聚光光伏技术

第六节　聚光光伏技术

一、发展聚光光伏技术的意义

到目前为止，第一代晶体硅太阳能电池的实验室光电转换效率达到了24．7%，大规模生产的商用产品的光电转换效率也已达到了较高的水平。但由于受单晶硅材料价格及繁琐的加工工艺限制，单晶硅太阳能电池成本居高不下。第二代薄膜太阳能电池也取得了令人瞩目的成就，铜铟硒和碲化镉等薄膜电池的实验室光电转换效率目前分别为16．5%和18．5%，虽然仍有望在光电转换效率上进一步突破，但前者稳定性差，后者又较难制作，而且由于镉具有较强的毒性，很多国家已经禁止使用含镉的制品。非晶硅及氢化非晶硅的来源较广，但是光电转换效率较低，且大面积薄膜制作也存在价格高的问题。相比之下，砷化镓基的太阳能电池30%乃至更高的转换效率独具优势，但是砷化镓的材料成本远高于硅电池的材料成本，而电池材料成本是光伏系统成本最主要的部分。因此，高额成本成为制约光伏发电大规模应用的主要障碍。为了进一步降低光伏发电成本，减少太阳能电池芯片的消耗，聚光技术是一项可行的措施，即通过采用廉价的聚光系统，将太阳光会聚到面积很小的高性能光伏电池上，从而大幅度降低系统的成本及昂贵的太阳能电池材料用量。理论估算表明，聚光光伏（CPV）发电成本完全可以降到大规模应用可接受的范围。

各国光伏工作者也不断地以实验结果验证，聚光技术将是在提高太阳电池光电转换效率的前提下，大幅度降低发电成本的最有效方案。早在1989年，砷化镓/锑化镓机械叠层双结太阳能电池的光电转换效率已经达到32．6%。1995年，德国一实验室研制的镓铟磷/砷化镓双结太阳能电池的光电转换效率为31.1%。2005年5月，美国国家可再生能源实验室称其三结太阳能电池在10倍聚光条件下的光电转换效率为37．9%。2005年6月，美国“光谱实验室”公司报道其多结太阳能电池在236倍聚光条件下的光电转换效率为39%。2006年12月，该项世界纪录又被刷新为40．7%，这次突破可使安装成本降至每千瓦3000美元，发电成本降至每千瓦时8～10美分，这在利用太阳能发电方面树立了新的里程碑。

为了打开实用化的市场，美国两家公司经过15年的不断努力，开发了20千瓦的点聚焦菲涅尔透镜阵列。澳大利亚一家公司一直致力于反射圆盘式CPV系统的开发，自1996年至今，他们先后在6个地区建成了这种CPV发电站，用于提供这些地区居民所需的电力。西班牙一研究小组研发了一种新型的折射—反射—内反射（RXI）CPV系统。应用这种系统后，发电成本可降为每千瓦时0．104欧元，而对于1000兆瓦系统，其发电成本更可低至每千瓦时0．033欧元。西班牙于2006年在北部的纳瓦拉安装了由400个太阳能跟踪系统组成的“聚光太阳能花园”，并声称该系统能源输出比传统平板光伏系统增加了35%。

毋庸置疑，采用高效聚光发电机组建造大型光伏电站是最好的选择。但是，与发达国家相比，中国CPV系统研究工作起步较晚，研究水平与发达国家也存在一定的差距。因此，对中国光伏工作者来说，中国的CPV系统研究和应用任重道远。

二、高效聚光发电机组

聚光可提高太阳能电池光电转换效率并降低发电成本的原因是显而易见的。在聚光条件下，电池芯片单位面积接收的辐射功率大幅度增加，一方面，提高了太阳能电池光电转换效率；另一方面，对于给定的输出功率，可以大幅度降低太阳能电池芯片的消耗，从而降低系统的成本。

CPV系统

（一）聚光提高太阳能电池的性能

太阳能电池是将太阳的光能直接转换为电能的器件，太阳能电池输出的电功率与入射的太阳光功率之比称为太阳能电池的光电转换效率，光电转换效率是衡量太阳能电池性能的重要指标。由于太阳能电池输出的电功率等于输出电流和电压的乘积，在聚光情况下，太阳能电池性能的提高主要得益于电池输出电流和电压的提高。由于太阳照射到地球表面的光功率密度只有1000瓦每平方米，比较低。所以聚光太阳能电池就先用菲涅尔透镜将太阳光会聚，再照射到太阳能电池上。

菲涅尔透镜的作用与凸透镜相似，可以将平行光会聚成一个焦斑。聚光太阳能电池的光电转换效率随着聚光比增加呈对数型增加，即电池的光电转换效率正比于聚光比的对数。采用菲涅尔透镜聚光以后，太阳能电池的面积可由菲涅尔透镜的面积缩小到和焦斑相同，并且发出的电能比未聚光的与菲涅尔透镜面积相同的太阳能电池还要多。但是，只有正入射的太阳光才能被会聚到电池芯片上，所以聚光太阳能电池必须配备双轴跟踪装置，使入射的太阳光时刻保持正入射菲涅尔透镜。对日双轴跟踪装置具有两个转动轴，一个绕x轴转动，另一个绕y轴转动，分别对应经度和纬度方向。采用全球卫星定位系统，可以对双轴跟踪装置进行时空精确控制，也可以采用实时反馈方法对双轴跟踪装置进行精确控制，或者采用二者相结合的方式进行控制。

太阳能电池发出的电是直流电，与普通电池类似。太阳能电池可以根据所需的电流和电压值进行串、并联连接。如果要把太阳能电池发出的电输送到电网上，必须先把直流电转换成与电网频率相同的交流电，这个过程称为逆变转换。

（二）聚光降低光伏发电成本

对于光伏发电，太阳能电池芯片的价格占到整个聚光系统成本的50%～55%，所以只要大幅降低电池芯片的消耗，便可以大幅降低系统发电成本。低电池芯片消耗是推动CPV技术进入光伏市场的最主要动力。下面给出一个最简单的例子来说明聚光可使太阳能电池芯片的消耗降低。

对于非聚光的平面电池，在AM1.5光谱的辐照下，直径为10厘米的太阳能电池芯片可以接收到7．85瓦的功率。而对于聚光太阳能电池来说，假设聚光器工作在300倍聚光条件下，透镜透光率为85%，要想输出同样大小的功率，1个1厘米×1厘米的电池芯片就足够了。国内外许多光伏工作者都对聚光技术使光伏发电成本的降低做了研究，发现聚光太阳能电池在降低光伏发电成本方面具有极大的潜力。

目前国内的平板硅太阳能发电站发电成本为每千瓦时2～3元。中国无锡一家公司计划到2013年，将太阳能电池发电成本降至每千瓦时1元。而高效聚光太阳能发电机组的发电成本更可望进一步降至每千瓦时0．6元。

（三）高效聚光太阳能发电机组

高效聚光太阳能发电机组主要由聚光太阳能电池组件阵列和对日跟踪器组成。其中聚光太阳能电池组件是将太阳光能转化为电能的核心部件，由太阳能电池阵列和与之对应的菲涅尔透镜阵列、散热片阵列，以及底板和框架构成。最初用于聚光太阳能电池组件的是单晶硅太阳能电池，随着聚光比的提高，采用多结太阳能电池制作高效聚光太阳能发电机组已经成为发展趋势。

与平板太阳能电池相比，CPV系统的核心部件除了高效太阳能电池芯片以外，还包括聚光器和对日跟踪器。按光学类型划分，常用的聚光器通常分为折射式聚光器和反射式聚光器。对于实际应用来说，菲涅尔透镜成为理想之选。它的聚焦方式可以是点聚焦，也可以是线聚焦。点聚焦时，将太阳光聚焦在一个太阳能电池芯片上；线聚焦时，将太阳光聚焦在太阳能电池组成的线列阵上。在实际应用中，为了增加聚光比，或者增加聚光光束的入射角，常常使用二级光学元件。二级光学元件可以放宽初级光学元件的制造精度和聚光器的对准精度，而且降低了对高精度跟踪系统的投资，既降低了CPV系统的成本又提高了系统的可靠性。

高效聚光太阳能发电机组

点聚焦菲涅尔透镜作为初级光学元件，可以获得较大的聚光比，导光筒作为二级光学元件，可将偏离电池的太阳光通过筒内壁镜面反射器的多次反射重新投射到太阳能电池表面上，实现阳光的正向照射，从而提高了太阳能利用率和太阳能电池的光电转换效率。电功率输出特性随入射角的变化关系的测试结果表明，在AM1.5、400倍聚光条件下，当输出功率为峰值功率的90%时，其可接收角为±4．23°。与传统的折射式聚光器相比，该系统具有较高的接收角，可极大地提高CPV系统户外运行的稳定性和可靠性，且便于安装和维护。

菲涅尔透镜

对于高效CPV系统来说，对日跟踪器必不可少。这主要是由于随着聚光比的提高，CPV系统能接收到光线的角度范围就越小，为了更加充分地利用太阳光，CPV系统必须辅以对日跟踪装置。能够精确跟踪太阳且价格低廉的对日跟踪装置一直是光伏工作者致力研究的热点之一。目前对日跟踪装置的设计方案众多。点聚焦结构的聚光器一般要求双轴跟踪装置，线聚焦结构的聚光器仅需单轴跟踪装置。

三、大型光伏发电站的组成

大型光伏发电站主要由太阳能发电机组和控制系统组成。由于高效聚光太阳能发电机组具有光电转换效率高、占地面积少和发电量多的特点，它在大型光伏发电站的建造中优势明显。

大型光伏发电站控制系统的主要作用是对太阳能发电机组进行巡检、跟踪发电机组的最大发电功率、进行直流/交流逆变转换和向电网输电控制等。如果单台太阳能发电机组的功率为5千瓦，则一座规模为100兆瓦的大型光伏发电站需要2万台发电机组。控制系统要对这2万台发电机组进行巡回检测，发现异常时及时发出警报，做出相应的处理。虽然高效聚光太阳能发电机组具有对日自动跟踪功能，使太阳光始终保持正入射的状态，但是太阳能发电机组的输出功率仍然会随太阳辐照度和电池温度的改变而变化。控制系统要根据发电机组的输出变化，使发电机组始终保持在最大功率状态。

四、前景展望

建造大型光伏发电站是利用太阳能的重要方法，特别是在中国西藏、青海、甘肃、云南等地，这些地方日照充足，并且有大量的戈壁荒地。与传统火力发电站相比，光伏发电站无任何污染，不消耗原材料，而且其运行成本极低。100兆瓦高效聚光太阳能发电站每年可以发电1.46亿千瓦时，节省标准煤5．84万吨，减少二氧化碳排放7．3万吨。因此，发展高效聚光太阳能发电技术不但具有重大的经济效益，更具有重大的社会效益。

在CPV技术迅猛发展的趋势下，高效、低成本、可靠、稳定的CPV发电系统正在逐步走向产业化。

在国际市场上，高效聚光太阳能电池和发电机组已经商品化，核心技术主要掌握在美国、德国、日本等发达国家手中，其产品出口目前还受到限制。中国高效聚光太阳能电池研究起步于21世纪初，目前已经掌握了一些核心技术，但是还没有商业化的产品。

2004年，世界光伏市场上CPV系统年装机量仅为1兆瓦；2006年，CPV系统的年装机量为18兆瓦。虽然CPV系统的年装机量还远远低于1200兆瓦平板光伏电池的年装机量，但随着CPV技术的快速发展，这一新型可再生能源系统将加快产业化的步伐。美国特拉华大学等二十几个机构组成的超高效太阳能电池开发集团，正在研发光电转换效率为50%的超高光电转换效率太阳能电池。目前光电转换效率已经突破42．8%。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，中国作为世界能源消耗第二大国，对于高效、低成本的光伏发电系统的需求更为迫切。目前，中国光伏产业正以每年30%的速度增长，国内光伏电池生产能力已超过1600兆瓦。但是，中国光伏发电的应用却远远低于国际平均水平。与国际上蓬勃发展的光伏发电相比，国内平板式光伏发电系统已比较成熟，而CPV发电系统还处于技术开发阶段。大型光伏发电站是太阳能利用的必然趋势，只要抓住有利时机，瞄准国际光伏电池新材料及器件研究的前沿，就能在CPV技术及应用方面取得突破性进展。

由此可以看出，CPV作为未来光伏发电的重要发展方向之一，已经得到广泛公认。CPV技术的发展受到前所未有的重视，CPV产业面临着巨大的发展机遇，但是目前CPV的发展也面临着巨大的挑战。

首先，CPV技术的复杂程度远远超过现有其他光伏发电形式，以往已经出现过CPV系统可靠性无法满足要求、维护费用过高而不得不拆除的实例。因此，必须有充分的CPV系统实际稳定运行经验来证明CPV技术的可行性，同时，很多设计缺陷也必须通过实际运行来发现。这需要一个相对长期的过程，但是对CPV的发展至关重要。

其次，CPV系统的设计必须充分考虑太阳能电池光电转换效率、太阳能电池散热、性能衰降、跟踪系统误差、热变形、风压变形及抗风能力、雨雪、风沙灰尘等各方面因素对系统性能的影响，而在充分考虑这些因素的同时，必须把系统成本控制在一个可以接受的范围。同时，由于系统的可靠性及可维修性所产生的后期运行成本及维修成本也必须计算在系统的综合成本之内。CPV的效率和成本优势的体现需要非常深入的工程化优化设计。