高倍聚光與雙軸平板發(fā)電經濟性分析

蔣華慶，田景奎

（中國電力工程顧問集團華北電力設計院工程有限公司，北京市，100120）

0 引言

聚光光伏（concentration photovoltaic，CPV）發(fā)電技術發(fā)展的初衷是通過光學器件將太陽光聚集到較小面積的太陽能電池上，從而實現(xiàn)使用較少的太陽能電池產生較多的電能[1-2]。這種技術在太陽能電池昂貴時具有特別的優(yōu)勢。太陽能電池可以是晶體硅電池，也可以是Ⅲ-Ⅴ族太陽能電池（如砷化鎵電池）。但是晶體硅電池固有的峰值功率溫度系數(shù)較高（典型值在-0.5%/K左右），當聚光倍數(shù)上升時，其自身的溫度損失較大，對自身的壽命有影響，因此主要用在低倍聚光領域。與晶體硅相比，砷化鎵電池峰值功率溫度系數(shù)較低（典型值在-0.15%/K），耐高溫，因此廣泛應用在高倍聚光光伏（high concentration photovoltaic，HCPV）領域。由于砷化鎵電池非常昂貴，因此產業(yè)界一直致力于通過提高聚光倍數(shù)來盡可能減少這種太陽能電池的用量。目前，國際上成熟HCPV產品聚光比大多在500倍左右，大部分采用砷化鎵太陽能電池。

與常規(guī)晶體硅發(fā)電技術相比，HCPV作為一種新興的技術，其工程應用前景值得關注。目前，已有一些大型企業(yè)通過自主研發(fā)或引進技術開始生產HCPV設備，并計劃開展示范電站建設。除了設備成熟、可靠的要求外，HCPV必須具有更具競爭力的發(fā)電成本優(yōu)勢才可能得到廣泛的應用。本文選取了敦煌和上海2個地區(qū)，對HCPV和雙軸平板（晶體硅組件配套雙軸跟蹤器）的發(fā)電成本進行探討。

1 敦煌和上海地區(qū)輻照參數(shù)

敦煌（40.0N，94.5E）近30年平均年總輻射為1771.5 kW·h/m2（水平面上），直接輻射為2158.4 kW·h/（m2·年），屬于I類“最豐富帶”，直接輻射強；上海（31.1N，121.3E）1960—1990年 30年平均年輻射為1242.9 kW·h/m2（水平面上，取自Meteonorm數(shù)據(jù)庫），直接輻射為744.08 kW·h/（m2·年），屬于III類“豐富帶”，直接輻射較弱。HCPV組件必須配套高精度雙軸跟蹤器，因此，選擇雙軸平板的系統(tǒng)作為對比對象，如圖1、2所示。在本文計算時采用的HCPV和晶體硅組件的參數(shù)見文獻[3]、[4]。

2 光伏發(fā)電成本的比較方法

不同技術類型的光伏電站的發(fā)電成本可以近似用初始成本與初始年發(fā)電量的比值來比較。

2.1 光伏電站的初始成本

光伏電站的初始成本由光伏組件及系統(tǒng)平衡部件（blance of system，BOS）2部分成本組成。對HCPV和晶體硅光伏組件2者來說，BOS成本有所差別，主要體現(xiàn)在：（1）由于HCPV要求的跟蹤精度很高，一般是小于±0.3°，而晶體硅光伏組件要求的跟蹤精度則低得多，一般采用間歇跟蹤，因此晶體硅配套的跟蹤器成本會小于HCPV；（2）由于HCPV的組件效率較高，一般能達到20%以上，而晶體硅組件的效率一般在13%～15%之間，因此HCPV的用地成本、電纜和場地平整費用等都會小于晶體硅。綜合考慮，2種發(fā)電方式的BOS成本差別較小，并且因具體項目而異。為便于分析，假設2者的BOS成本相同，均為10000元/kWp。晶體硅組件價格目前為14000元/kWp，高倍聚光組件的價格目前為20000元/kWp左右。這樣，晶體硅組件配套雙軸跟蹤器的初始成本約為24000元/kWp，高倍聚光組件配套雙軸跟蹤器的初始成本約為30000元/kWp。

2.2 發(fā)電量計算

與光伏系統(tǒng)發(fā)電量相關的因素較多，除了主要影響因素——方陣面上的可利用輻射量、溫度之外，還有表面污染、設備可利用率、逆變效率、最大功率點跟蹤精度、陰影遮擋和電能傳輸損失等。1 kWp方陣上的月發(fā)電量可以用下式表示，

式中：Qout為1 kWp方陣月發(fā)電量；Qin為1 kWp方陣面上月可利用輻射量；η1為由溫度引起的發(fā)電量變化系數(shù)；η2為由表面污染、設備可利用率、逆變效率、最大功率點跟蹤器精度、陰影遮擋、電能傳輸損失等因素引起的發(fā)電量損失，對2種技術，η2均取為0.80；η3為標準測試條件下的光電轉換效率（對晶體硅，是指輻照度1000 W/m2，電池溫度25℃，光譜分布為AM1.5；而對于本計算采用的HCPV，是指直接輻照度850 W/m2，電池溫度25℃，光譜分布為AM1.5）。

其中，

式中：β為光伏組件的峰值功率溫度系數(shù)，HCPV取-0.15%/K，晶體硅取-0.47%/K；Tc為太陽能電池的月平均溫度；Tr為太陽能電池峰值功率標定參考溫度，對晶體硅組件和HCPV組件均為25℃。

太陽能電池的溫度與環(huán)境溫度、輻照度、風速等條件有關，對于晶體硅組件，若不考慮風速的影響，太陽能電池的月平均溫度可以近似用式（3）[5]表示，

式中：Ta為月平均環(huán)境溫度為月平均晴空指數(shù)；NOCT為標準工作環(huán)境下（環(huán)境溫度為20℃，輻照度800 W/m2，風速為1 m/s）太陽能電池的溫度，取為45℃。

對于HCPV，估計太陽能電池的月平均溫度則更為復雜。對于晶體硅組件，直射、散射及反射光線均對太陽能電池溫升有貢獻；而對于HCPV，散射光線及地面反射光線由于不能被聚焦，因此對太陽能電池的溫升基本不起作用，只有直射光線起作用。因此，在參照式（3）估計HCPV電池溫度時，應在溫升部分乘以系數(shù)為當月方陣面上直接輻射與總輻射的比值。

3 敦煌地區(qū)2種方式單位成本發(fā)電量比較

3.1 光伏方陣上可利用輻射

利用PVSYST軟件，首先將輸入的敦煌地區(qū)各月總輻射轉換為計算需要的一整年每小時的水平面直接輻射、散射輻射值，再根據(jù)上述每小時數(shù)據(jù)計算得到敦煌地區(qū)雙軸跟蹤方陣面上各月輻射值，如圖3。

對于HCPV，散射輻射及地面反射輻射幾乎不起作用，可利用的是直接輻射量；對于晶體硅，直接、散射及地面反射均可用。

3.2 2種發(fā)電方式各月由溫度引起的發(fā)電量變化系數(shù)

由式（2）、（3）可得到2種發(fā)電方式各月的由溫度引起的發(fā)電量變化系數(shù)η1，如圖4。η1為1說明溫度對發(fā)電量基本沒有影響；η1小于1說明溫度使得發(fā)電量下降；η1大于1則說明溫度使得發(fā)電量上升。

從圖4可以看出，在冬季時，低溫對晶體硅組件發(fā)電量的提高幅度較大，而在春、夏、秋季時高溫對晶體硅組件發(fā)電量的降低影響明顯高于HCPV。這是由于2者峰值功率溫度系數(shù)的差異。

3.3 2種發(fā)電方式的年發(fā)電量

由式（1）可以計算出2種發(fā)電方式各月的發(fā)電量，如圖5。2種發(fā)電方式的初始年發(fā)電量分別為：HCPV配套雙軸跟蹤器2002.8 kW·h/（kWp·年）；晶體硅配套雙軸跟蹤器2246.5 kW·h/（kWp·年）。HCPV發(fā)電量比晶體硅配套雙軸跟蹤器低10.8%。

3.4 2種發(fā)電方式的單位成本發(fā)電量

對于敦煌地區(qū)，2種發(fā)電方式初始成本與年發(fā)電量比值分別為：HCPV配套雙軸跟蹤器14.979元/（kW·h），晶體硅配套雙軸跟蹤器10.683元/（kW·h）。HCPV的發(fā)電成本比晶體硅配套雙軸跟蹤器高40.2%。

4 上海地區(qū)2種方式單位成本發(fā)電量比較

與敦煌計算的方法類似，可以得到上海地區(qū)：（1）雙軸方陣面各月直接輻射、散射及地面輻射，如圖6所示；（2）HCPV與晶體硅各月由溫度引起的發(fā)電量變化系數(shù)η1，如圖7所示；（3）2種發(fā)電方式各月發(fā)電量，如圖8所示。

2種發(fā)電方式的年發(fā)電量分別為：HCPV配套雙軸跟蹤器695.8 kW·h/（kWp·年），晶體硅配套雙軸跟蹤器1166.4 kW·h/（kWp·年）。

對于上海地區(qū)，2種發(fā)電方式的初始成本與年發(fā)電量的比值分別為：HCPV配套雙軸跟蹤器為43.116元/（kW·h），晶體硅配套雙軸跟蹤器20.576元/（kW·h）。HCPV配套雙軸跟蹤器的發(fā)電成本比晶體硅配套雙軸跟蹤器高109.5%。

5 結論

（1）在當前市場條件下，敦煌地區(qū)HCPV的發(fā)電成本比雙軸平板高40.2%，而上海地區(qū)HCPV的發(fā)電成本比雙軸平板高109.5%。HCPV的發(fā)電成本明顯高于雙軸平板。

（2）對于直接輻射較弱的我國東部沿海等地區(qū)，HCPV與雙軸平板發(fā)電成本之間的差距明顯高于西部直接輻射較強的地區(qū)。

（3）由于HCPV自身的特點，即使在敦煌這樣的Ⅰ類地區(qū)，其發(fā)電量也比晶體硅配套雙軸跟蹤器低11%左右，因此，從經濟性角度來考慮，HCPV系統(tǒng)成本降低到比雙軸平板電站系統(tǒng)成本低11%以上時，才具有競爭力。

（4）由于HCPV組件的優(yōu)勢在于較高的轉換效率，因此，對于土地昂貴的地區(qū)，其BOS成本可能較晶體硅組件有一定的降低，從而縮小與晶體硅組件的發(fā)電成本。

（5）根據(jù)目前的技術成熟度，HCPV的維護成本會高于晶體硅配套雙軸跟蹤器，這也是提高HCPV發(fā)電成本的因素之一。

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