非對(duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)——光伏組件功率倍增器的研究及應(yīng)用

杰華太陽(yáng)能研究所 ■ 李杰吾肖孚松

非對(duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)——光伏組件功率倍增器的研究及應(yīng)用

杰華太陽(yáng)能研究所 ■ 李杰吾*肖孚松

“聚光光伏”是完全可進(jìn)一步降低光伏電力成本的技術(shù)路線，但必須解決3個(gè)問題：應(yīng)以質(zhì)好價(jià)廉的光伏組件為聚光對(duì)象；充分利用價(jià)廉物美的聚光鏡進(jìn)行均勻聚光；發(fā)明一種可靠、廉價(jià)且免維護(hù)的二維精確對(duì)日跟蹤系統(tǒng)。研制了一種非對(duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)解決了以上問題，稱為“光伏組件功率倍增器”；本文詳細(xì)介紹該系統(tǒng)具備的核心技術(shù)，從總增益和產(chǎn)業(yè)化成本分析可知，隨著光伏組件效率的提高，該系統(tǒng)的降本優(yōu)勢(shì)會(huì)越來越大。

非對(duì)稱聚光；免維護(hù)二維精確跟蹤；光伏組件功率倍增器

0　引言

光伏發(fā)電以其清潔環(huán)保且潛力無限備受人們關(guān)注，如何提高光電轉(zhuǎn)換效率、降低成本是研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵。當(dāng)前，光伏發(fā)電系統(tǒng)主要采用電池板固定的太陽(yáng)能采集方式(固定式光伏系統(tǒng))，具有材料浪費(fèi)、設(shè)備利用率較低、成本高和資金回收期長(zhǎng)等缺點(diǎn)［1,2］?；诖?，我們一直致力于通過聚光跟蹤技術(shù)來降低光伏成本的研究，將熱銷的晶體硅組件與聚光跟蹤技術(shù)相結(jié)合，發(fā)明了非對(duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)——光伏組件功率倍增器，可使聚光跟蹤光伏組件的功率加倍擴(kuò)大，使聚光光伏系統(tǒng)比固定式光伏系統(tǒng)的成本再降19.7%～34.7%，成為最早實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)的光伏系統(tǒng)。

1　非對(duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)及其5項(xiàng)核心技術(shù)

《非對(duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)》［3］于2010年獲得國(guó)家發(fā)明專利，包含以下5項(xiàng)核心技術(shù)。

1.1獨(dú)特簡(jiǎn)潔而可靠的二維對(duì)日自動(dòng)跟蹤技術(shù)

與世界各國(guó)以電子技術(shù)為主的二維跟蹤技術(shù)不同，我們經(jīng)過多年深入研究，結(jié)合天文物理學(xué)日地相對(duì)運(yùn)行規(guī)律，得出最簡(jiǎn)潔的二維對(duì)日精確跟蹤理論，提出將兩個(gè)軸的跟蹤巧妙相結(jié)合的技術(shù)方案，成功研制出只需1個(gè)電機(jī)、1個(gè)簡(jiǎn)單的電子控制器、1套機(jī)械裝置就能使聚光光伏組件隨時(shí)精確正對(duì)太陽(yáng)的二維同步跟蹤系統(tǒng)。當(dāng)電網(wǎng)停電而使跟蹤出現(xiàn)偏差時(shí)，可通過衛(wèi)星傳感系統(tǒng)自動(dòng)糾錯(cuò)，確保聚光組件仍垂直對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，跟蹤增益達(dá)到37%，成為一種可靠而免維護(hù)的技術(shù)。

通過采集多臺(tái)樣機(jī)幾年的運(yùn)行數(shù)據(jù)，可得到以下結(jié)論：

1)二維跟蹤理論。日軸：勻速圓周運(yùn)動(dòng)；季軸：θ=θ0sin2πX/M，其中，M為常數(shù)，θ0為初始角度；θ為對(duì)應(yīng)某天數(shù)X的季軸旋轉(zhuǎn)角。

2)跟蹤精度：日軸介于 -0.01°～0.01°，季軸介于 -0.1°～0.1°(雙軸同步)。

3)跟蹤耗電量 ≤ 0.7%(本機(jī)發(fā)電量)。

4)二維跟蹤器成本 ≤1.2元/W。

5)防災(zāi)能力：9級(jí)風(fēng)情況下、雷雨天、沙塵暴、嚴(yán)寒酷暑、下雪天皆可照常跟蹤。

6)維護(hù)情況：無需專人維護(hù)，每年使用潤(rùn)滑劑維護(hù)一次即可。

1.2非對(duì)稱二倍聚光技術(shù)

設(shè)計(jì)的非對(duì)稱聚光的光學(xué)公式如下：

式中，a、b分別為組件、聚光鏡的寬；α為組件與聚光鏡之間的夾角。

對(duì)光伏組件進(jìn)行二倍聚光的優(yōu)勢(shì)為：1)以各大光伏企業(yè)都在生產(chǎn)的大型光伏組件為聚光對(duì)象，既保證了組件質(zhì)量過硬、低成本的優(yōu)勢(shì)，又可進(jìn)一步提高其發(fā)電能力，并降低系統(tǒng)成本；2)二倍聚光下組件的溫升很低，可在不安裝散熱器的情況下，保證組件運(yùn)行25年；3)二倍聚光使用的聚光鏡為市場(chǎng)隨處可見的平面鏡，質(zhì)好價(jià)廉、使用壽命長(zhǎng)，聚光鏡的成本只是光伏組件的1/6，而增加的發(fā)電量卻比光伏組件多50%以上。

將對(duì)稱聚光改進(jìn)為非對(duì)稱聚光，增加的功能為：1)增大了對(duì)正面風(fēng)的分流，使整機(jī)抗風(fēng)能力增強(qiáng)，在9級(jí)大風(fēng)的情況下，整機(jī)自動(dòng)跟蹤仍可繼續(xù)進(jìn)行，而機(jī)架不必過分粗笨；2)整機(jī)所占空間比對(duì)稱聚光時(shí)要小，相對(duì)節(jié)省土地面積；3)可獲得約25%的散射陽(yáng)光；4)在光伏組件上的聚光很均勻。

1.3電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角的精密控制技術(shù)

已有的步進(jìn)電機(jī)可對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角進(jìn)行精密控制，但成本較高，且自耗電量過大。本文研制的非對(duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)的微電機(jī)步進(jìn)式控制系統(tǒng)耗電量只有其1/10，成本約為1/3。

1.4可調(diào)式固定支架技術(shù)

為確保聚光跟蹤的準(zhǔn)確性，研制了傾角可調(diào)的立柱式固定支架，可確保工作人員在架設(shè)一臺(tái)新的聚光光伏系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)說明書的安裝步驟，只需定好傾角即可安裝成功，順利進(jìn)入長(zhǎng)期穩(wěn)定的聚光跟蹤發(fā)電狀態(tài)。

1.5衛(wèi)星對(duì)跟蹤的精確控制與自動(dòng)糾錯(cuò)技術(shù)

衛(wèi)星對(duì)跟蹤的精確控制與自動(dòng)糾錯(cuò)技術(shù)確保該系統(tǒng)在電網(wǎng)停電后再恢復(fù)供電時(shí)，能保持精確垂直正對(duì)太陽(yáng)的跟蹤狀態(tài)。

2　非對(duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)的總增益

2.1理論計(jì)算總增益

聚光光伏系統(tǒng)與固定光伏系統(tǒng)相比，發(fā)電量的提高受以下因素的影響：聚光增益、跟蹤增益、聚光下光伏組件自身光電轉(zhuǎn)換效率增益，以及組件因溫升引起的功率下降。非對(duì)稱聚光光伏系統(tǒng)的總增益Z的計(jì)算為：

式中，Z1為聚光增益；Z2為跟蹤增益；Z3為光伏組件的轉(zhuǎn)換效率增益；Z4為由于溫升引起的光伏組件輸出功率的下降率。

以下以太陽(yáng)能較豐富地區(qū)為例。

2.1.1聚光增益Z1

因太陽(yáng)電池的短路電流Isc與入射光強(qiáng)成正比，當(dāng)幾何聚光倍數(shù)取2.1時(shí)，如圖1所示，陽(yáng)光垂直入射到光伏組件上，其寬度設(shè)為1，而垂直陽(yáng)光對(duì)大、小反射鏡的投影寬度分別是組件寬度的0.7與0.4，必須保證大、小反射鏡獲得的陽(yáng)光均勻反射到光伏組件上。

圖1　非對(duì)稱聚光示意圖

在陽(yáng)光較豐富的地區(qū)，陽(yáng)光的直射成分占55%，散射成分占45%。這種地區(qū)的聚光增益Z1為：

以上計(jì)算中，0.84為直射陽(yáng)光經(jīng)反射后到達(dá)組件的比值；0.25為非對(duì)稱聚光可利用的散射陽(yáng)光的最小比例；0.89為光伏組件能吸收的比值。

1.562與實(shí)測(cè)值吻合。

2.1.2跟蹤增益Z2

參照文獻(xiàn)［4］，再根據(jù)美國(guó)一氣象臺(tái)站30年對(duì)各種跟蹤模式的實(shí)測(cè)記錄，二維精確跟蹤與傾緯度角固定架設(shè)的組件相比，跟蹤增益Z2應(yīng)為1.369，考慮早晚存在一定遮擋，取Z2=1.35較為合適。

2.1.3光伏組件的轉(zhuǎn)換效率增益Z3

以下為光伏組件在聚光2.1倍、Z1=1.562時(shí)，提高光伏組件轉(zhuǎn)換效率η的計(jì)算。

根據(jù)定義，太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率為：

式中，F(xiàn)F為填充因子；Isc為短路電流；Voc為開路電壓；Pin為入射光輻照度。

太陽(yáng)電池是一種對(duì)溫度極為敏感的半導(dǎo)體器件，溫度影響著組件的輸出功率。此處只討論入射光輻照度Pin對(duì)轉(zhuǎn)換效率η的影響。

對(duì)于太陽(yáng)電池的性能，假定FF不發(fā)生變化，隨著Pin的增加，Isc直線增加，Voc按對(duì)數(shù)增加，變化量很小，但η有所提高。然而實(shí)際上，由于光照強(qiáng)度增加時(shí)元件的串聯(lián)電阻效應(yīng)變大，導(dǎo)致一般填充因子會(huì)降低［5］。圖2為太陽(yáng)電池的開路電壓、填充因子和轉(zhuǎn)換效率與入射光輻照度的關(guān)系圖［5］。

圖2　太陽(yáng)電池的開路電壓、填充因子和轉(zhuǎn)換效率與入射光輻照度的關(guān)系

由圖2可知，當(dāng)Pin逐漸增強(qiáng)時(shí)，Voc按對(duì)數(shù)平穩(wěn)增加；FF先基本平穩(wěn)，超過0.2 W/cm2后下降較快；η受Voc與FF的雙重影響，在0.2 W/cm2前有所提高，之后開始下降。這表明實(shí)際到達(dá)太陽(yáng)電池的入射光輻照度超過兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)，F(xiàn)F、η都會(huì)下降。

式中，n為曲線因子，1＜n＜2；T為絕對(duì)溫度，K；k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J/K；q為電子電荷，q=1.602×10-19C；Iph為光生電流；I0為二極管反向飽和電流。

在2.1倍聚光下，實(shí)際到達(dá)組件的入射光輻照度仍小于兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)，Iph=1.562Iph，當(dāng)溫度不變時(shí)：

將Voc=0.618 V、n=1.5、T=298 K代入式(5)、式(6)得，V′oc=0.635 V。

當(dāng)FF與Isc/Pin保持不變時(shí)，η∝Voc。

當(dāng)效率從18%提高到18.5%時(shí)，提高比值為1.0278，故在2.1倍聚光下，光伏組件的轉(zhuǎn)換效率增益Z3=1.0278，相當(dāng)于晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率從18%提高到18.5%的比值。

2.1.4由于溫升引起的光伏組件輸出功率的下降率Z4

非對(duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)應(yīng)用于包頭地區(qū)，已并網(wǎng)發(fā)電正常運(yùn)行3年多。測(cè)得光伏組件的最低溫度為-19 ℃，最高溫度為90 ℃，年均溫度為35.5 ℃。該溫度比光伏組件測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度25 ℃高出10.5 ℃，而晶硅光伏組件的峰值功率溫度系數(shù)為-0.42%/℃，故光伏組件年均峰值功率的下降率Z4=1-0.42%/℃×10.5 ℃=0.956。

若在熱帶地區(qū)，2.1倍聚光下的年均組件溫升會(huì)達(dá)到20 ℃，會(huì)使Z4降為0.916；而在接近寒帶的加拿大、俄羅斯、阿拉斯加、北歐等地區(qū)，年均溫升可能為2 ℃，甚至為負(fù)值，會(huì)使Z4變?yōu)?.992，甚至大于1。

根據(jù)式(2)，可得出在聚光2.1倍且保證二維精確跟蹤的情況下，光伏組件年均總增益Z=2.072。

2.2光伏系統(tǒng)日發(fā)電量實(shí)測(cè)情況

實(shí)測(cè)地點(diǎn)：包頭市昆區(qū)房地產(chǎn)開發(fā)公司6樓樓頂，兩種組件分別與市電網(wǎng)并網(wǎng)。

平板式：195 Wp多晶硅組件，以傾緯度向正南固定架設(shè)。

聚光式：195 Wp多晶硅組件，裝在非對(duì)稱聚光跟蹤系統(tǒng)中。

光伏系統(tǒng)日發(fā)電量實(shí)測(cè)對(duì)比記錄見表1，其中，2014年冬至前后1個(gè)多月，每天讀取電表時(shí)間為8∶00；11月21日，記錄者出差1個(gè)月，期間兩種組件并網(wǎng)發(fā)電與聚光跟蹤完全正常。由表1可知，冬至前后(11月19日～12月26日)聚光式組件比固定式組件發(fā)電量的提高倍數(shù)平均值為：

(358.38-303.46)/(282.01-254.01)=1.961倍

表1　聚光式與固定式發(fā)電量記錄表

按以上相同方法，可得2016年夏至前后21天檢測(cè)的平均值為：

(88.56-73.60)/(41.94-35.25)=2.236倍

其中，6月14日曾遭遇一次雷雨大風(fēng)與蠶豆大的冰雹襲擊，聚光光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電與跟蹤精度都未受到影響。

將冬至與夏至前后的平均值再平均，得到：

(1.961+2.236)/2=2.099倍

同時(shí)，包頭市產(chǎn)品質(zhì)量計(jì)量檢測(cè)所在2016年5月11日做出的檢測(cè)結(jié)果為：聚光式比固定式光伏組件的日發(fā)電量提高2.14倍。該值與冬至夏至前后的平均值2.099倍，都略高于Z=2.072倍這個(gè)理論值，故在后續(xù)計(jì)算中，以理論值2.072作為全年平均值更合適。

2.3增大聚光倍數(shù)對(duì)增益的影響

經(jīng)過幾年的思考和實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)如果聚光倍數(shù)增大為2.2可能帶來3個(gè)方面的不利因素：

1) 反射鏡長(zhǎng)將增加至1.7 m，整機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)空間與占地面積都將增大約10%，且反射鏡的邊角廢料增多，不經(jīng)濟(jì)。

2) 2.2倍聚光引起的溫升，在熱帶沙漠中光伏組件的最高溫度可能會(huì)接近110 ℃，逼近太陽(yáng)電池p-n結(jié)允許的最高溫度120 ℃。而2.1倍聚光時(shí)最高組件溫度約為100 ℃，對(duì)太陽(yáng)電池的壽命影響較小。樣機(jī)在陽(yáng)光下并網(wǎng)發(fā)電已3年多，光伏組件無任何損壞，輸出電功率與年發(fā)電量的衰減在1.1%之內(nèi)，與不聚光的固定光伏組件差異不大。

3) 2.2倍的聚光會(huì)使年平均溫升略有提高，Z4減少；對(duì)溫度非常敏感的太陽(yáng)電池Io明顯增大，Voc減?。淮送馐艽?lián)電阻的影響，促使填充因子明顯下降，致使η降低，增益Z3可能小于1，總增益Z不一定超過聚光2.1倍時(shí)的總增益。

綜上所述，選擇聚光2.1倍是常規(guī)太陽(yáng)電池理論與實(shí)踐得到的最為理想的結(jié)果。而確?？傇鲆娲笥?的核心技術(shù)是精確而廉價(jià)的二維同步跟蹤與組件獲得的反射均勻聚光以及自然風(fēng)冷，“均勻”對(duì)填充因子是關(guān)鍵。這能使現(xiàn)有的及之后效率越來越高的常規(guī)光伏組件，在不安裝散熱裝置且保證25年壽命的前提下，獲得年發(fā)電量提高2倍的優(yōu)勢(shì)，從而達(dá)到大幅降低光伏電力成本的目的。

3　非對(duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化成本

以當(dāng)前市售的大型多晶硅光伏組件320 Wp(組件效率為16.5%)2塊為基礎(chǔ)制成的非對(duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)為例，其單臺(tái)年發(fā)電量應(yīng)與峰功率為1326 Wp的固定式光伏系統(tǒng)相同。

根據(jù)2015年對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)調(diào)查的結(jié)果，單晶硅、多晶硅組件的平均成本約為3元/Wp。以傾緯度角固定安裝時(shí)的支架與接插件平均按0.46元/Wp，人工平地、水泥固定、安裝按0.9元/ Wp計(jì)算。

圖3　運(yùn)行中的非對(duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)

以1萬(wàn)臺(tái)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化批量計(jì)算：反射鏡為380元/臺(tái)，跟蹤裝置為920元/臺(tái)，機(jī)架為760元/臺(tái)，安裝人工費(fèi)665元/臺(tái)，則：

單臺(tái)非對(duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)的生產(chǎn)與安裝成本為320×2×3+380+920+760+665=4645元；

年發(fā)電量相同的固定光伏系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)成本為：1326×(3+0.46+0.9)=5781元。

由此可知，聚光光伏系統(tǒng)比固定光伏系統(tǒng)的成本下降了19.7%。

4　非對(duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)優(yōu)勢(shì)

隨著晶體硅電池與薄膜電池光電轉(zhuǎn)換效率的逐年提高與成本的進(jìn)一步降低，再討論非對(duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)是否還具有成本優(yōu)勢(shì)。

1)當(dāng)HIT光伏組件的效率提高到24.5%、成本降到2.9元/Wp時(shí)，聚光系統(tǒng)中使用的320 Wp組件(效率為16.5%)變?yōu)?75.15 Wp；單臺(tái)聚光光伏系統(tǒng)在體積不變的情況下，相應(yīng)功率就會(huì)從1326 Wp變?yōu)?969 Wp，則：

單臺(tái)聚光系統(tǒng)成本為475.15×2×2.9+2725=5481元；相同發(fā)電量的固定光伏系統(tǒng)成本為1969×(2.9+0.46+0.9)=8388元。

兩者相比，聚光光伏系統(tǒng)成本下降了34.7%。

聚光光伏系統(tǒng)成本從19.7%降為34.7%，說明聚光光伏系統(tǒng)的降本優(yōu)勢(shì)大幅提升。

2)以成本最低的多晶硅組件為例。若干年后假設(shè)多晶硅組件的光電轉(zhuǎn)換效率從目前的16.5%提高到22%，成本從3元/Wp降至2元/Wp，配套的固定支架、接插線與人工平地、水泥固定、安裝的成本從1.36元/Wp降至1.26元/Wp，這時(shí)比較兩種系統(tǒng)。

多晶硅組件在尺寸不變的情況下，功率變?yōu)?27 Wp，則：

單臺(tái)聚光光伏系統(tǒng)總功率變?yōu)?27×2×2.072=1769 Wp；固定系統(tǒng)成本變?yōu)?769×(2.0+1.26)=5767元；聚光系統(tǒng)成本變?yōu)?27×2×2+2725=4433元。

兩者相比，聚光式比固定式成本降低了23.1%。

綜上所述，當(dāng)多晶硅組件的成本降至2元/ Wp時(shí)，由于光電轉(zhuǎn)換率從16.5%提高到22%，使對(duì)應(yīng)的聚光光伏系統(tǒng)的成本還會(huì)比固定式再降23.1%，比當(dāng)前的19.7%降的更多。因?yàn)榉菍?duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)就是一臺(tái)“光伏組件功率倍增器”，它本身的聚光跟蹤成本沒有發(fā)生變化，而隨著組件效率的提高，它能翻倍擴(kuò)大優(yōu)勢(shì)，更大幅度地降低光伏系統(tǒng)成本，這種優(yōu)勢(shì)將會(huì)長(zhǎng)遠(yuǎn)存在。

5　關(guān)于占地問題

需要特別強(qiáng)調(diào)的是，聚光跟蹤光伏系統(tǒng)在陽(yáng)光下不會(huì)形成固定的陰影，無需像固定式光伏系統(tǒng)那樣大面積征地；在山坡、屋頂、戈壁灘和草原、農(nóng)田與魚塘上處處可以架設(shè)，非常

方便。一臺(tái)聚光跟蹤光伏系統(tǒng)就是一個(gè)獨(dú)立的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，多臺(tái)沿公路鐵路兩旁架設(shè)就能形成中大型聚光光伏并網(wǎng)電站，完全可與農(nóng)牧漁林業(yè)和諧規(guī)劃，互相促進(jìn)、共同發(fā)展。

6　結(jié)論

非對(duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)可以更充分、更有效的將陽(yáng)光變成電能，將成為新一代光伏產(chǎn)品之一而被人們所接受。其中的核心技術(shù)為：我們用30多年的艱辛探索，終于解決了可靠、廉價(jià)而免維護(hù)二維精確自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)這一難題；而可靠的跟蹤才使得簡(jiǎn)單的聚光器大幅提高光伏組件發(fā)電量成為可能，且這種提高會(huì)隨著組件效率的提高而相得益彰。

［1］張海燕. 基于平面鏡反射的聚光光伏系統(tǒng)及研究［D］. 安徽：合肥工業(yè)大學(xué), 2012.

［2］江華. 我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展回顧與展望［J］. 太陽(yáng)能, 2015, (10)∶9－11.

［3］李杰吾, 鄒敏, 李湘, 等. 非對(duì)稱聚光跟蹤光伏系統(tǒng)［P］. 中國(guó)∶ CN101478266, 2009-07-08.

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［5］(日)高橋清(著)； 田小平(譯). 太陽(yáng)光發(fā)電［M］. 北京∶ 新時(shí)代出版社, 1987.

2016-03-02

李杰吾(1941—)，男，教授，主要從事聚光光伏方面的研究。ljw2015569@sina.com