固定式聚光光伏發(fā)電方案簡(jiǎn)介

■ 李穆然 李娜

利用太陽(yáng)輻射能的光伏發(fā)電方式，具有許多非常獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，比如發(fā)電過(guò)程一不耗水、二不耗氣、三不耗煤、四不耗柴、五不耗油、六不耗鈾；無(wú)噪聲、無(wú)煙塵、無(wú)摩擦、無(wú)振動(dòng)、無(wú)隱患、無(wú)需管理等。但同時(shí)也存在兩個(gè)很明顯的缺點(diǎn)——不穩(wěn)定和成本高，除去在特殊場(chǎng)合(如航天器、孤島等)的應(yīng)用，還不存在和常規(guī)能源發(fā)電方式進(jìn)行市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的能力。如欲在電力市場(chǎng)占有一席之地，只有通過(guò)兩種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)——大步伐提高轉(zhuǎn)換率或大幅度降低系統(tǒng)成本。本文介紹的“固定式聚光光伏發(fā)電”方案屬于降低成本的一種嘗試，近一年來(lái)的測(cè)試，其效果已得到確認(rèn)。

說(shuō)起聚光式光伏發(fā)電，并非新鮮事物，早有眾多企業(yè)和專(zhuān)家進(jìn)行了深入的研究，大手筆投入數(shù)十億資金的若干生產(chǎn)基地也早已建成，聚光倍率從幾百倍到上千倍，并且還在不斷攀升。然而隨著光伏組件成本的迅速降低，人們發(fā)現(xiàn)聚光系統(tǒng)，尤其是所謂高倍聚光光伏發(fā)電HCPV系統(tǒng)，能使系統(tǒng)發(fā)電成本下降的前景非常渺茫。同樣大小的光伏組件在得到了幾百上千倍的聚集光束照射后，其發(fā)電效率的增加也不過(guò)是零點(diǎn)幾倍，最多也難超過(guò)一倍，但同時(shí)卻使電池溫度大幅上升(其效果近似“燒烤”，故必須增加冷卻降溫措施)，必須配置雙軸跟蹤裝置，最終核算發(fā)電成本不降反升。

汲取HCPV的教訓(xùn)，本文介紹的“固定式聚光光伏發(fā)電方案”避免了上述缺點(diǎn)。雖然也是遵循以聚集光束的方式來(lái)增加電池表面(靶面)受光強(qiáng)度的原理，但有三點(diǎn)很大的不同：一是倍率設(shè)定很低，根據(jù)安裝條件“n”值僅在1～3之間；二是鏡面形狀簡(jiǎn)單，就用普通的平面鏡；三是最主要的，不設(shè)跟蹤環(huán)節(jié)，無(wú)任何運(yùn)動(dòng)部件，便具有全年自適應(yīng)功能。可能有人會(huì)問(wèn)，降低了倍率、簡(jiǎn)約了外形、又取消了跟蹤，成本是降低了，但會(huì)不會(huì)對(duì)增加發(fā)電效率產(chǎn)生不利影響呢？起初我們也曾懷疑過(guò)它的效果，然而通過(guò)一系列實(shí)際測(cè)試后證明，它的效果不僅不比高倍聚光差，而且還有提高。

本方案構(gòu)想的獲取純屬偶然，來(lái)源于一次出車(chē)經(jīng)歷。前車(chē)后玻璃窗上的太陽(yáng)反光，正好投向我車(chē)前窗，令我車(chē)前排人員可以同時(shí)看到兩個(gè)太陽(yáng)。這一景象，對(duì)于一個(gè)以多獲取陽(yáng)光為目標(biāo)的專(zhuān)業(yè)人士來(lái)說(shuō)不啻是一個(gè)提醒：“想多得些陽(yáng)光嗎？加個(gè)鏡子不就成了嗎？”自此后便開(kāi)始了一系列的實(shí)驗(yàn)，利用光電池、平面鏡和測(cè)試儀表，對(duì)著太陽(yáng)把鏡面和靶面擺放成不同的面夾角和傾角，逐一讀取光電池的輸出電流和電壓，最終找到比較理想的擺放參數(shù)——按照這個(gè)參數(shù)擺放的聚光光伏組合，即使在太陽(yáng)對(duì)靶面的入射角從零度起逐漸增加到五十多度的情況下，電池的輸出功率始終可以比光線(xiàn)直接入射的數(shù)值要高。這個(gè)效果使我們意識(shí)到，光伏發(fā)電跟蹤裝置的壽命恐怕要終結(jié)了。因?yàn)榫吞岣吖夥M件的發(fā)電功率而言，這一靜止的鏡面要比兩只耗電的電機(jī)作用大并且成本低。很多文獻(xiàn)記載中，跟蹤的系統(tǒng)效果充其量也只能比無(wú)跟蹤的系統(tǒng)提高20%多而已。

表1給出了此項(xiàng)觀(guān)測(cè)一系列結(jié)果中，其中一次的具體數(shù)值，列表分項(xiàng)分別為：①入射角(陽(yáng)光投射方向與靶面法線(xiàn)夾角)；②裸讀(即無(wú)聚光鏡時(shí))；③加鏡(有聚光鏡時(shí))；④比值四列數(shù)據(jù)。

表1 定式聚光增益一覽表

圖1 加鏡和無(wú)鏡時(shí)的電流效率曲線(xiàn)

可以看出，當(dāng)入射角從0?變到50?時(shí)，在無(wú)鏡情況下，電流從13.2mA降到7.1mA，降幅為45%；而有了反射鏡以后，其輸出電流不僅一直未見(jiàn)減少，且一度出現(xiàn)比陽(yáng)光直射光電池時(shí)的電流還要高出8.5mA的峰值，增幅達(dá)到了65%，在同一入射角的情況下增幅最高竟達(dá)102%，全域平均增幅80.4%。

55?的監(jiān)測(cè)范圍，已經(jīng)比地球上任何一處的赤緯角變化幅度46.7?高出8?多，完全可以證明前面做出的論述：從全年跨度來(lái)看，固定聚光系統(tǒng)要比任何精密跟蹤系統(tǒng)的效果都更理想、更省錢(qián)是正確的?？梢灶A(yù)測(cè)，一旦人們認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，今后再也不會(huì)在街面上看到光伏路燈(還有光伏紅綠燈等)其上方僅有一塊光伏板孤零零矗立在桿頭，一定會(huì)看到有一面平鏡與光伏板并蒂而生，因?yàn)楸绕鹈勘K上萬(wàn)元的投資，多花幾十元錢(qián)成本安裝一面鏡子就可以多發(fā)一倍的電能，或者直接少用40%的光伏板，而效果絲毫不減。這筆賬是誰(shuí)都能算清楚的。

圖2 單體固定式聚光光伏發(fā)電光路示意圖

以上分析是對(duì)單體、小型光伏設(shè)備而言；而對(duì)大型陣列式光伏發(fā)電工程來(lái)說(shuō)，采用“固定聚光技術(shù)”意義則更為巨大。隨手拈來(lái)任何一個(gè)光伏工程的照片，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在每一排發(fā)電光伏板前后都會(huì)留有很大的間距(緯度越高，間距越大)，這是為了避免前排板面對(duì)后排板面在冬至?xí)r分日照高度在最低時(shí)造成陽(yáng)光遮擋(有冬至?xí)r必須保證板面一天達(dá)到6小時(shí)日照時(shí)間的規(guī)定)。然而這個(gè)間距到了春、夏、秋季節(jié)，太陽(yáng)高度升高了，就會(huì)有大量陽(yáng)光投射其間，起不到能量轉(zhuǎn)化的作用。把這部分陽(yáng)光利用起來(lái)最有效的措施，就是在前排板面頂部到后排板面底部，架設(shè)起平面的反射鏡面(見(jiàn)圖3)，即固定聚光模式的工程化應(yīng)用。由于鏡面是跨接在前排板面的后面，所以冬至?xí)r分不會(huì)對(duì)后排板面起到遮擋作用；隨著時(shí)日變化，太陽(yáng)高度角升高，直接投射到電池面上的陽(yáng)光會(huì)由于入射角增大而越來(lái)越少，然而通過(guò)反射鏡面反射到電池面上的陽(yáng)光反而會(huì)逐漸增多，電池表面接受到的總輻射量并未見(jiàn)減少并且有所增加。此趨勢(shì)至少可以在45?～50?范圍內(nèi)得以維持，這個(gè)范圍已經(jīng)足以令電池表面在全年范圍內(nèi)均衡地發(fā)揮出光電池的良好工作狀態(tài)，徹底消除了平板式光電池固定安裝的余弦效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的終極目標(biāo)。

圖3

當(dāng)然，敷設(shè)鏡面會(huì)增加一些新的開(kāi)銷(xiāo)，但若全面評(píng)估測(cè)算，建設(shè)此類(lèi)固定型聚光陣列電站和同規(guī)模同種類(lèi)(電池)無(wú)聚光光伏電站相比，成本不僅不會(huì)增加，反而會(huì)有所減少。因?yàn)榇祟?lèi)電站采用的僅僅是普通平面鏡，且僅為光電池面積的1～3倍，而普通鏡面比光電池(哪怕是最廉價(jià)的薄膜電池)的成本要低得多。高倍聚光方案1200倍的鏡面用量都沒(méi)有擋住人們的步伐，兩三倍的又算得了什么呢？

由于本方案容許而且必須要讓光伏電池的表面在冬至?xí)r正對(duì)陽(yáng)光，所以它的傾角要比一般固定安裝的電池面(一般是按當(dāng)?shù)鼐暥热≈?要多傾斜23?～28?，這樣就可以節(jié)約20%～25%的光伏組件，并減少18%～20%的占地面積，僅此兩項(xiàng)節(jié)約足以把增置反射鏡的花費(fèi)全部抵銷(xiāo)并仍綽綽有余，所以擔(dān)心固定式聚光電站的成本會(huì)增加是沒(méi)有根據(jù)的。從圖3上下對(duì)比可以看出，間距相同條件下，S1＞S2，L1＞L2。

前面的論述只提到固定聚光鏡可以起到全年提高發(fā)電功率80%之多，但發(fā)電功率的提高幅度并不等同全年發(fā)電量的提高幅度。同樣日照條件下，光伏板上可以得到更多的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，并且肯定還會(huì)帶來(lái)以下兩種效應(yīng)——每一天發(fā)電時(shí)間的延長(zhǎng)和每一年可發(fā)電天數(shù)的增加。以上三種效應(yīng)的疊加，同規(guī)模的電站年發(fā)電量可以提高的不是80%，而有望達(dá)到或超過(guò)100%。按照目前光伏發(fā)電成本已經(jīng)最低為1元/kWh推算，發(fā)電量翻番意味著發(fā)電成本減半，即可以馬上做到0.5元/kWh，實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)。

我們不久前得知工信部發(fā)布規(guī)劃：要支持骨干光伏企業(yè)，使光伏發(fā)電成本在2015年降到0.8元/kWh，2020年降到0.6元/kWh，現(xiàn)在這個(gè)目標(biāo)看來(lái)有點(diǎn)保守。八年抗戰(zhàn)恐怕用不了，骨干企業(yè)努努力，八天就差不多能達(dá)到了。資料介紹有些大企業(yè)10天就可以做一個(gè)10MW的光伏項(xiàng)目，那么做個(gè)幾千瓦級(jí)的小工程幾個(gè)小時(shí)就可以了。不用擔(dān)心因?yàn)樵黾恿绥R面會(huì)對(duì)輸電逆變等造成干擾，相對(duì)光電轉(zhuǎn)化過(guò)程而言，這只是一個(gè)外部因素，其本質(zhì)同給一個(gè)燈泡加上燈罩，地面亮度就增加的道理一樣簡(jiǎn)單，不能想象有了燈罩，會(huì)對(duì)燈頭的工作造成什么負(fù)面影響。同是為了一個(gè)把單位組件輸出增加一倍的目的，骨干企業(yè)可以選擇投入幾百億苦勞七八年去創(chuàng)造新的光伏電池，也可以選擇在組件前加面鏡子，把近在咫尺浪費(fèi)掉的大好陽(yáng)光頃刻轉(zhuǎn)化為囊中的真金白銀；非骨干企業(yè)只要手握0.5元/kWh的成本優(yōu)勢(shì)和雄心，完全可以在缺電地區(qū)去搶灘民用市場(chǎng)，和同價(jià)位但卻為排碳元兇的火電一拼高下。都說(shuō)光伏業(yè)寒冬已至，應(yīng)對(duì)寒冬借來(lái)第二綹陽(yáng)光也許是很有用的。以上論述有欠妥之處請(qǐng)專(zhuān)家指正。

注：

1、接知識(shí)產(chǎn)權(quán)局通知，編號(hào)為201120394232.1的實(shí)用新型專(zhuān)利申請(qǐng)已授予專(zhuān)利權(quán)，并成為北京發(fā)明協(xié)會(huì)舉辦的2011年度北京市發(fā)明比賽獲獎(jiǎng)項(xiàng)目。

2、測(cè)試組件為: 3cm×6cm非晶硅薄膜電池。