聚光光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀淺析

歐 惠，徐順建，肖宗湖，羅永平，鐘 煒

(新余學(xué)院新余新能源研究所，江西新余338004)

聚光光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀淺析

歐 惠，徐順建，肖宗湖，羅永平，鐘 煒

(新余學(xué)院新余新能源研究所，江西新余338004)

介紹了聚光光伏技術(shù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀，綜述了國內(nèi)外在聚光光伏方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，比較了聚光光伏發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)光伏硅發(fā)電技術(shù)，對聚光光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景進(jìn)行了展望，建議政府和相關(guān)企業(yè)抓住機遇，整合資源，發(fā)揮聚光光伏高效率和低成本等優(yōu)勢，以促進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

聚光光伏技術(shù)；多結(jié)聚光電池；應(yīng)用

聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是由聚光組件、太陽跟蹤器、系統(tǒng)支架等裝置組成。利用聚光器進(jìn)行聚光，一方面可以提高單位面積太陽能輻射量，將太陽光聚集到很小的高性能太陽能光伏電池表面，從而提高輻射能量密度、提高單位面積太陽電池的輸出功率，一定程度上克服了太陽能量的分散性；另一方面，通過使用價格低廉的材料制造的聚光器，從而可以達(dá)到降低昂貴的太陽電池材料的使用量和光伏發(fā)電系統(tǒng)總成本[1]。聚光光伏發(fā)電比其他太陽能發(fā)電模式更節(jié)省土地資源，在同樣的占地面積下，聚光光伏發(fā)電可以產(chǎn)生的電能是傳統(tǒng)的太陽能光伏發(fā)電的兩倍。相對于傳統(tǒng)的光伏發(fā)電，聚光光伏發(fā)電有明顯的優(yōu)勢。本文對聚光光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)行了分析，為聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)提供有益的參考。

1 聚光光伏技術(shù)的現(xiàn)狀

使用晶硅電池和薄膜電池進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，分別是第一、第二代太陽能利用技術(shù)，均已得到了廣泛應(yīng)用。利用光學(xué)元件將太陽光匯聚后再進(jìn)行利用發(fā)電的聚光光伏(CPV)技術(shù)，被認(rèn)為是太陽能發(fā)電未來發(fā)展的第三代技術(shù)。

聚光光伏在20世紀(jì)70年代第一次石油危機期間開始發(fā)展。美國Sandia實驗室最早開始聚光光伏系統(tǒng)的研究，隨后美國的Spectrolab與Sandia實驗室合作進(jìn)一步開發(fā)聚光光伏系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代，法國、意大利、西班牙等地也陸續(xù)發(fā)展并安裝了與Sandia實驗室原型相近的系統(tǒng)。1989年聚光光伏的效率首次突破30%。20世紀(jì)90年代以后，隨著Ⅲ-Ⅴ族(如砷化鎵)電池技術(shù)的發(fā)展，可靠性技術(shù)的提高，聚光光伏技術(shù)發(fā)展開始加速。

據(jù)數(shù)據(jù)顯示，目前采用Ⅲ-Ⅴ多結(jié)聚光電池的聚光光伏系統(tǒng)的平均發(fā)電成本約為2.5歐元/Wp(約合20.7元/Wp)，而多晶硅光伏系統(tǒng)的發(fā)電成本約為11.0元/Wp[2]。但是，聚光技術(shù)正逐漸走向成熟，據(jù)預(yù)測，到2020年，使用光電轉(zhuǎn)換效率超41%的Ⅲ-Ⅴ多結(jié)聚光電池的光伏系統(tǒng)發(fā)電效率將有望達(dá)到33%左右，聚光光伏系統(tǒng)的售價將會下降到1.0美元/Wp(6.3元/Wp)[3]。

2 聚光光伏技術(shù)的應(yīng)用前景

目前，國內(nèi)外光伏組件的發(fā)電重點是提高非聚光的平板太陽電池組件光電轉(zhuǎn)換效率，同時發(fā)展聚光光伏發(fā)電組件和薄膜電池組件。聚光光伏發(fā)電組件在美國、德國和澳大利亞等國已經(jīng)達(dá)到規(guī)模化生產(chǎn)水平，而國內(nèi)僅有少數(shù)公司正在開發(fā)這種產(chǎn)品。

根據(jù)聚光光伏的技術(shù)特性，即要求其安裝的全年太陽輻射強度達(dá)到1 800 kWh/m2以上，全球滿足這一條件的地區(qū)主要包括：美國西南部、歐洲南部、非洲北部南部、中東地區(qū)及澳大利亞，我國西北部部分地區(qū)也具備建設(shè)聚光光伏系統(tǒng)的較好自然條件。聚光光伏發(fā)電組件由于結(jié)構(gòu)尺寸較大和需要對日跟蹤，市場主要定位在鄉(xiāng)村、臺站、家用中型離網(wǎng)光伏電站及大型并網(wǎng)光伏發(fā)電電站。

在目前聚光光伏系統(tǒng)產(chǎn)量仍十分有限的情況下，許多系統(tǒng)及部件制造商在生產(chǎn)過程中仍然使用著大量的人工操作，尤其是在組件裝配等環(huán)節(jié)，未來一旦有了規(guī)模效應(yīng)，大規(guī)模自動化生產(chǎn)將是必然的趨勢，成本也會低于多晶硅。同時，聚光光伏發(fā)電量比多晶硅多一倍，未來對太陽能產(chǎn)業(yè)將產(chǎn)生顛覆性影響。在這一工程化聚光光伏系統(tǒng)正處于初級時期，或許會是國內(nèi)企業(yè)發(fā)揮“中國制造”成本優(yōu)勢的大好機會，一些具有相關(guān)技術(shù)能力的國內(nèi)企業(yè)若能借此機會在這一新興市場上確立先發(fā)優(yōu)勢，未來的成長空間巨大。

3 目前聚光光伏技術(shù)全球應(yīng)用態(tài)勢

經(jīng)過30多年的發(fā)展，高倍聚光光伏(HCPV)電池作為第三代太陽能發(fā)電技術(shù)正逐漸成為太陽能領(lǐng)域的新焦點，引起了行業(yè)內(nèi)企業(yè)的追逐。目前，在日光照射較好的幾個歐美國家，已通過了優(yōu)惠的上網(wǎng)電價法。隨著具有40%以上光電轉(zhuǎn)換效率的Ⅲ-V族半導(dǎo)體多結(jié)太陽電池的普及和成本下降，高倍聚光光伏電池市場進(jìn)入快速增長期，高倍聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)逐漸被商業(yè)化應(yīng)用,并形成了一些有影響力的公司,如Entech、Amonix、Concentrix Solar GmbH等。

3.1 國外聚光光伏技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

美國Amonix公司研發(fā)的集成高效率聚光硅光伏電池發(fā)電系統(tǒng)(IHCPV),已經(jīng)應(yīng)用到很多場所。例如：美國Guascor Foton公司于2007年在西班牙安裝了6 MW光伏發(fā)電系統(tǒng)，至2008年累計安裝了15 MW的Amonix公司基于硅太陽電池的高倍聚光光伏系統(tǒng)。

美國Emcore公司于2008年達(dá)到每年150 MW的生產(chǎn)規(guī)模，現(xiàn)已在河北廊坊設(shè)立聚光電池模塊封裝廠。

西班牙的Isofoton采用自行設(shè)計的兩級透鏡實現(xiàn)聚光1 000倍，已經(jīng)可提供產(chǎn)能為10 MW的自動生產(chǎn)線。

德國Concentrix Solar GmbH公司于2008年開始進(jìn)行聚光光伏系統(tǒng)模型試驗。

以色列ZenithSolar公司于2009年5月在以色列阿什杜德(Ashdod)東部沿海平原上的一個公共農(nóng)業(yè)定居點，建成首個具有太陽能發(fā)電和熱水回收雙重功能的太陽能光伏電廠。該電廠由16臺該發(fā)電裝置組成，全年可發(fā)電150 MWh，產(chǎn)生熱能300 MWh，總能源轉(zhuǎn)換效率達(dá)70%以上，能夠滿足該社區(qū)一半的能源需求。

澳大利亞Silex Systems Ltd的分公司Solar Systems在維多利亞米爾迪拉(Mildura)的2 MW聚光光伏太陽能發(fā)電廠于2012年進(jìn)入建設(shè)階段。該2 MW發(fā)電廠僅是樣板項目，該開發(fā)商計劃在2016年最終將其建設(shè)成為100 MW太陽能農(nóng)場。

Godawari聚光太陽能項目總裝機容量為50 MW，位于印度拉賈斯坦邦，是印度首個采用先進(jìn)的聚光太陽能拋物面槽式技術(shù)的光熱電站。該項目擁有大約40萬平方米的太陽能采光面積，預(yù)計在實現(xiàn)全部產(chǎn)能后年發(fā)電量將達(dá)到11.8萬兆瓦時。

3.2 國內(nèi)聚光光伏技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前國內(nèi)涉足聚光光伏系統(tǒng)及部件制造的企業(yè)不是太多，上市公司主要有蘇州東山精密制造股份有限公司、廣東萬家樂股份有限公司 (廣東省佛山市)、三安光電股份有限公司(廈門)、北方光電股份有限公司(湖北、陜西)、浙江水晶光電科技股份有限公司(浙江省臺州市)、利達(dá)光電股份有限公司(河南省南陽市)等幾家。其中，北方光電股份有限公司的控股子公司天達(dá)光伏在云南昆明石林太陽能光伏并網(wǎng)電站20兆瓦實驗示范項目中負(fù)責(zé)提供7.1 MW太陽能組件。下面重點介紹近幾年國內(nèi)相關(guān)企業(yè)的聚光光伏項目。

上海聚恒太陽能有限公司已在中國的青海、甘肅、山東、北京、河北、云南等地及歐洲南部與當(dāng)?shù)睾献骰锇橐黄鸾ㄔO(shè)了多個高倍聚光光伏電站。其中包括：山東威海10 kW、山東青島200 kW、云南石林20 kW、甘肅嘉峪關(guān)10 kW、河北尚義10.8 kW、山東德州10.8 kW、河北張北54 kW、青海格爾木700 kW、甘肅酒泉108 kW等多個聚光光伏電站。

南陽鑫眾投資公司于2011年10月在河南省南陽市建設(shè)高效聚光光伏電站項目(金太陽示范工程)，該項目以南陽鑫眾投資有限公司為實施主體，以利達(dá)光電股份有限公司為技術(shù)依托，總投資1 300萬元，其中國家財政補助資金465萬元，總裝機容量300 kW，安裝面積9 750平方米，共可發(fā)電約1 220萬度。

臨沂巨皇新能源科技發(fā)展有限公司與臺灣禧通科技股份有限公司(M-Com)在山東省臨沂市合資興建總裝機容量為20 MW聚光光伏電站，總投資額為8 800萬美元。第一期1 MW在2010年12月并網(wǎng)，第二期9 MW在2011年10月并網(wǎng)，第三期10 MW在2012年10月并網(wǎng)。

國電電力青海格爾木兆瓦級高倍聚光光伏電站于2011年底正式并網(wǎng)發(fā)電。該項目由國電光伏承建，其中700 kW高倍聚光系統(tǒng)采用聚恒太陽能產(chǎn)品。

神光新能源股份有限公司擬在格爾木市分六期建設(shè)2 000 MW高倍聚光光伏電站。其中，一期建設(shè)規(guī)模為50 MW，占地約246萬平方米，總投資約12億元。電站建成后，首年發(fā)電量為9 675.1萬kWh，25年的總發(fā)電量約為24億kWh。

4 聚光光伏發(fā)電與光伏硅電池發(fā)電的比較

與晶硅和薄膜型平板式太陽能發(fā)電系統(tǒng)相比，聚光光伏因其高轉(zhuǎn)換效率和小得多的半導(dǎo)體材料用量，是最具有發(fā)展成為大型支撐電源潛力的太陽能發(fā)電方式，有望成為未來重要潔凈電源。通過簡單復(fù)制的規(guī)模化部署，單一聚光光伏電廠可以輕易達(dá)到MW級規(guī)模，未來這一數(shù)字甚至有望達(dá)到100 MW。表1具體對高倍聚光光伏發(fā)電技術(shù)與光伏硅電池發(fā)電技術(shù)進(jìn)行比較[4－6]。

5 前景展望

我國太陽能資源十分豐富，據(jù)預(yù)測到2050年，在水電、核電、風(fēng)能等新型能源充分開發(fā)以及光伏建筑集成充分發(fā)展情況下，大規(guī)模光伏發(fā)電電站方式仍需至少裝機500 GW[7]。目前，聚光技術(shù)正逐漸成熟，Ⅲ-Ⅴ多結(jié)聚光電池的效率和成本優(yōu)勢逐漸體現(xiàn)，而且，從生命周期成本前景看，聚光光伏比某些地區(qū)的傳統(tǒng)光伏大型地面安裝系統(tǒng)更具競爭力，聚光光伏必然成為國內(nèi)未來光伏的一個重要發(fā)展方向。

對比國內(nèi)外聚光光伏技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀，可見聚光光伏的發(fā)展已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，高效聚光光伏的規(guī)模應(yīng)用正在加速，但由于聚光光伏制作工藝復(fù)雜、集成系統(tǒng)性要求高、技術(shù)難度大等原因，國內(nèi)涉足這一領(lǐng)域的企業(yè)不是太多，生產(chǎn)規(guī)模仍然較小。目前，國內(nèi)已經(jīng)具有Ⅲ-Ⅴ多結(jié)聚光電池研發(fā)力量，聚光光伏所涉及的技術(shù)在國內(nèi)均有成熟的或可以借鑒的技術(shù)，以此為基礎(chǔ)瞄準(zhǔn)國際光伏電池新材料及器件研究的前沿，建議政府加大對聚光光伏產(chǎn)業(yè)的支持，通過整合就可以在國內(nèi)聚光光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面取得突破性進(jìn)展。

表1 聚光光伏發(fā)電與光伏硅電池發(fā)電的比較

[1]陳諾夫，白一鳴.聚光光伏系統(tǒng)[J].物理，2007(11)：862-868.

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[3]MCCONNELL R，SYMKO-DAVIS M.DOE high performance concentrator PV project[C]//International Conference on Solar Concentrators for the Generation of Electricity or Hydrogen，Arizona：ICSCGEH，2005.

[4]史珺.光伏發(fā)電成本的數(shù)學(xué)模型分析[J].太陽能，2012(2)：53-58.

[5]高飛，謝冀江，張來明.光伏聚光器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].太陽能，2012(7)：11-16.

[6]鄧贊高，胡立偉，杜長泉.淺析我國太陽能光伏發(fā)電市場發(fā)展的趨勢[J].珠江現(xiàn)代建設(shè)，2009(5)：29-31.

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Analysis on present development of concentrating photovoltaic industry

The research and application status of concentrator photovoltaic technology were reviewed.The application status of concentrator photovoltaic was explained home and abroad.The concentrator photovoltaic power generation technology was compared with traditional silicon photovoltaic power generation technology.In accordance to the fast development pace, concentrator photovoltaic systems would have great prospects.It was suggested that the government and related enterprises seized the opportunity,integrated resources,gave full play to the advantages of concentrating photovoltaic high efficiency and low cost,so as to promote the industrialization process.

concentrating photo voltaic technology;multijunction concentrator cells;application

TM914

A

1002-087X(2016)12-2492-03

2016-05-03

國家自然科學(xué)基金資助項目(51462035)；江西省高等學(xué)?？萍悸涞赜媱濏椖?KJLD13100)；江西省高等學(xué)?？萍悸涞赜媱濏椖?KJLD13099)

歐惠(1984—)，女，湖南省人，碩士，講師，主要研究方向為光伏材料的研究工作。