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聚光光伏日渐凸显的竞争优势

时间:2015-05-28 01:13 来源: 作者: 点击:

  在光伏发电的各种技术中,已经走过了近30年发展历程的聚光光伏(concentrated PV,简称CPV)技术,目前看来,仍然是一个较不起眼的技术路线。

  聚光光伏技术发展的标志性事件,是1976年美国Sanda国家实验室制作了第一架聚光光伏发电设备原型机。

  从一开始,人们对聚光光伏技术感兴趣的主要原因,是其具有降低成本的巨大潜力。但具有讽刺意味的是,在走向市场化的过程中,聚光光伏却因相对高昂的成本,一直为批评者所诟病。

  随着平板晶硅光伏系统成本的一路下降,也由于聚光光伏自身存在的一些问题,截至2014年,曾经一度火热的聚光光伏公司,几乎已全军覆没。

  那么,聚光光伏技术还有前途吗?

  什么是聚光光伏

  与其他光伏发电技术路线一样,聚光光伏也是通过光电转换材料的光伏效应实现发电。其所使用光电转换材料,可以是晶硅材料,也可以是其他光电材料。这一技术的要点在于,利用光学聚焦装置把太阳光集中到一小片光电材料上,以此节省昂贵的半导体材料,达到同样的阳光利用效率。与一般直觉认识所不同的是,聚光技术仅仅是增大了光的能量密度,并不意味着能量的放大。

  这样一样,聚光光伏就出现了一些与一般光伏不太一样的情况。

  首先,因为光学系统一般只能对直射光或者平行光进行聚焦,尽管太阳光照射到地球时可以认为是平行光,但到达地面的阳光,却有一部分是经过散射、反射或者漫反射到达的,这部分阳光就无法为聚光系统所利用。通常情况下,直射阳光成分占总辐射的85%(因不同地区而异)。

  其次,因为要保持聚光系统正对着太阳,跟踪系统就成为聚光光伏必不可少的重要部件。传统上,光伏发电设备不带转动部件一度被认为是光伏发电的一大亮点,但随着跟踪系统技术的进步和成本下降,更最重要的是可靠的增加,因此其他光伏技术带跟踪器的方案也慢慢的被行业接受。

  再者,在使用的光电材料上,早期的聚光光伏仍然使用晶硅材料,但随着其他更高光电转换效率材料的发展和聚光比的提高,-V族砷化镓系列的半导体多结材料慢慢成为聚光光伏使用的主流材料,而晶硅材料在聚光比提高以后无法承受高密度的光照,仅停留在低倍聚光上应用。因此,聚光光伏又分为低倍聚光(LCPV)和高倍聚光(HCPV)。本文后面谈到的聚光光伏,特指高倍聚光。

  作为光电转换材料,-V族砷化镓材料因其优异的热学、光学特性,以及抗太空辐射和重量轻(砷化镓本身就是薄膜材料),因此首先在卫星上得到了应用。卫星上为设备供电的光伏板已经由硅太阳能电池板替换成更轻便、光电转换效率更高的砷化镓电池板。值得一提的是,砷化镓是一种重要的半导体材料,在微电子等领域有极其重要的应用。西方国家长期对我国进行技术封锁,包括限制材料生长设备的进口。

  因为砷化镓材料相对硅材料而言比较昂贵,因此,砷化镓系列材料应用于聚光光伏以后,聚光比必须要设计得很高,以平衡材料的成本。现在主流的高倍聚光系统一般在500~1000倍甚至更高。

  但是,更高的聚光比又带来新的问题。聚光比提高以后,光能量密度更高,芯片的电流密度增大,散热问题显得更加突出。同时,更高的聚光比对跟踪系统的精度提出了更高的要求,现在一般要求跟踪精度在0.5度以内,由此跟踪器的长期稳定性和可靠性又成了新的课题。所有这些问题,都加剧了聚光光伏的成本压力。

  顺便提一下,也正因为砷化镓材料首先是在空间上得到应用,因此高倍聚光有时也被称为是太空技术的地面应用。这也解释了早期进入高倍聚光光伏领域的是些什么机构,比如波音公司的光谱实验室、美国Ecore公司等,他们是为美国太空计划提供空间电源的单位,国内的上海811所、天津18所,甚至德国的Azur也是一样的性质。

  日渐凸显的竞争优势

  事情总是具有奇妙的两面性。砷化镓带来聚光光伏系统成本提高的同时,也带来了光电转换效率提升的新希望。

  根据文献报道,聚光光伏电池的效率每年提升大约为0.9%。2014年,多结半导体(基于砷化镓材料系列)电池的转换效率已经达到了46%,其组件效率也到达了36.7%。这还远远未达到其理论上的光电转换效率上限(~70%)。

  而与此同时,现在的硅基光伏却已经非常接近实验室和理论转换效率了(28%)。

  从成本上来说,由于高倍聚光系统设计普遍采用高聚光比的缘故,砷化镓材料在整个聚光系统中的成本比例仅为10%左右。而近几年来,聚光光伏系统的成本下降十分显著,这包括电池接收器封装、模组组装、跟踪器、光学系统等几个核心部件。

  由于砷化镓材料在民用市场特别是LED (发光二极管)中的广泛应用,大大带动了其成本的下行。跟踪器也逐渐在平板光伏系统中得到更多应用,其可靠性开始得到认可。光学系统上高倍聚光的主流是采用菲涅耳平板透镜的设计,大多采用廉价的PA材料。

  因为高倍聚光的市场还不大,价格信息不透明。但是乐观的估计表明,现在整体设备价格应该非常接近于平板硅基太阳能电池。加上同等装机容量的聚光光伏系统比固定安装式平板系统多40%以上的发电量(不是转换效率高,是因为带跟踪系统),在阳光充沛地区,其平准化电力成本(LCOE或度电成本)已经和普通固定式平板光伏在一个水平了。

  影响市场扩大的因素

  首先,是应用区域的限制。前文提到,因为聚光光伏的技术特点,只有直射阳光能被利用,在阳光充沛、直射阳光成分高的地方,聚光光伏才能体现出优势。

  一般认为,在直射阳光要达到2000kWh2a的地方,使用高倍聚光的度电成本才可以与平板光伏比拟。在国内,目前适合聚光光伏的区域只能优先考虑西藏和西北的一类阳光资源地域。

  其次,聚光光伏要形成一定的产能,才能有效的降低系统设备成本。

  再者,聚光光伏的设计各个厂家都不一样,难以形成外观、技术规格上的统一标准,这也影响了其市场推广。不过,现在采用多结半导体芯片、菲涅耳透镜点聚焦、被动散热、双轴高精度跟踪器等,已经形成高倍聚光光伏的主流设计。

  目前,看起来似乎是多晶硅、单晶硅光伏产品占据了绝大部分的光伏市场,但是必须认识到,光伏本质上还是一种处于不断进步中的技术。除了硅基材料以外,还有CS、CdTe、aAs、钙钛矿甚至有机太阳能材料,等等。美国第一太阳能公司凭借CdTe薄膜组件甚至一度成为全世界出货量最大的光伏组件公司。另外,不同的太阳能技术路线,也有其适合的应用市场,在大型荒漠地面电站,聚光光伏就比平板太阳能有优势。

  在谈论聚光光伏的时候,人们经常使用平准化电力成本(LCOE)一词,有时候则是用度电成本。

  这表明了聚光光伏一开始就是冲着平价上网的目标而来的。而聚光光伏产品生产过程的低能耗也常常被提起,其能源回报期在6个月左右,这也低于一般多晶硅产品两年左右的能源回报期。

  聚光光伏在其发展的近30年间,出现了大大小小几十家公司,包括一些集团公司下的子公司和上市公司下的事业部,但一直没有出现过一家独立的上市公司。

  由于晶硅光伏产品成本一路下降,截至2014年为止,聚光光伏公司几乎全军覆没,其市场化进程遭到严重挫折。

  未来能否脱颖而出

  对于处于小众市场地位的聚光光伏,还有机会脱颖而出吗?

  与其他光伏技术不同,聚光光伏基本上是一个系统集成的光伏设备。从材料到接收器部件,各个厂家之间差异并不大。一旦跟光学系统合在一起,不同的光学设计理念、不同的聚光比以及不同的散热方案,导致最后形成的模组结构五花八门,甚至各个厂家的规格、尺寸都很难一致。最后,结合到大大小小不同的跟踪器,则加剧了聚光光伏产品的差异化表现。

  因此,既然是一个系统集成的产品,一开始就要考虑跟踪器的精度对光学系统设计的影响、散热对聚光比设计的影响,等等。一个聚光光伏公司,如果不具备强大的系统设计和供应商整合能力,是很难推出好的聚光光伏产品的。

  其次,从行业的成熟度来看,高倍聚光在国内已经基本形成完整的产业链。多结半导体芯片、接收器封装、光学菲涅耳透镜、模组组装、跟踪器,甚至光学系统中的二次光学部件,在国内都可以很容易找到供应商。国内最近这几年通过慷慨的光伏补贴政策,终端应用市场也日趋成熟和壮大,聚光光伏并没有其他光伏技术长期存在的“两头在外”的问题。

  不过,聚光光伏还需要有效的和执行到位的政策支持。发展聚光光伏技术,不仅仅是因为发电,它带动的是一个非常高端的制造业体系。

  砷化镓被认为是硅材料以后的下一代半导体材料,对我国微电子行业的发展非常重要。光学菲涅耳透镜的设计和生产,将提高我们在高端光学材料的应用和普及水平。跟踪器的技术含量,也远非一般的光伏固定支架可以比拟。

  一个聚光光伏设备包含了半导体材料、半导体封装、微电子、自动化控制、热管理、先进光学材料等多个学科和行业,因此,通过发展聚光光伏,把这些原本高端的技术普及到人人用得起的光伏发电领域,将是一件非常有意义的事情。

  举两个大家熟悉的例子,苹果手机和特斯拉汽车。在苹果公司决定研发手机的时候,基本上所有的部件已经有成熟的供应商了,苹果公司并没有研发具体哪一个部件,只是进行了最终产品的设计并通过强大的供应商控制能力,却重新定义了手机的使命。而在马斯克决定生产一款全电力动力汽车的时候,他也没有从头开始研发具体的部件,他甚至只是使用了笔记本电脑的电池,就让特斯拉汽车风靡全球。

  聚光光伏技术的发展,是否会带来类似的情形出现呢?我们或可以拭目以待。希望有企业能有此魄力、相关部门有此远见,如此,则聚光光伏在未来的光伏发电应用市场上,必有一席之地。 

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