì)化了操作知識(shí)。該機(jī)器人能與所有的太陽(yáng)能電池板和支架地基相兼容，不但能跟蹤平板型太陽(yáng)能電池板，而且還可以對(duì)聚光型太陽(yáng)能電池板進(jìn)行跟蹤，QBotix的投資者西門(mén)子公司十分看好它的能力。
在現(xiàn)有的聚光太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，成本最低的太陽(yáng)能利用方式應(yīng)該是塔式聚光太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)由定日鏡（一種自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的球面鏡群）和集熱塔構(gòu)成。在地面上布置大量的定日鏡，并在這一群定日鏡中的適當(dāng)位置建立一座集熱塔，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行定日跟蹤，定日鏡會(huì)將反射的太陽(yáng)光聚焦于集熱塔的一個(gè)吸收器上，利用高溫把水加熱，產(chǎn)生水蒸氣發(fā)電。由于它所用的材料只是玻璃平面鏡，材料費(fèi)用極低，為超大規(guī)模利用太陽(yáng)能創(chuàng)造了條件。但是30多年來(lái)，由于聚光瞄準(zhǔn)技術(shù)一直沒(méi)有解決，使得這么好的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)至今還停留在科學(xué)研究階段，一直沒(méi)有得到很好的利用，造福人類。
在塔式聚光太陽(yáng)能發(fā)電站中，需要在每個(gè)定日鏡系統(tǒng)中安裝雙軸跟蹤器，以最大程度地實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤聚光，這對(duì)跟蹤系統(tǒng)的精度提出了嚴(yán)格要求，同時(shí)造成了跟蹤器的生產(chǎn)成本和維護(hù)成本居高不下。另外，即便采用這種跟蹤器，由于只能夠根據(jù)太陽(yáng)的方位調(diào)整聚光角度，而不能根據(jù)集熱塔的接收器方位調(diào)整自身位置，這就造成定日鏡的位置并非可以一直正對(duì)接收器，為將太陽(yáng)光反射到接收器上，定日鏡表面不能總與入射光線保持垂直，可能會(huì)形成一定角度，這就導(dǎo)致了定日鏡表面面積相對(duì)于太陽(yáng)光可見(jiàn)面積的減少，產(chǎn)生了大量余弦損失。
為解決上述問(wèn)題，西班牙阿文戈亞太陽(yáng)能公司的工程師們建設(shè)了一個(gè)“可變幾何”塔式聚光太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。在環(huán)繞57.7米高的集熱塔以同心圓排列的軌道上，安裝了13個(gè)定日鏡。在集熱塔的頂部，安裝了一個(gè)可旋轉(zhuǎn)的由混凝土澆筑的鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)，可控制接收器的朝向。
整個(gè)鏡場(chǎng)可根據(jù)太陽(yáng)的方位沿圓形軌道移動(dòng)，接收器也可轉(zhuǎn)動(dòng)，以使其在一整天內(nèi)都可獲得最佳的朝向，從而增大集熱效率。
測(cè)試結(jié)果顯示，使用這套靈活可變的實(shí)驗(yàn)性太陽(yáng)能設(shè)施可有效降低余弦損失，使塔式聚光太陽(yáng)能發(fā)電站的年均集熱效率提升17%，在陽(yáng)光充足的夏季，甚至可以將集熱效率提高至25%到30%。
“太陽(yáng)能島”略勝一籌
“漂浮”“旋轉(zhuǎn)”讓成本降低產(chǎn)能提高
上述兩套太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)已經(jīng)是比較先進(jìn)的了，然而卻比瑞典的浮動(dòng)實(shí)驗(yàn)室——“太陽(yáng)能島”稍遜一籌。
讓整個(gè)“太陽(yáng)能島”轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)是其最獨(dú)特的創(chuàng)新設(shè)計(jì)亮點(diǎn)。用于太陽(yáng)能發(fā)電的實(shí)驗(yàn)室是個(gè)浮動(dòng)圓形島（跟蹤平臺(tái)），直徑為25米，包含外圓環(huán)面和膜，安裝有100個(gè)光伏電池板，以45度的傾角逐一相連?？紤]到最小的遮蔽效應(yīng)，太陽(yáng)能接收器之間的間距必須嚴(yán)格控制。密度越大，產(chǎn)生能量輸出就越高。
這個(gè)跟蹤平臺(tái)本身能夠旋轉(zhuǎn)220度，且具備方位跟蹤能力，以便跟蹤太陽(yáng)的方向，在任何時(shí)候都處于捕捉陽(yáng)光的最佳位置。
不僅轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)就能追蹤太陽(yáng)，獲取最大的太陽(yáng)能，該太陽(yáng)能浮動(dòng)實(shí)驗(yàn)室還具有成本低廉、效率高的優(yōu)點(diǎn)。漂浮在氣墊上的“太陽(yáng)能島”不需要機(jī)械結(jié)構(gòu)支撐，建造材料主要是鋼和塑料，只需要有限的土木工程，能實(shí)施低成本的建造方案。在水面浮動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室通過(guò)簡(jiǎn)單的旋轉(zhuǎn)便能跟蹤太陽(yáng)，既節(jié)省了每個(gè)太陽(yáng)能接收器各自裝備昂貴的跟蹤系統(tǒng)的成本，在發(fā)電的同時(shí)，又可以減少水的蒸發(fā)，意味著耗水量的下降。此外，由于浮動(dòng)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用的是包括聚光太陽(yáng)能發(fā)電和光伏發(fā)電在內(nèi)的獲取太陽(yáng)能的通用技術(shù)，在供熱、制冷、發(fā)電和海水淡化方面均大有作為。
自2009年以來(lái)，第一個(gè)“太陽(yáng)能島”原型一直在非常惡劣的氣候條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，聚光瞄準(zhǔn)技術(shù)的精度非常高，偏差僅為0.02度。它建在阿聯(lián)酋的拉斯?，斍蹰L(zhǎng)國(guó)，由一個(gè)直徑80米的圓形平臺(tái)組成，不但可以安裝任何標(biāo)準(zhǔn)的聚光太陽(yáng)能發(fā)電或光伏發(fā)電接收器，而且使用的創(chuàng)新型監(jiān)控系統(tǒng)成本也很低。
