第六節(jié)　聚光光伏技術(shù)

一、發(fā)展聚光光伏技術(shù)的意義

到目前為止，第一代晶體硅太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了24．7%，大規(guī)模生產(chǎn)的商用產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率也已達(dá)到了較高的水平。但由于受單晶硅材料價(jià)格及繁瑣的加工工藝限制，單晶硅太陽(yáng)能電池成本居高不下。第二代薄膜太陽(yáng)能電池也取得了令人矚目的成就，銅銦硒和碲化鎘等薄膜電池的實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率目前分別為16．5%和18．5%，雖然仍有望在光電轉(zhuǎn)換效率上進(jìn)一步突破，但前者穩(wěn)定性差，后者又較難制作，而且由于鎘具有較強(qiáng)的毒性，很多國(guó)家已經(jīng)禁止使用含鎘的制品。非晶硅及氫化非晶硅的來(lái)源較廣，但是光電轉(zhuǎn)換效率較低，且大面積薄膜制作也存在價(jià)格高的問(wèn)題。相比之下，砷化鎵基的太陽(yáng)能電池30%乃至更高的轉(zhuǎn)換效率獨(dú)具優(yōu)勢(shì)，但是砷化鎵的材料成本遠(yuǎn)高于硅電池的材料成本，而電池材料成本是光伏系統(tǒng)成本最主要的部分。因此，高額成本成為制約光伏發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙。為了進(jìn)一步降低光伏發(fā)電成本，減少太陽(yáng)能電池芯片的消耗，聚光技術(shù)是一項(xiàng)可行的措施，即通過(guò)采用廉價(jià)的聚光系統(tǒng)，將太陽(yáng)光會(huì)聚到面積很小的高性能光伏電池上，從而大幅度降低系統(tǒng)的成本及昂貴的太陽(yáng)能電池材料用量。理論估算表明，聚光光伏（CPV）發(fā)電成本完全可以降到大規(guī)模應(yīng)用可接受的范圍。

各國(guó)光伏工作者也不斷地以實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，聚光技術(shù)將是在提高太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)換效率的前提下，大幅度降低發(fā)電成本的最有效方案。早在1989年，砷化鎵/銻化鎵機(jī)械疊層雙結(jié)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到32．6%。1995年，德國(guó)一實(shí)驗(yàn)室研制的鎵銦磷/砷化鎵雙結(jié)太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為31.1%。2005年5月，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室稱其三結(jié)太陽(yáng)能電池在10倍聚光條件下的光電轉(zhuǎn)換效率為37．9%。2005年6月，美國(guó)“光譜實(shí)驗(yàn)室”公司報(bào)道其多結(jié)太陽(yáng)能電池在236倍聚光條件下的光電轉(zhuǎn)換效率為39%。2006年12月，該項(xiàng)世界紀(jì)錄又被刷新為40．7%，這次突破可使安裝成本降至每千瓦3000美元，發(fā)電成本降至每千瓦時(shí)8～10美分，這在利用太陽(yáng)能發(fā)電方面樹(shù)立了新的里程碑。

為了打開(kāi)實(shí)用化的市場(chǎng)，美國(guó)兩家公司經(jīng)過(guò)15年的不斷努力，開(kāi)發(fā)了20千瓦的點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡陣列。澳大利亞一家公司一直致力于反射圓盤(pán)式CPV系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，自1996年至今，他們先后在6個(gè)地區(qū)建成了這種CPV發(fā)電站，用于提供這些地區(qū)居民所需的電力。西班牙一研究小組研發(fā)了一種新型的折射—反射—內(nèi)反射（RXI）CPV系統(tǒng)。應(yīng)用這種系統(tǒng)后，發(fā)電成本可降為每千瓦時(shí)0．104歐元，而對(duì)于1000兆瓦系統(tǒng)，其發(fā)電成本更可低至每千瓦時(shí)0．033歐元。西班牙于2006年在北部的納瓦拉安裝了由400個(gè)太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)組成的“聚光太陽(yáng)能花園”，并聲稱該系統(tǒng)能源輸出比傳統(tǒng)平板光伏系統(tǒng)增加了35%。

毋庸置疑，采用高效聚光發(fā)電機(jī)組建造大型光伏電站是最好的選擇。但是，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)CPV系統(tǒng)研究工作起步較晚，研究水平與發(fā)達(dá)國(guó)家也存在一定的差距。因此，對(duì)中國(guó)光伏工作者來(lái)說(shuō)，中國(guó)的CPV系統(tǒng)研究和應(yīng)用任重道遠(yuǎn)。

二、高效聚光發(fā)電機(jī)組

聚光可提高太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率并降低發(fā)電成本的原因是顯而易見(jiàn)的。在聚光條件下，電池芯片單位面積接收的輻射功率大幅度增加，一方面，提高了太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率；另一方面，對(duì)于給定的輸出功率，可以大幅度降低太陽(yáng)能電池芯片的消耗，從而降低系統(tǒng)的成本。

CPV系統(tǒng)

（一）聚光提高太陽(yáng)能電池的性能

太陽(yáng)能電池是將太陽(yáng)的光能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件，太陽(yáng)能電池輸出的電功率與入射的太陽(yáng)光功率之比稱為太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率，光電轉(zhuǎn)換效率是衡量太陽(yáng)能電池性能的重要指標(biāo)。由于太陽(yáng)能電池輸出的電功率等于輸出電流和電壓的乘積，在聚光情況下，太陽(yáng)能電池性能的提高主要得益于電池輸出電流和電壓的提高。由于太陽(yáng)照射到地球表面的光功率密度只有1000瓦每平方米，比較低。所以聚光太陽(yáng)能電池就先用菲涅爾透鏡將太陽(yáng)光會(huì)聚，再照射到太陽(yáng)能電池上。

菲涅爾透鏡的作用與凸透鏡相似，可以將平行光會(huì)聚成一個(gè)焦斑。聚光太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率隨著聚光比增加呈對(duì)數(shù)型增加，即電池的光電轉(zhuǎn)換效率正比于聚光比的對(duì)數(shù)。采用菲涅爾透鏡聚光以后，太陽(yáng)能電池的面積可由菲涅爾透鏡的面積縮小到和焦斑相同，并且發(fā)出的電能比未聚光的與菲涅爾透鏡面積相同的太陽(yáng)能電池還要多。但是，只有正入射的太陽(yáng)光才能被會(huì)聚到電池芯片上，所以聚光太陽(yáng)能電池必須配備雙軸跟蹤裝置，使入射的太陽(yáng)光時(shí)刻保持正入射菲涅爾透鏡。對(duì)日雙軸跟蹤裝置具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，一個(gè)繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)，另一個(gè)繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)，分別對(duì)應(yīng)經(jīng)度和緯度方向。采用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可以對(duì)雙軸跟蹤裝置進(jìn)行時(shí)空精確控制，也可以采用實(shí)時(shí)反饋方法對(duì)雙軸跟蹤裝置進(jìn)行精確控制，或者采用二者相結(jié)合的方式進(jìn)行控制。

太陽(yáng)能電池發(fā)出的電是直流電，與普通電池類似。太陽(yáng)能電池可以根據(jù)所需的電流和電壓值進(jìn)行串、并聯(lián)連接。如果要把太陽(yáng)能電池發(fā)出的電輸送到電網(wǎng)上，必須先把直流電轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)頻率相同的交流電，這個(gè)過(guò)程稱為逆變轉(zhuǎn)換。

（二）聚光降低光伏發(fā)電成本

對(duì)于光伏發(fā)電，太陽(yáng)能電池芯片的價(jià)格占到整個(gè)聚光系統(tǒng)成本的50%～55%，所以只要大幅降低電池芯片的消耗，便可以大幅降低系統(tǒng)發(fā)電成本。低電池芯片消耗是推動(dòng)CPV技術(shù)進(jìn)入光伏市場(chǎng)的最主要?jiǎng)恿?。下面給出一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明聚光可使太陽(yáng)能電池芯片的消耗降低。

對(duì)于非聚光的平面電池，在AM1.5光譜的輻照下，直徑為10厘米的太陽(yáng)能電池芯片可以接收到7．85瓦的功率。而對(duì)于聚光太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，假設(shè)聚光器工作在300倍聚光條件下，透鏡透光率為85%，要想輸出同樣大小的功率，1個(gè)1厘米×1厘米的電池芯片就足夠了。國(guó)內(nèi)外許多光伏工作者都對(duì)聚光技術(shù)使光伏發(fā)電成本的降低做了研究，發(fā)現(xiàn)聚光太陽(yáng)能電池在降低光伏發(fā)電成本方面具有極大的潛力。

目前國(guó)內(nèi)的平板硅太陽(yáng)能發(fā)電站發(fā)電成本為每千瓦時(shí)2～3元。中國(guó)無(wú)錫一家公司計(jì)劃到2013年，將太陽(yáng)能電池發(fā)電成本降至每千瓦時(shí)1元。而高效聚光太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組的發(fā)電成本更可望進(jìn)一步降至每千瓦時(shí)0．6元。

（三）高效聚光太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組

高效聚光太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組主要由聚光太陽(yáng)能電池組件陣列和對(duì)日跟蹤器組成。其中聚光太陽(yáng)能電池組件是將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能的核心部件，由太陽(yáng)能電池陣列和與之對(duì)應(yīng)的菲涅爾透鏡陣列、散熱片陣列，以及底板和框架構(gòu)成。最初用于聚光太陽(yáng)能電池組件的是單晶硅太陽(yáng)能電池，隨著聚光比的提高，采用多結(jié)太陽(yáng)能電池制作高效聚光太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。

與平板太陽(yáng)能電池相比，CPV系統(tǒng)的核心部件除了高效太陽(yáng)能電池芯片以外，還包括聚光器和對(duì)日跟蹤器。按光學(xué)類型劃分，常用的聚光器通常分為折射式聚光器和反射式聚光器。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，菲涅爾透鏡成為理想之選。它的聚焦方式可以是點(diǎn)聚焦，也可以是線聚焦。點(diǎn)聚焦時(shí)，將太陽(yáng)光聚焦在一個(gè)太陽(yáng)能電池芯片上；線聚焦時(shí)，將太陽(yáng)光聚焦在太陽(yáng)能電池組成的線列陣上。在實(shí)際應(yīng)用中，為了增加聚光比，或者增加聚光光束的入射角，常常使用二級(jí)光學(xué)元件。二級(jí)光學(xué)元件可以放寬初級(jí)光學(xué)元件的制造精度和聚光器的對(duì)準(zhǔn)精度，而且降低了對(duì)高精度跟蹤系統(tǒng)的投資，既降低了CPV系統(tǒng)的成本又提高了系統(tǒng)的可靠性。

高效聚光太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組

點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡作為初級(jí)光學(xué)元件，可以獲得較大的聚光比，導(dǎo)光筒作為二級(jí)光學(xué)元件，可將偏離電池的太陽(yáng)光通過(guò)筒內(nèi)壁鏡面反射器的多次反射重新投射到太陽(yáng)能電池表面上，實(shí)現(xiàn)陽(yáng)光的正向照射，從而提高了太陽(yáng)能利用率和太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。電功率輸出特性隨入射角的變化關(guān)系的測(cè)試結(jié)果表明，在AM1.5、400倍聚光條件下，當(dāng)輸出功率為峰值功率的90%時(shí)，其可接收角為±4．23°。與傳統(tǒng)的折射式聚光器相比，該系統(tǒng)具有較高的接收角，可極大地提高CPV系統(tǒng)戶外運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，且便于安裝和維護(hù)。

菲涅爾透鏡

對(duì)于高效CPV系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，對(duì)日跟蹤器必不可少。這主要是由于隨著聚光比的提高，CPV系統(tǒng)能接收到光線的角度范圍就越小，為了更加充分地利用太陽(yáng)光，CPV系統(tǒng)必須輔以對(duì)日跟蹤裝置。能夠精確跟蹤太陽(yáng)且價(jià)格低廉的對(duì)日跟蹤裝置一直是光伏工作者致力研究的熱點(diǎn)之一。目前對(duì)日跟蹤裝置的設(shè)計(jì)方案眾多。點(diǎn)聚焦結(jié)構(gòu)的聚光器一般要求雙軸跟蹤裝置，線聚焦結(jié)構(gòu)的聚光器僅需單軸跟蹤裝置。

三、大型光伏發(fā)電站的組成

大型光伏發(fā)電站主要由太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組和控制系統(tǒng)組成。由于高效聚光太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組具有光電轉(zhuǎn)換效率高、占地面積少和發(fā)電量多的特點(diǎn)，它在大型光伏發(fā)電站的建造中優(yōu)勢(shì)明顯。

大型光伏發(fā)電站控制系統(tǒng)的主要作用是對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組進(jìn)行巡檢、跟蹤發(fā)電機(jī)組的最大發(fā)電功率、進(jìn)行直流/交流逆變轉(zhuǎn)換和向電網(wǎng)輸電控制等。如果單臺(tái)太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組的功率為5千瓦，則一座規(guī)模為100兆瓦的大型光伏發(fā)電站需要2萬(wàn)臺(tái)發(fā)電機(jī)組?？刂葡到y(tǒng)要對(duì)這2萬(wàn)臺(tái)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行巡回檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，做出相應(yīng)的處理。雖然高效聚光太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組具有對(duì)日自動(dòng)跟蹤功能，使太陽(yáng)光始終保持正入射的狀態(tài)，但是太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組的輸出功率仍然會(huì)隨太陽(yáng)輻照度和電池溫度的改變而變化?？刂葡到y(tǒng)要根據(jù)發(fā)電機(jī)組的輸出變化，使發(fā)電機(jī)組始終保持在最大功率狀態(tài)。

四、前景展望

建造大型光伏發(fā)電站是利用太陽(yáng)能的重要方法，特別是在中國(guó)西藏、青海、甘肅、云南等地，這些地方日照充足，并且有大量的戈壁荒地。與傳統(tǒng)火力發(fā)電站相比，光伏發(fā)電站無(wú)任何污染，不消耗原材料，而且其運(yùn)行成本極低。100兆瓦高效聚光太陽(yáng)能發(fā)電站每年可以發(fā)電1.46億千瓦時(shí)，節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤5．84萬(wàn)噸，減少二氧化碳排放7．3萬(wàn)噸。因此，發(fā)展高效聚光太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)不但具有重大的經(jīng)濟(jì)效益，更具有重大的社會(huì)效益。

在CPV技術(shù)迅猛發(fā)展的趨勢(shì)下，高效、低成本、可靠、穩(wěn)定的CPV發(fā)電系統(tǒng)正在逐步走向產(chǎn)業(yè)化。

在國(guó)際市場(chǎng)上，高效聚光太陽(yáng)能電池和發(fā)電機(jī)組已經(jīng)商品化，核心技術(shù)主要掌握在美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家手中，其產(chǎn)品出口目前還受到限制。中國(guó)高效聚光太陽(yáng)能電池研究起步于21世紀(jì)初，目前已經(jīng)掌握了一些核心技術(shù)，但是還沒(méi)有商業(yè)化的產(chǎn)品。

2004年，世界光伏市場(chǎng)上CPV系統(tǒng)年裝機(jī)量?jī)H為1兆瓦；2006年，CPV系統(tǒng)的年裝機(jī)量為18兆瓦。雖然CPV系統(tǒng)的年裝機(jī)量還遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1200兆瓦平板光伏電池的年裝機(jī)量，但隨著CPV技術(shù)的快速發(fā)展，這一新型可再生能源系統(tǒng)將加快產(chǎn)業(yè)化的步伐。美國(guó)特拉華大學(xué)等二十幾個(gè)機(jī)構(gòu)組成的超高效太陽(yáng)能電池開(kāi)發(fā)集團(tuán)，正在研發(fā)光電轉(zhuǎn)換效率為50%的超高光電轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)能電池。目前光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)突破42．8%。在國(guó)際光伏市場(chǎng)巨大潛力的推動(dòng)下，中國(guó)作為世界能源消耗第二大國(guó)，對(duì)于高效、低成本的光伏發(fā)電系統(tǒng)的需求更為迫切。目前，中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)正以每年30%的速度增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)光伏電池生產(chǎn)能力已超過(guò)1600兆瓦。但是，中國(guó)光伏發(fā)電的應(yīng)用卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)際平均水平。與國(guó)際上蓬勃發(fā)展的光伏發(fā)電相比，國(guó)內(nèi)平板式光伏發(fā)電系統(tǒng)已比較成熟，而CPV發(fā)電系統(tǒng)還處于技術(shù)開(kāi)發(fā)階段。大型光伏發(fā)電站是太陽(yáng)能利用的必然趨勢(shì)，只要抓住有利時(shí)機(jī)，瞄準(zhǔn)國(guó)際光伏電池新材料及器件研究的前沿，就能在CPV技術(shù)及應(yīng)用方面取得突破性進(jìn)展。

由此可以看出，CPV作為未來(lái)光伏發(fā)電的重要發(fā)展方向之一，已經(jīng)得到廣泛公認(rèn)。CPV技術(shù)的發(fā)展受到前所未有的重視，CPV產(chǎn)業(yè)面臨著巨大的發(fā)展機(jī)遇，但是目前CPV的發(fā)展也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

首先，CPV技術(shù)的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有其他光伏發(fā)電形式，以往已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)CPV系統(tǒng)可靠性無(wú)法滿足要求、維護(hù)費(fèi)用過(guò)高而不得不拆除的實(shí)例。因此，必須有充分的CPV系統(tǒng)實(shí)際穩(wěn)定運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)證明CPV技術(shù)的可行性，同時(shí)，很多設(shè)計(jì)缺陷也必須通過(guò)實(shí)際運(yùn)行來(lái)發(fā)現(xiàn)。這需要一個(gè)相對(duì)長(zhǎng)期的過(guò)程，但是對(duì)CPV的發(fā)展至關(guān)重要。

其次，CPV系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須充分考慮太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率、太陽(yáng)能電池散熱、性能衰降、跟蹤系統(tǒng)誤差、熱變形、風(fēng)壓變形及抗風(fēng)能力、雨雪、風(fēng)沙灰塵等各方面因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響，而在充分考慮這些因素的同時(shí)，必須把系統(tǒng)成本控制在一個(gè)可以接受的范圍。同時(shí)，由于系統(tǒng)的可靠性及可維修性所產(chǎn)生的后期運(yùn)行成本及維修成本也必須計(jì)算在系統(tǒng)的綜合成本之內(nèi)。CPV的效率和成本優(yōu)勢(shì)的體現(xiàn)需要非常深入的工程化優(yōu)化設(shè)計(jì)。