屋頂型聚光光伏系統(tǒng)

■ 穆 杰,夏宏宇,仲 琳,3

（1. 天津藍(lán)天太陽科技有限公司；2. 天津電源研究所；3. 華北電力大學(xué)）

一 技術(shù)簡介

聚光光伏(CPV)，是指利用菲涅爾透鏡等光學(xué)器件，將太陽光匯聚到一個面積很小但效率很高的太陽電池上，再轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。通過大幅提高單位面積的太陽輻射強度，降低了電池材料的使用量，提高了系統(tǒng)的輸出功率，進(jìn)而降低了發(fā)電成本。CPV技術(shù)作為新一代的光伏發(fā)電技術(shù)，同傳統(tǒng)光伏技術(shù)相比，在光電轉(zhuǎn)換效率上有著無可比擬的優(yōu)勢，理論效率可達(dá)70%以上；在降低成本上，隨著技術(shù)的成熟和產(chǎn)能的擴大，非常具有潛力。

圖1 聚光光伏原理結(jié)構(gòu)示意圖

將CPV技術(shù)應(yīng)用于太陽能屋頂，即屋頂型聚光光伏系統(tǒng)(屋頂CPV)是針對目前快速發(fā)展的分布式光伏發(fā)電技術(shù)而來。以往設(shè)計的CPV系統(tǒng)主要針對大型并網(wǎng)光伏電站，無論是占地面積，還是系統(tǒng)自重都不適用于普通建筑物屋頂?shù)沫h(huán)境。在面積尺寸和承載力有限的屋頂，配置結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)布局都經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的屋頂CPV具有一定優(yōu)勢。其靜態(tài)載荷通常低于30kg/m2，普遍適用于大部分工業(yè)和商業(yè)建筑的屋頂；系統(tǒng)光電效率大于25%，極大提高了單位屋頂面積的電能產(chǎn)出。屋頂 CPV與屋頂 PV(晶硅光伏系統(tǒng))性能比較見表1。

表1 屋頂 CPV與屋頂 PV(晶硅光伏系統(tǒng))比較

二 國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展

1 美國 Soliant

組件采用1000倍聚光技術(shù)，一體化注塑成型工藝；采用雙軸Tip-Tilt跟蹤系統(tǒng)，跟蹤精度0.1?，最小高度0.76m，低風(fēng)剖面設(shè)計，最大抗風(fēng)208km/h。單位面積重量9～24kg/m2。由于組件采用了獨特的專利設(shè)計，可最大限度增加系統(tǒng)排布密度，減小陰影遮擋對系統(tǒng)發(fā)電功率的影響。適用于面積有限的屋頂。

2 美國 Energy Innovations

圖2 美國Soliant屋頂CPV光伏系統(tǒng)照片

圖3 美國Soliant屋頂CPV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 美國Energy Innovations屋頂聚光光伏系統(tǒng)

組件效率30%，1200倍聚光，接受角容差±0.9?，單位重量小于19kg/m2，平均高度0.7m，微型雙軸跟蹤器，跟蹤精度0.3?，無線數(shù)據(jù)監(jiān)控，最大抗風(fēng)145km/h，采用微型逆變器，可減小遮擋和組件功率不匹配造成的功率衰減?？捎糜谖蓓敽屯＼噲觥?/p>

3 俄羅斯 Ioffe

俄羅斯科學(xué)院Ioffe物理技術(shù)研究所，創(chuàng)建于1918年。下設(shè)的光伏實驗室于1969～1970年開發(fā)出三結(jié)砷化鎵太陽電池，1999年，成功開發(fā)出第一套屋頂型聚光光伏系統(tǒng)。組件面積0.5m2，厚度7cm，采用288片三結(jié)砷化鎵電池，800倍聚光，電池效率超過37%，光學(xué)效率87%。單機功率最大可達(dá)10kW。

圖5 俄羅斯Ioffe研究所屋頂型聚光光伏系統(tǒng)

4 中國藍(lán)天太陽

藍(lán)天太陽繼承了中國電科十八所30多年的太陽能光伏產(chǎn)品研究制造的成果和經(jīng)驗，是集太陽電池外延、器件、封裝、組件、系統(tǒng)集成，即整條太陽能產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)制造能力于一身的高新技術(shù)企業(yè)。已申請及授權(quán)相關(guān)專利50余項。藍(lán)天太陽的屋頂型聚光組件為500倍聚光，光電轉(zhuǎn)換效率大于25%，接收角容差±0.5?，厚度只有15cm，單位面積重量15kg/m2。系統(tǒng)跟蹤精度0.1?～0.2?，根據(jù)屋頂尺寸可柔性設(shè)計組串?dāng)?shù)量和跟蹤器排布，抗風(fēng)能力達(dá)到13級。安裝1MW系統(tǒng)，只需10個人，1個星期。

以上選取了國內(nèi)外典型的幾家聚光光伏企業(yè)研究開發(fā)的屋頂 CPV系統(tǒng)進(jìn)展情況，比較結(jié)果見表2。

圖6 藍(lán)天太陽屋頂型聚光光伏系統(tǒng)

表2 國內(nèi)外屋頂型聚光光伏系統(tǒng)比較

三 可行性分析

1 技術(shù)

現(xiàn)有的光伏屋頂多采用單晶硅和多晶硅或薄膜技術(shù)，光電轉(zhuǎn)換效率理論值是18%，與平板太陽能屋頂系統(tǒng)相比，屋頂型聚光光伏系統(tǒng)可最大化單位屋頂面積的電能產(chǎn)出，效率可達(dá)25%以上。由Green Earth Technology Service提供的Energy Innovations某項目51kWp系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)為例，如表3所示。同樣功率的系統(tǒng)，Rooftop CPV比PV多發(fā)電48%，而占地面積只有PV的75%。

表3 屋頂 CPV與PV系統(tǒng)發(fā)電量及占地面積比較

一些工業(yè)屋頂采用瓦楞彩鋼板結(jié)構(gòu)，載荷能力在50kg/m2以上，商業(yè)及一般建筑物的大部分屋頂承重都在100kg/m2以上。國內(nèi)外常見的幾種屋頂CPV系統(tǒng)，高度一般都不會超過女兒墻，單位面積重量都小于30kg/m2。屋頂CPV的動態(tài)或靜態(tài)載荷可滿足大部分屋頂?shù)某兄匾蟆?/p>

圖8 十二級風(fēng)條件下屋頂 CPV的動態(tài)載荷仿真

系統(tǒng)設(shè)計上可以采用PVsyst進(jìn)行建模仿真，大部分常見的屋頂 CPV系統(tǒng)都可采用“Two axis,frame EW”這個模型。設(shè)置好組串、跟蹤極限角度、跟蹤器排布、遮擋物后，即可以進(jìn)行陰影遮擋的仿真。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)和屋頂可利用面積再進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

一般的光伏系統(tǒng)在受到周圍物體遮擋時，同一個組串的陰影區(qū)與光照區(qū)電池板的電流差異會導(dǎo)致該組串的輸出功率大幅下降。根據(jù)美國國家半導(dǎo)體的試驗統(tǒng)計，遮擋10%的面積，會造成50%的發(fā)電量損失。而屋頂CPV在組件內(nèi)部電池片的串并聯(lián)電路上，以及組件之間的組串排布上都進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，如Soliant的專利設(shè)計(《包括一個或多個耐陰性不限方案的太陽能系統(tǒng)》，專利號：PCT/US2009/003051)，其組件內(nèi)部的電池片采用了S型串并聯(lián)方式；另外一種如Energy Innovations采用的微型逆變器方式，每5個組件連接一臺410Vdc的微型逆變器，作為一個獨立的子系統(tǒng)，局部遮擋不會對整體造成嚴(yán)重影響；藍(lán)天太陽采用的是分布式MPPT電源優(yōu)化器方式，每塊聚光光伏組件連接一塊電源優(yōu)化器，電源優(yōu)化器以間接的方式互聯(lián)相通，自動檢測電壓電流，并進(jìn)行調(diào)整。以上幾種方式都極大的避免或減小了陰影遮擋對系統(tǒng)功率輸出的影響。

圖9 應(yīng)對陰影遮擋影響的優(yōu)化設(shè)計

2 政策

《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》提出，未來5年內(nèi)屋頂太陽能裝機規(guī)模目標(biāo)為300萬kW，到2020年規(guī)?？蛇_(dá)2500萬kW，在目前30萬kW基礎(chǔ)上增長80多倍，占太陽能發(fā)電中長期目標(biāo)的半壁江山。近一年多以來，我國光伏產(chǎn)業(yè)嚴(yán)重依賴國外市場的風(fēng)險在歐美“雙反”時暴露無遺。為挽救我國光伏產(chǎn)業(yè)，國家2012年以來連續(xù)出臺政策支持分布式光伏發(fā)電發(fā)展。國家公布的相關(guān)規(guī)劃提出，2015年分布式光伏發(fā)電要達(dá)到1000萬kW，比“十二五”規(guī)劃提高了700萬kW。同時，明確提出鼓勵在中東部地區(qū)建設(shè)與建筑結(jié)合的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。

國家發(fā)改委、國家能源局、國家電網(wǎng)等相繼頒布鼓勵分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電政策，這些政策制定了光伏電站分區(qū)域上網(wǎng)標(biāo)桿電價，擴大了可再生能源基金規(guī)模，保障了分布式光伏發(fā)電按電量補貼的資金及時發(fā)放到位，激發(fā)了國內(nèi)市場有效需求，推動了產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新升級。政策鼓勵個人發(fā)電并網(wǎng)，發(fā)電量可以自用，電網(wǎng)免費提供接入系統(tǒng)方案制定、并網(wǎng)檢測、調(diào)試全過程服務(wù)等多項利好措施；同時，不收取費用，允許富余電力上網(wǎng)，政府也會給予一定的光伏補貼。相比過去，政策上更具有可操作性，規(guī)避了投機行為，對一般用戶的吸引力更高。

國家對國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)，保持了政策連續(xù)性。屋頂型聚光光伏系統(tǒng)正是適應(yīng)了有關(guān)產(chǎn)業(yè)促進(jìn)政策，因此有著廣闊的發(fā)展前景。

3 市場

屋頂CPV作為一種新型的光伏應(yīng)用，需要先經(jīng)過產(chǎn)品開發(fā)，試驗和驗證，再從小批量的試驗性生產(chǎn)逐漸過渡到大批量的商業(yè)化生產(chǎn)。這個過程中，技術(shù)的創(chuàng)新，市場的需求，供應(yīng)鏈的成熟，投資成本的可控等因素起到了重要作用。該產(chǎn)品最終能否被市場所認(rèn)可，取決于幾個方面：

(1)規(guī)?；a(chǎn)的建立。屋頂CPV所采用的太陽電池為三結(jié)(或多結(jié))砷化鎵太陽電池，消耗材料少，成本低。據(jù)測算，同等發(fā)電量原電池體積只須硅電池的千分之一，只要達(dá)到硅電池百分之一的產(chǎn)能，就可使二者的成本相當(dāng)。在目前硅電池，產(chǎn)能達(dá)到幾十GW的情況下，聚光光伏產(chǎn)能仍處于小批量生產(chǎn)階段，所以現(xiàn)階段屋頂CPV產(chǎn)品的價格相比普通PV產(chǎn)品仍然偏高。相信隨著聚光光伏產(chǎn)能的不斷擴大，屋頂CPV很快會實現(xiàn)電能平價上網(wǎng)的目標(biāo)。

(2)資本市場的投入。聚光光伏企業(yè)需要吸引資本投入來實現(xiàn)規(guī)模擴大和快速成長。正如近幾年多晶硅投資的瘋狂增長，加速了光伏市場的過剩風(fēng)險，增加資本積累對于目前市場競爭來說也是充滿挑戰(zhàn)性的。正如多數(shù)市場分析師預(yù)測的一樣，像屋頂CPV這樣具有競爭力的技術(shù)，在未來幾年內(nèi)會處于有利位置。

(3)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新。屋頂CPV的主要技術(shù)方向分為組件、跟蹤器、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等幾方面。目前商業(yè)化的聚光光伏組件效率最高可達(dá)34%，預(yù)計到2020年聚光電池效率將達(dá)到50.4%，電池效率提高可以在不增加材料成本的前提下，大大提高組件的額定功率。根據(jù)近年來的統(tǒng)計結(jié)果，相關(guān)技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新，平均每年可提供成本的下降通道達(dá)到10%以上。

(4)產(chǎn)業(yè)鏈的不斷完善。全球化帶來了美國和德國的聚光電池、光路設(shè)計、菲尼爾透鏡、硅膠、跟蹤器。開發(fā)者們只需要將他們組裝起來，就能完成一套聚光光伏系統(tǒng)。為了適應(yīng)市場需要，若干有實力的企業(yè)采取了產(chǎn)業(yè)鏈垂直一體化整合的方式進(jìn)一步降低成本。

國際市場方面，無論是利用已有建筑加裝屋頂電站，還是光伏光電建筑一體化，近年來，隨著國際上有關(guān)政策支持力度的進(jìn)一步加大，屋頂光伏電站正逐漸走進(jìn)城市，在為市民生活提供綠色能源的同時，也被業(yè)界視為未來城市光伏利用的方向。圖1 0為《美國屋頂光伏市場模型報告》(Modeling the U.S. Rooftop Photovoltaic’s Market)提供的屋頂型光伏系統(tǒng)的累計安裝量和未來裝機量的預(yù)測。

圖10 美國屋頂型光伏市場累計裝機量及預(yù)測

國內(nèi)市場方面，2008年左右，隨著聚光光伏技術(shù)的突破，部分企業(yè)加快發(fā)展引入國外技術(shù)和產(chǎn)品，市場逐漸起步，全國范圍內(nèi)開始建設(shè)小型示范電站；越來越多企業(yè)通過產(chǎn)品認(rèn)證，獲得市場認(rèn)可。隨著國家對分布式光伏發(fā)電的各種政策的刺激，極大的促進(jìn)了用戶安裝屋頂型光伏系統(tǒng)的積極性。屋頂CPV因為占用屋頂面積小，光電轉(zhuǎn)換效率高，壽命期間的平準(zhǔn)化電力成本低，安裝使用維護(hù)簡單。因此應(yīng)用在商業(yè)、工業(yè)、政府和公共建筑的屋頂，將是理想的光伏建筑一體化發(fā)電方式。隨著用戶的不斷了解和逐漸認(rèn)可，聚光光伏企業(yè)的成本下降和產(chǎn)品推廣，將會有更多的屋頂CPV示范項目實施。屋頂CPV必將占據(jù)相當(dāng)?shù)氖袌龇蓊~，預(yù)計未來兩三年內(nèi)累計安裝項目有望達(dá)到80～100MW。

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