格尔木高倍聚光光伏电站可行性分析

格尔木高倍聚光光伏电站可行性分析王士涛，李彩霞（上海聚恒太阳能有限公司，上海市， 200436 ）摘 要 本文首先列出威海高倍聚光光伏电站的运行数据，然后选择对高辐射的格尔木地区进行不同光伏技术的仿真， 比较 1MW 高倍聚光光伏电站 1MW 晶硅光伏电站的发电量以及占地面积， 为在高辐射地区（如格尔木）建设高倍聚光光伏电站的提供依据。关 键 词 高倍聚光；晶硅光伏；辐照量；发电量；占地面积Golmud HCPV Power Station Feasibility AnalysisWang shitao, Li caixia（ Suntrix Company Ltd, Shanghai, 200436 ）Abstract This paper shows the energy output of HCPV station in Weihai and simulates thedifferent PV technology to compare the energy output and area between 1MWHCPV station and 1MW PV station in Golmud. Provide the basis for buildingHCPV stations in high irradiate area like Golmud.Key words high concentration photovoltaic; polycrystalline silicon photovoltaic; irradiation;energy output; area1 引言太阳能光伏电池可大致分为三代， 第一代为晶体硅电池， 又可大致分为单晶硅与多晶硅两种， 商业应用历史最悠久﹔第二代产品为薄膜太阳能电池， 主要有硅薄膜太阳电池和 CdTe 、 CIGS 为代表的化合物薄膜太阳 电 池 。 硅 薄 膜 太 阳 电 池 包 括 非 晶 硅Amorphous 、纳米硅、微晶硅和多晶硅等﹔第三代即为砷化镓三五族太阳能电池， 砷化镓 GaAs 被运用于太空作为发电用途已有很长的历史，因为砷化镓具有良好的耐热、耐辐射等特性，因此被广泛利用于太空发电，但由于价格过于高昂，在过去未被用于地面发电。 如今三结砷化镓电池的量产光电转化效率已可高达 39 左右，产量增大、技术成熟等因素也使砷化镓电池成本大幅降低。从 2007 年开始，三结砷化镓电池已开始大量使用在地面发电系统中。第三代光伏发电技术也即是近年受到光伏行业极大关注的聚光光伏技术。 聚光光伏发电技术通过光学器件， 将一定面积上的太阳光聚集到一个极小面积的砷化镓电池上，所以，聚光光伏技术的同晶硅和薄膜技术相比，极大的减少了太阳能电池的用量。这种技术在太阳能电池昂贵的现状下， 显现出极大的优势。2 国内高倍聚光光伏技术目前由于光伏发电成本过高，如果有50GWp（我国 2020 年的规划量） 的保有量，每年对电价的财政补贴将达到 500 多亿元，相当于 2010 年全国财政总收入的千分之六。 高速增长的光伏系统装机容量将对我国财政带来极大的考验。同时，目前主流的晶体 硅 光 伏 组 件 的 光 电 转 换 效 率 只 有14-16 ，如果有 50GWp 的保有量，将至少占用 1.95 万平方公里的土地，在城市周边或输配电线路附近建设大型光伏电站很可能会出现无地可用或地价过高的局面。高倍聚光光伏技术是解决高成本和低效率的最佳解决方案。高倍聚光光伏采用 III-IV 族三结电池，被称之为继晶体硅、 薄膜之后的第三代光伏发电技术。 上海聚恒太阳能有限公司分别推出 了 聚 光 倍 数 为 500 倍 和 1000 倍 的SCPV-500 与 SCPV-1000 高倍聚光光伏系统。 使用聚恒太阳能的高倍聚光系统将大幅减少我国对光伏上网电价的财政补贴， 到2014 年采用 SCPV-500 与 SCPV-1000 系统比晶体硅系统所需要的补贴将分别减 少67 和 88 ， 累计金额达几百亿。 这将极大地缓解我国财政压力， 并加速我国光伏市场的发展。同时，由于 SCPV-500 和 SCPV-1000的组件效率在 2011 年为 28 ， 比晶体硅组件高 80 。这样相同装机容量的光伏电站，使用聚恒太阳能的高倍聚光系统将比带跟踪器的晶体硅系统节省土地 50 。到 2014年， SCPV 的组件效率将达到 34.8 ， 这将累计为我国节约 600 多平方公里的土地资源，降低光伏电站用地成本达 550 亿元。相对于其他光伏电池技术， 高倍聚光光伏系统还有能量偿还时间最短、 最清洁环保和易于在使用地当地组装以促进欠发达地区就业等等优势。随着波音公司、 IBM 、夏普等国际大公司进入高倍聚光光伏系统领域， 2008 年开始逐步商用的高倍聚光光伏系统不论从产品还是技术上都已经成熟，即将在 2011 年真正进入大规模商用。 我国高倍聚光光伏产业链在台湾地区已非常成熟， 在大陆地区正日臻成熟。 我国以上海聚恒太阳能有限公司为代表的一批公司的高倍聚光光伏组件与系统也日渐成熟，尤其是聚恒太阳能 的SCPV-500 已经过北京鉴衡执行 IEC62108的金太阳认证， 并经过 1 年的运行， 现已具备在我国建立大规模高倍聚光光伏电站的条件。在 2010 年的 9 月 25 日，聚恒太阳能有限公司的 “ 金太阳 ” 高倍聚光示范电站也在威海落成。 这一切都标志着上海聚恒太阳能的高倍聚光光伏技术已进入产业化阶段。3 威海高倍聚光光伏电站2010 年 9 月 25 日， 国内转化效率最高的高倍聚光光伏电站在山东威海开始并网运行， 这是国内首个按照商业化运营建设且并网运营的高倍聚光光伏电站， 该电站同时获得国家计量科学院鉴衡认证中心太阳能认证部颁发的国内首个 “ 金太阳高倍聚光光伏示范电站 ” 牌匾。威海高倍聚光光伏电站的并网运行及其运行数据， 将对今后 MW 级大规模高倍聚光光伏电站的建设起到积极推动作用。图 1 威海高倍聚光光伏电站3.1 威海辐照数据山东省仅济南、日照、烟台三地的气象站拥有多年的辐照测试数据， 通过气象软件Meteonorm ， 可导出距威海最近的烟台气象站所测近 20 年（ 1981-2000 ）水平面总辐射量 （烟台气象站距离威海高倍聚光光伏电站 60km ） ， 辐照数据可以参考。 由软件导出威海高倍聚光光伏电站（ 37.5N,122.1E ） 的水平面年均总辐射量为 1410kWh/m2 ， 全年直射辐照量为 1071.6kWh/m2 ， 属太阳能资源较丰富地区。3.2 电站运行数据威海高倍聚光光伏电站采用 III-IV 族三结电池，即继晶体硅、薄膜之后的第三代光伏发电技术， 电站所使用的太阳能电池的光电转换效率高达 39 。威海高倍聚光光伏电站的标称装机容量为 9.6kW ， 从投入运营至今， 该高倍聚光光伏电站已稳定运行 266 天， 向哈工大 （威海）学校的电网送入 7412 度电。下图是威海高倍聚光光伏电站从 2010 年 10 月至2011 年 5 年每月的发电量运行数据。图 2 威海高倍聚光光伏电站月发电量（ 2010.10-2011.05 ）取 2011 年 5 月 14 日天气晴朗（直射辐照强度最大达 800W/m2 ） ， 电站的发电量数据，制作曲线。当天高倍聚光光伏系统从620 开始发电，一直持续到 1800 ，运行时间接近 12 小时，这其中超过 6 小时以近8kW 的交流功率在运行，全天发电量 达69kWh 。图 3 威海电站 5 月 14 日运行曲线威海高倍聚光光伏电站在运行过程中，有时会出现极高的直射辐射强度， 带来较大的发电量。在中国西北部的部分区域，直射辐照量远高于威海地区， 多数天气都能维持在高辐射强度， 如在这些区域建设高倍聚光光伏电站，发电量收益将达到威海地区的 2倍。4 高倍聚光光伏电站仿真4.1 辐射强度分布下图是亚洲地区的辐射强度分布图 （数据来源于 20 年世界各地气象站所测数据） ，深红色区域为辐射强度较高的太阳能资源极其丰富地区。从图中可以看出，我国西北部的西藏、青海、甘肃、新疆的部分区域属于太阳能资源极其丰富地区， 而威海地区的辐射强度同中国西北部部分区域相比较， 辐射强度约为西北部高辐射地区的 40-50 。图 4 亚洲地区太阳能资源分布以太阳能资源丰富的青海格尔木地区为例， 仿真聚光光伏系统和晶硅光伏系统的发电量。4.1 格尔木辐射量以青海格尔木为例，通过 Meteonorm气象软件，可导出近 20 年（ 1981-2000 ）格尔木气象站的辐射数据， 下图是格尔木全年各月的跟踪面上直射辐射量以及 35 倾斜面上的总辐射量。图 5 跟踪面直射量及 35 倾斜面的辐射量4.2 高倍聚光光伏 晶硅光伏仿真4.2.1 不同光伏技术的发电情况仿真通过仿真软件模拟 1MW 高倍聚光光伏系统和 1MW 晶硅光伏发电系统的发电量，比较高倍聚光光伏系统和晶硅光伏系统的发电情况。高倍聚光光伏系统的仿真过程， 采用聚恒太阳能公司 SCPV-500 型组件进行聚光组件的建模，以 93 套高倍聚光系统进行仿真 （ 单 套 高 倍 聚 光 系 统 标 称 功 率 为10.8kW ） ，仿真内容包括高倍聚光光伏系统和晶硅系统的选型、组件建模、设备配置、阴影分析、系统仿真。晶硅光伏系统采用最常采用的固定式安装方式， 安装倾角取倾斜面总辐射最大的35倾角， 为系统配置多晶硅组件， 同规格逆变器，进行系统发电量仿真。下 表 是 1MW 高 倍 聚 光 光 伏 系 统 和1MW 固定式安装的晶硅系统发电量仿真结果。表 1 高倍聚光系统和晶硅系统仿真数据取上表中的发电量数据， 比较高倍聚光光伏系统同晶硅光伏系统发电情况。对于晶硅系统而言，可以利用直射、 散射以及反射各种辐照量， 而聚光系统只能吸收直射辐照量，因此，高倍聚光系统只能转化总辐照量中的直射辐照量。 直射辐照量占到总辐照量的比例将随着光线的强弱变化，发生较大变化。图 6 不同技术光伏电站发电量4.2.2 仿真结果分析通过仿真得到的高倍聚光光伏电站和晶硅电站发电量数据， 比较高倍聚光系统同晶硅系统， 聚光系统可利用的辐射量是晶硅的 1.04 倍，而由于聚光组件转化效率高出晶硅组件， 大约是晶硅组件的 2 倍， 全部聚光组件面积约为晶硅组件的 2/3 ，且温度对聚光组件的影响小于晶硅组件， 即温度损失小于晶硅组件， 参考一系列系统和环境条件带来的影响，包括组件转化效率、组件差异带来的匹配损失、温度变化引起的损失、 辐照变化带来的损失、交直流线损、逆变器损失、安装间距带来的阴影损失，最终通过仿真得到聚光系统的发电量远高出固定式安装的晶硅系统，为晶硅系统的 1.26 倍。4.2.3 不同光伏技术的占地面积对 1MW 高倍聚光光伏电站和 1MW 固定式倾角安装晶硅光伏电站进行布局， 由于高倍聚光光伏电站布局间距较大， 只需充分考虑全年的阴影遮挡情况， 固定式晶硅光伏电站的布局考虑安装间距可方便电站的维护管理。表 2 不同光伏技术的占地面积对不同技术的光伏电站布局， 得到上表中的占地面积数据，相同装机容量下，高倍聚光光伏电站面积是固定式安装晶硅光伏电站的 97 。5 结论由上述对格尔木地区 2 种技术的光伏电站仿真数据， 比较发电量数据以及占地面积两方面。高倍聚光光伏电站同固定式安装的晶硅光伏电站相比较，占地面积略小，为晶硅光伏电站的 97 ， 而发电量数据比晶硅光伏电站提高了 25.6 。根据仿真数据， 比较高倍聚光光伏系统同晶硅光伏系统在格尔木这样的高辐射地区的发电情况， 高倍聚光光伏系统有着明显的优势。现阶段的高倍聚光光伏技术， 在电池的效率提升和成本下降方面都有很大的发展空间，相信随着这项技术的不断发展成熟，高倍聚光光伏技术在高辐射地区的优势将更加突出。参考文献[1]. 蒋华庆， 田景奎， 高倍聚光与双轴平板发电经济性分析 [J] ， 电力建设， 2010.9,31 74-77格尔木高倍聚光光伏电站可行性分析作者 王士涛 ， 李彩霞作者单位 上海聚恒太阳能有限公司 ,上海市 ,200436本文读者也读过 10条1. 钦卫国 苏南地区家用独立光伏系统的设计 [会议论文 ]-20112. 唐志伟 . 师明星 . 韩雅芳 . 蔡立佳 变流量水源热泵系统设计及经济性分析 [会议论文 ]-20113. 孙卫东 . 黄萍 . 王华 . 朱道峰 . 刘哲伟 . 刘秋晨 PVDF太阳能硅片花篮的研制 [会议论文 ]-20064. 刘少敏 . 陈明强 . 张鹏 . 隋倩倩 三种改性黏土矿对乙酸的催化气化研究 [会议论文 ]-20115. 林坤 光伏“冬至” [期刊论文 ]- 新经济导刊 201216. 赵吉芳 太阳能热水器管路排空阀研究的发展趋势分析 [会议论文 ]-20117. 尹瀚华 . 赵文超 . 贺颖馨 ABB 传动产品在光伏发电领域的应用 [会议论文 ]-20118. 四川绵阳杨家镇小学灾后重建项目组 被动式太阳能建筑策略在四川灾后重建小学的实践 [会议论文 ]-20119. 张卫东 . 刘祖明 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