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觀察室

聚光光伏行思錄

發(fā)布者：俞容文 | 來源：太陽能發(fā)電 | 0評論 | 4911查看 | 2015-05-14 15:37:00

　　在光伏發(fā)電的各種技術(shù)中，已經(jīng)走過了近30年發(fā)展歷程的聚光光伏（concentrated PV，簡稱CPV）技術(shù)，目前看來，仍然是一個較不起眼的技術(shù)路線。

　　聚光光伏技術(shù)發(fā)展的標志性事件，是1976年美國Sandia國家實驗室制作了第一架聚光光伏發(fā)電設(shè)備原型機。

　　從一開始，人們對聚光光伏技術(shù)感興趣的主要原因，是其具有降低成本的巨大潛力。但具有諷刺意味的是，在走向市場化的過程中，聚光光伏卻因相對高昂的成本，一直為批評者所詬病。

　　隨著平板晶硅光伏系統(tǒng)成本的一路下降，也由于聚光光伏自身存在的一些問題，截至2014年，曾經(jīng)一度火熱的聚光光伏公司，幾乎已全軍覆沒。

　　那么，聚光光伏技術(shù)還有前途嗎？

什么是聚光光伏

　　與其他光伏發(fā)電技術(shù)路線一樣，聚光光伏也是通過光電轉(zhuǎn)換材料的光伏效應(yīng)實現(xiàn)發(fā)電。其所使用光電轉(zhuǎn)換材料，可以是晶硅材料，也可以是其他光電材料。這一技術(shù)的要點在于，利用光學(xué)聚焦裝置把太陽光集中到一小片光電材料上，以此節(jié)省昂貴的半導(dǎo)體材料，達到同樣的陽光利用效率。與一般直覺認識所不同的是，聚光技術(shù)僅僅是增大了光的能量密度，并不意味著能量的放大。

　　這樣一樣，聚光光伏就出現(xiàn)了一些與一般光伏不太一樣的情況。

　　首先，因為光學(xué)系統(tǒng)一般只能對直射光或者平行光進行聚焦，盡管太陽光照射到地球時可以認為是平行光，但到達地面的陽光，卻有一部分是經(jīng)過散射、反射或者漫反射到達的，這部分陽光就無法為聚光系統(tǒng)所利用。通常情況下，直射陽光成分占總輻射的85%（因不同地區(qū)而異）。

　　其次，因為要保持聚光系統(tǒng)正對著太陽，跟蹤系統(tǒng)就成為聚光光伏必不可少的重要部件。傳統(tǒng)上，光伏發(fā)電設(shè)備不帶轉(zhuǎn)動部件一度被認為是光伏發(fā)電的一大亮點，但隨著跟蹤系統(tǒng)技術(shù)的進步和成本下降，更最重要的是可靠的增加，因此其他光伏技術(shù)帶跟蹤器的方案也慢慢的被行業(yè)接受。

　　再者，在使用的光電材料上，早期的聚光光伏仍然使用晶硅材料，但隨著其他更高光電轉(zhuǎn)換效率材料的發(fā)展和聚光比的提高，III-V族砷化鎵系列的半導(dǎo)體多結(jié)材料慢慢成為聚光光伏使用的主流材料，而晶硅材料在聚光比提高以后無法承受高密度的光照，僅停留在低倍聚光上應(yīng)用。因此，聚光光伏又分為低倍聚光（LCPV）和高倍聚光（HCPV）。本文后面談到的聚光光伏，特指高倍聚光。

　　作為光電轉(zhuǎn)換材料，III-V族砷化鎵材料因其優(yōu)異的熱學(xué)、光學(xué)特性，以及抗太空輻射和重量輕（砷化鎵本身就是薄膜材料），因此首先在衛(wèi)星上得到了應(yīng)用。衛(wèi)星上為設(shè)備供電的光伏板已經(jīng)由硅太陽能電池板替換成更輕便、光電轉(zhuǎn)換效率更高的砷化鎵電池板。值得一提的是，砷化鎵是一種重要的半導(dǎo)體材料，在微電子等領(lǐng)域有極其重要的應(yīng)用。西方國家長期對我國進行技術(shù)封鎖，包括限制材料生長設(shè)備的進口。

　　因為砷化鎵材料相對硅材料而言比較昂貴，因此，砷化鎵系列材料應(yīng)用于聚光光伏以后，聚光比必須要設(shè)計得很高，以平衡材料的成本。現(xiàn)在主流的高倍聚光系統(tǒng)一般在500~1000倍甚至更高。

　　但是，更高的聚光比又帶來新的問題。聚光比提高以后，光能量密度更高，芯片的電流密度增大，散熱問題顯得更加突出。同時，更高的聚光比對跟蹤系統(tǒng)的精度提出了更高的要求，現(xiàn)在一般要求跟蹤精度在0.5度以內(nèi)，由此跟蹤器的長期穩(wěn)定性和可靠性又成了新的課題。所有這些問題，都加劇了聚光光伏的成本壓力。

　　順便提一下，也正因為砷化鎵材料首先是在空間上得到應(yīng)用，因此高倍聚光有時也被稱為是太空技術(shù)的地面應(yīng)用。這也解釋了早期進入高倍聚光光伏領(lǐng)域的是些什么機構(gòu)，比如波音公司的光譜實驗室、美國Emcore公司等，他們是為美國太空計劃提供空間電源的單位，國內(nèi)的上海811所、天津18所，甚至德國的Azur也是一樣的性質(zhì)。

　　日漸凸顯的競爭優(yōu)勢

　　事情總是具有奇妙的兩面性。砷化鎵帶來聚光光伏系統(tǒng)成本提高的同時，也帶來了光電轉(zhuǎn)換效率提升的新希望。

　　根據(jù)文獻報道，聚光光伏電池的效率每年提升大約為0.9%。2014年，多結(jié)半導(dǎo)體（基于砷化鎵材料系列）電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到了46%，其組件效率也到達了36.7%。這還遠遠未達到其理論上的光電轉(zhuǎn)換效率上限（~70%）。

　　而與此同時，現(xiàn)在的硅基光伏卻已經(jīng)非常接近實驗室和理論轉(zhuǎn)換效率了（28%）。

　　從成本上來說，由于高倍聚光系統(tǒng)設(shè)計普遍采用高聚光比的緣故，砷化鎵材料在整個聚光系統(tǒng)中的成本比例僅為10%左右。而近幾年來，聚光光伏系統(tǒng)的成本下降十分顯著，這包括電池接收器封裝、模組組裝、跟蹤器、光學(xué)系統(tǒng)等幾個核心部件。

　　由于砷化鎵材料在民用市場特別是LED （發(fā)光二極管）中的廣泛應(yīng)用，大大帶動了其成本的下行。跟蹤器也逐漸在平板光伏系統(tǒng)中得到更多應(yīng)用，其可靠性開始得到認可。光學(xué)系統(tǒng)上高倍聚光的主流是采用菲涅耳平板透鏡的設(shè)計，大多采用廉價的PMMA材料。

　　因為高倍聚光的市場還不大，價格信息不透明。但是樂觀的估計表明，現(xiàn)在整體設(shè)備價格應(yīng)該非常接近于平板硅基太陽能電池。加上同等裝機容量的聚光光伏系統(tǒng)比固定安裝式平板系統(tǒng)多40%以上的發(fā)電量（不是轉(zhuǎn)換效率高，是因為帶跟蹤系統(tǒng)），在陽光充沛地區(qū)，其平準化電力成本（LCOE或度電成本）已經(jīng)和普通固定式平板光伏在一個水平了。

　　影響市場擴大的因素

　　首先，是應(yīng)用區(qū)域的限制。前文提到，因為聚光光伏的技術(shù)特點，只有直射陽光能被利用，在陽光充沛、直射陽光成分高的地方，聚光光伏才能體現(xiàn)出優(yōu)勢。

　　一般認為，在直射陽光要達到2000kWh/m2/a的地方，使用高倍聚光的度電成本才可以與平板光伏比擬。在國內(nèi)，目前適合聚光光伏的區(qū)域只能優(yōu)先考慮西藏和西北的一類陽光資源地域。

　　其次，聚光光伏要形成一定的產(chǎn)能，才能有效的降低系統(tǒng)設(shè)備成本。

　　再者，聚光光伏的設(shè)計各個廠家都不一樣，難以形成外觀、技術(shù)規(guī)格上的統(tǒng)一標準，這也影響了其市場推廣。不過，現(xiàn)在采用多結(jié)半導(dǎo)體芯片、菲涅耳透鏡點聚焦、被動散熱、雙軸高精度跟蹤器等，已經(jīng)形成高倍聚光光伏的主流設(shè)計。

　　目前，看起來似乎是多晶硅、單晶硅光伏產(chǎn)品占據(jù)了絕大部分的光伏市場，但是必須認識到，光伏本質(zhì)上還是一種處于不斷進步中的技術(shù)。除了硅基材料以外，還有CIGS、CdTe、GaAs、鈣鈦礦甚至有機太陽能材料，等等。美國第一太陽能公司憑借CdTe薄膜組件甚至一度成為全世界出貨量最大的光伏組件公司。另外，不同的太陽能技術(shù)路線，也有其適合的應(yīng)用市場，在大型荒漠地面電站，聚光光伏就比平板太陽能有優(yōu)勢。

　　在談?wù)摼酃夤夥臅r候，人們經(jīng)常使用平準化電力成本（LCOE）一詞，有時候則是用度電成本。

　　這表明了聚光光伏一開始就是沖著平價上網(wǎng)的目標而來的。而聚光光伏產(chǎn)品生產(chǎn)過程的低能耗也常常被提起，其能源回報期在6個月左右，這也低于一般多晶硅產(chǎn)品兩年左右的能源回報期。

　　聚光光伏在其發(fā)展的近30年間，出現(xiàn)了大大小小幾十家公司，包括一些集團公司下的子公司和上市公司下的事業(yè)部，但一直沒有出現(xiàn)過一家獨立的上市公司。

　　由于晶硅光伏產(chǎn)品成本一路下降，截至2014年為止，聚光光伏公司幾乎全軍覆沒，其市場化進程遭到嚴重挫折。

　　未來能否脫穎而出

　　對于處于小眾市場地位的聚光光伏，還有機會脫穎而出嗎？

　　與其他光伏技術(shù)不同，聚光光伏基本上是一個系統(tǒng)集成的光伏設(shè)備。從材料到接收器部件，各個廠家之間差異并不大。一旦跟光學(xué)系統(tǒng)合在一起，不同的光學(xué)設(shè)計理念、不同的聚光比以及不同的散熱方案，導(dǎo)致最后形成的模組結(jié)構(gòu)五花八門，甚至各個廠家的規(guī)格、尺寸都很難一致。最后，結(jié)合到大大小小不同的跟蹤器，則加劇了聚光光伏產(chǎn)品的差異化表現(xiàn)。

　　因此，既然是一個系統(tǒng)集成的產(chǎn)品，一開始就要考慮跟蹤器的精度對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的影響、散熱對聚

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