采用数倍聚光的光伏发电系统”对我国太阳能光电成本降低的巨大影响

论一种新的“采用数倍聚光的光伏发电系统”对我国太阳能光电成本降低的巨大影响引文：“采用数倍聚光的光伏发电系统”是由去年回国的剑桥大学应用物理学家、现为中国科技大学和中科院理论物理所特聘研究员的陈应天教授，在他独创的新的光学聚焦与跟踪理论的诸多应用下的重要发明之一。这个新的光学聚焦与跟踪理论，已经在国际上引起强烈反响（以色列著名太阳能专家特拉维夫大学 Kribus 教授评论 “这是在一个多年几乎没有进展的光学基础领域中的第一个突破”），而理论的突破将带来诸多适用光学的技术应用领域的突破，如大型望远镜、新型雷达、激光并束、超精瞄准及变焦照相机、太阳能聚光等等，而太阳能方面又可以有太阳能光伏发电、太阳能热发电、太阳炉（产生 3500 度高温）、太阳灶（用于炊事）等多项技术发明或重大改进。笔者从今年 5 月以来，一直关注着“采用数倍聚光的光伏发电系统”新技术的进展，在不到一年的时间里，该项新技术经过了原理的论证、实验室试验、样机的研制、样机的改进（提高可靠性并降低成本）、样机的示范运行五个阶段。到目前为止，安装在中科院理论物理所楼顶的两台样机（每台峰值功率 150W）已经成功地在安徽和北京两地连续运行了四个多月的时间，期间经历了酷热、阴雨、大风、低温等季节考验，一直在稳定可靠的运行。 目前， 安徽应天新能源公司正在建设 1 万瓦的独立太阳能光伏电站，将太阳能作为公司新厂区的重要供电来源之一。笔者欣喜地看到，这项新技术将突破我国太阳能光伏发电成本居高不下的障碍，其应用推广将使我国的太阳能光电发展走在世界前列，更难能可贵的是，这是我国完全具有自主知识产权的新技术。因此，笔者将此文命题为“八面玲珑显威风”。本文将以详实的数据分析这种新的光伏发电系统的特点以及对我国太阳能光电成本降低的巨大影响。一、什么是“采用数倍聚光的光伏发电系统”？1、采用数倍聚光的光伏发电系统的主要功能和特点图 1 即是目前安装在中科院理论物理所楼顶示范运行的两台采用数倍聚光的光伏发电装置的照片 ，每台发电装置的峰值功率 150W，如同镶嵌着 18 颗钻石，在阳光下熠熠生辉，而“绿色的”电流则源源不断的流出，最大发电电流可以达到 16A。其实，每颗“钻石”是由一个普通的单晶硅光伏电池和一个八面体反射镜围成的光漏斗组成（见图 1 照片 ）。八面体的光漏斗的作用在于，将太阳光通过平面反射的方法折叠并聚集起来，形成 4 倍的太阳光强并均匀地照在光漏斗底部的硅光伏电池上。 这样， 在一个太阳光强照射下峰值功率仅为 2.2W的每个光伏电池的实际功率则提高到 4 倍即 8.8W左右， 18 颗“钻石”串联起来，一个太阳光强下峰值功率仅为 39W的光伏电池组的峰值输出功率提高到了 150W（其并非严格的 4 倍是因为存在一些反射、折射损失）。因此，与传统的平板固定式光伏发电系统相比，新的“采用数倍聚光的光伏发电系统”可以在同样的发电功率等级条件下，节省 3/4 的硅电池；或者说在使用同样数量的硅光伏电池的条件下，可以将实际输出功率增加到 4 倍。2、国外采用数倍聚光的尝试为什么没有推广开来？专家们已经研究发现，硅光伏电池在一个太阳光强下使用实际上是大材小用，因为光伏电池可以承受更高的光强，发出的电流成比例增加而又不至于影响光伏电池寿命。通过聚光提高太阳能发电的效益， 国外已经有过一些工业化尝试。 比如利用菲涅尔透镜实现 3~7倍的聚光，但由于 透射聚光的光强均匀性较差 、且特制透镜成本降低的速度赶不上高反射率的平面镜，国外开始尝试通过反射实现聚光，比如德国 ZSW公司发明了 V 型聚光器实现了 2 倍聚光，美国的 Falbel 发明了四面体的聚光器实现了 2.36 倍聚光。尽管实现 2 倍聚光也可以节省 50%的光伏电池，但是相对于聚光器所增加的成本，总体的经济效益并不明显。尽管反射聚光具有均匀性好的特点，但是如何利用反射方法以较低的成本实现 3 倍以上的聚光一直是国外没有成功解决的问题，因此依靠传统的反射方法在普通光伏电池上实现数倍聚光的光伏发电系统未能得到广泛应用。而在陈应天教授所独创的新的光学聚焦与跟踪理论的诸多应用中，其中的一个重要实践便是突破传统反射法所遇到的障碍，开发出一种低成本、高聚光比的反射聚光器。3、李政道：这个新的“采用数倍聚光的光电系统”是理论与实践的完美结合！根据新的聚光和跟踪理论，陈应天、何祚庥等人发明了一种由八面体反射镜组成的聚光器，也称为“光漏斗”。光漏斗的高度、倾角均按照陈应天的新的聚光理论而设计，最高聚光比可以达到 7 倍。但是，目前示范运行的样机仅仅按照 4 倍聚光比而设计，这是考虑到普通光伏电池本身在高倍太阳光强下的散热问题，实现 7 倍的聚光需要采用一套水冷系统，不仅使光伏发电系统的应用环境受到限制，而且势必增加成本，因此，仔细比较了各种聚光倍数下光伏发电系统的性价比后，确定利用这个光漏斗实现 4~5 倍的聚光是比较现实的方案，仅仅依靠自然冷却，光伏电池就能很好地工作。此外，利用新的光学跟踪理论，发明者设计了一个成本低且机械简单可靠的跟踪装置，日跟踪是系统按照时钟自动调节，而年跟踪采用手动调节 （平均一星期调整一次即可） 。 为了同传统的平板固定式光伏发电系统的性能进行比较，安徽应天新能源公司对“平板固定式”和“数倍聚光式”两种发电系统进行了长期的同等工作条件下的测试，并同时进行全自动的记录以取得可靠的数据。实测表明，采用数倍聚光的光伏发电系统成功实现了 4 倍的功率输出，而光伏电池的温度即使在今年夏季最炎热的季节里，也没有超过 50° C（完全在光伏电池本身的正常工作范围内）。安徽应天新能源公司推出的新的采用数倍聚光的光伏发电系统，从聚光到跟踪，尽管新理论的数学计算相当繁复，但是复杂的理论带来的却是廉价、可靠、高效的聚光和跟踪装置，难怪李政道先生在参观了中科院理论物理所楼顶的两台示范运行的发电系统后， 兴奋的指出 “这是理论与实践完美结合的成果”（见图 2）。二、传统的平板固定式光伏发电系统与新的数倍聚光式光伏发电系统的经济性比较任何一个新的技术发明， 如果要大规模推广应用， 其前提应该是具有更好的性价比。 那么，建立在新的聚光与跟踪理论基础上的“采用数倍聚光的光伏发电系统”，与传统的平板固定式光伏发电系统相比，其经济性如何呢？这是不能不回答的关键问题。下面，我们从两种发电技术建设光伏电站所需要的初投资、在寿命期内所产生的发电量进行和单位度电的成本这三个方面进行对比和分析。1、光伏发电并网系统的初投资比较（ 1）传统的“平板固定式光伏发电系统”的初投资根据世界自然基金会资助的研究课题《可再生能源发电上网成本及电价研究及政策建议》，传统的平板固定式光伏发电并网系统每个 kW的初投资为 5 万元（ 2006 年），具体成本构成见表 1。表 1 平板固定式光伏发电并网系统每个 kW的初投资构成（ 2）新的“采用数倍聚光的光伏发电系统”的初投资在表 1 中的各项成本中，数倍聚光式光伏发电系统和平板固定式光伏发电系统除了在第 2 项即“太阳能电池（含支架）”有显著不同外，其余 6 项都是一样的，而第 2 项的成本在系统初投资占有 70%的高比重。因此，我们重点比较第 2 项的成本差异。与传统的平板固定式光伏发电系统相比，“采用数倍聚光的光伏发电系统”减少了太阳能电池的成本，增加了聚光（光漏斗）和跟踪（电机驱动机构等）的成本。我们将根据当前安徽应天新能源公司的实际生产数据来考察这一成本的变化。1）所用太阳能电池的成本由于采用了 4 倍的聚光比， “采用数倍聚光的光伏发电系统” 可以在同样发电功率下节省 3/4的硅光伏电池，因此， “采用数倍聚光的光伏发电系统”每个 kW所用的太阳能光伏电池的成本为：3.5 万× 1/4 ＝ 0.875 万元（由此可见太阳能电池的费用大大降低！）2）实现聚光和跟踪的成本根据安徽应天新能源公司目前已经做好的二十多台样机的实际成本数据，每台峰值功率为150W的发电装置中，由于聚光和跟踪所增加的成本为 2400 元，相当于每个 kW的聚光跟踪成本为 1.6 万元（请注意，这是没有实现自动化、大规模生产的成本数据！）。如果实现了全自动化的生产线后，每个 kW的聚光跟踪成本可以下降到 1.1 万元。上述两项合计， 我们可以得出， “ 采用数倍聚光的光伏发电系统” 在表 1 中的第 2 项成本为：0.875 万元 /kW＋ 1.6 万元 /kW＝ 2.475 万元 /kW≈ 2.5 万元 /kW（目前半自动化生产条件下）0.875 万元 /kW＋ 1.1 万元 /kW＝ 1.975 万元 /kW≈ 2.0 万元 /kW（实现全自动化生产条件下）参照表 1，我们可以给出实现规模化生产前后，新的采用数倍聚光式光伏发电并网系统的每kW的初投资构成表，分别见表 2 和表 3。表 2 当前样机生产下“采用数倍聚光技术式光伏发电并网系统”每个 kW的初投资构成表 3 实现大规模生产后“采用数倍聚光技术式光伏发电并网系统”每个 kW的初投资构成注：请注意带 *数字与表 1 的不同对比表 1 和表 2、表 3，可以发现：采用新的数倍聚光的光伏发电技术之后，即使在目前半自动化、小批量样机生产条件下，光伏并网系统的单位 kW的初投资也比传统的平板固定式光电技术节省 1 万元，相当于节省 20%的初投资！而在实现全自动化、大规模生产之后，每个 kW的初投资会节省 1.5 万元，相当于节省 30%的初投资！2、光伏发电系统在使用寿命期限内的总发电量比较通常，人们习惯用峰值功率来判定系统的规格，其实，对于大型太阳能光伏电站的设计，由于跟踪技术和选址技巧的不同，即使在相同的峰值功率的情况下，不同设计所导致的年总发电量可以有极大差别。而系统年总发电量的多少，直接关系着太阳能光伏电站经济效益的好坏。因此，对于大型光伏电站设计的评价，我们不仅要看系统所能达到的峰值功率，更重要的是看系统年总发电量能够达到什么水平，这才是考核不同技术路线优劣的关键指标！我们将按照内蒙古鄂尔多斯的资源条件进行对比计算。鄂尔多斯的年日照时间为 3026 小时，平均每天日照时间 8.3 个小时， 平均日照强度为 0.7 千瓦 / 平方米。 两种发电系统的电池组件使用寿命均按照 15 年计算 （实际上采用数倍聚光的光伏发电系统的使用寿命要比平板固定式的光伏系统至少长 10%，下文将作分析）。（ 1）传统的“平板固定式光伏发电系统”在寿命期内的总发电量在高纬度地区，光伏发电系统在一年内的不同季节以及一天内的不同时刻，太阳的照射时间以及照射角度是有相当变化的。这种照射角度的变化，导致传统的平板固定式光伏发电系统无论在地球什么地方，即使以最优化的方式放置，也无法避免“余弦效应”的影响。余弦效应造成的光伏电站年发电量的损失非常可观：如果光伏电池每天工作 8 小时的话，发电量损失可以达 16%~21%； 每天工作 10 小时的话， 发电量损失可达 24%~29%； 每天工作 12 小时的话，发电量损失则高达 34%~39%。因此，根据内蒙古鄂尔多斯的资源条件，我们可以计算出 1kW的平板固定式光伏发电系统在15 年的寿命期内的总发电量为：1kW× 0.7 × 3026 小时 / 年× 15 年× (1 － 20%)＝ 2.54 万度电（ 2）新的“采用数倍聚光的光伏发电系统”在寿命期内的总发电量新的“数倍聚光的光伏发电系统”采用了一个简单的机械跟踪装置，日跟踪随着地球自转变化，使光伏电池时时刻刻与太阳保持正对（即入射角为 0 度），年跟踪随着季节变化。因此，新的采用“数倍聚光的光伏发电系统”有效地克服了传统的平板固定式发电系统所无法避免的“余弦效应”，总发电量增加 20%，即：1kW× 0.7 × 3026 小时 / 年× 15 年＝ 3.18 万度电如果考虑新的“采用数倍聚光式光伏发电系统”的实际使用寿命至少比传统的平板固定式光伏发电系统长 10%的话，则总发电量为：1kW× 0.7 × 3026 小时 / 年× 15 年×（ 1＋ 10%）＝ 3.50 万度电由上述计算可以看出，对于大型光伏电站的设计，即使是在峰值功率相同的情况下，采用与不采用跟踪系统可以导致总发电量的巨大差异，这再次说明，决定一个光伏电站效益好坏、技术性能优劣的关键指标是年发电量而不是峰值功率！需要强调的是，尽管跟踪系统的采用对于大型光伏电站的设计是非常必要的，但是如果跟踪系统本身做不到成本低廉的话，将会使跟踪系统的价值大打折扣（这也是国内外以前所进行过的跟踪尝试并没有推广的重要原因）！而安徽应天新能源公司开发的“采用数倍聚光的光伏发电系统”中的跟踪装置是根据陈应天教授的新的光学跟踪理论而设计，其跟踪装置简单（采用准单轴跟踪，仅仅由一个不到 1W的小电机驱动）、价廉（其成本在系统中所占的比重为 30%左右）、可靠（具有很强的抗风能力）。3、单位度电的成本比较在测算每度电的真正发电成本时，要涉及到企业的税收、资本金回报率、折旧、还贷利息、管理等多种复杂且难以确定的因素。由于这些因素是传统的平板固定式和新的数倍聚光式两种发电系统所共同面临的问题，因此，在这里进行两种发电技术单位度电的成本比较时，为了简化并明晰问题，暂且忽略掉这些共同的不确定因素，而重点考察在每种发电方式下，单纯收回初投资所需要的每度电的最基本成本，即系统单位 kW的初投资与单位 kW在寿命期内的总发电量之比。根据前面两种光伏发电系统的单位 kW初投资和单位 kW在寿命期内的总发电量的比较结果，可以计算出：（ 1）传统的“平板固定式光伏发电系统”单位度电的最基本成本单位 kW的初投资 / 单位 kW寿命期内的总发电量＝ 5 万元 /2.54 万度电＝ 1.97 元 / 度（ 2）新的“采用数倍聚光的光伏发电系统”单位度电的最基本成本单位 kW的初投资 / 单位 kW寿命期内的总发电量＝ 3.5 万元 /3.18 万度电＝ 1.10 元 / 度如果考虑新的数倍聚光式光电系统的实际使用寿命要比平板固定式至少长 10%的话：单位 kW的初投资 / 单位 kW寿命期内的总发电量＝ 3.5 万元 /3.50 万度电＝ 1.00 元 / 度从上述计算可见， 如果不考虑税收、 利润等因素， 仅考虑单位 kW光伏发电系统要收回初投资的话，采用新的数倍聚光式技术，每度电所需的最基本成本为 1.10 元 / 度，仅仅是传统平板固定式的 56%！如果再考虑到新的数倍聚光式光伏发电系统的实际使用寿命要比平板固定式至少长 10%的话，则每度电所需的最基本成本进一步降低为 1.00 元 / 度，仅仅是传统的平板固定式的 51%！从上面“光伏发电系统的初投资”、“光伏发电系统的总发电量”、“光伏发电系统的单位度电成本”三个方面的经济性比较不难看出两种技术路线的优劣：与传统的平板固定式光伏发电系统相比，新的“采用数倍聚光式光伏发电系统”至少可以节省 30%的初投资、提高 20%的总发电量，而单位度电的最基本成本可以降低 50%左右！因此，应用推广新的“采用数倍聚光的光伏发电系统”，将对我国太阳能光伏发电的成本降低、太阳能光电发展走在世界前列产生巨大影响！三、新的“采用数倍聚光的光伏发电系统”的其他独有优点1、实际使用寿命更长对于传统的平板固定式太阳能光伏电池板，其表面玻璃是通过胶膜同光伏电池片直接层压在一起。在实际应用中，这种设计所无法避免的“热岛效应”会大大影响光电池片的平均寿命。“热岛效应”是指由落叶、鸟粪等其他不透明的吸光物体落在光电池表面后，在强烈的日照下形成热斑、进而损坏光电池导电网的效应。由于在平板式光伏电池组件中各个光电池片串联后形成一个整体再进行层压和封装，因而“热岛效应”所造成的单个光电池片的局部损坏会导致整块组件的报废。据国外报道，“热岛效应”使平板式光伏电池组件的实际使用寿命至少减少 10%。而在新的“采用数倍聚光的光伏发电系统”中，每个光漏斗的表面有一层高透光率的玻璃， 与光电池片有相当的距离 （约 28cm） ， 这种结构从根本上消除了 “热岛效应”形成的条件，因此，新的“采用数倍聚光的光伏发电系统”在实际应用中比平板固定式的实际使用寿命至少长 10%，更长的使用寿命将带来更多的发电量，也因而带来更大的经济效益。2、更容易抗风与传统的平板固定式光伏发电系统相比，新的“采用数倍聚光的光伏发电系统”具有更好的抗风能力，这是因为系统跟踪装置采用了高转速比的蜗轮蜗杆机械设计，增加了装置的强自锁功能（在安徽应天新能源公司的试验中，已经做到抵抗 10 米 / 秒的风速）。此外，每台发电装置的各个光漏斗之间留有一定的空隙，便于大风从间隙中穿过。3、具有更强的抗冲击的能力新的“采用数倍聚光的光伏发电系统”在研发过程中，特别考虑了实际应用中可能遇到的各种恶劣坏境对系统可靠性的影响，如冰雹、石块、沙尘等引起的冲击。发明者用一种特殊工艺制成的“不碎玻璃”，封装在每个光漏斗的表面，保证光漏斗在最严重的冲击下，表面玻璃仅仅是开裂而不破碎，从而确保光伏电池在最恶劣的环境条件下都受到很好的保护。特别值得一提的是，与钢化玻璃相比，这种特殊工艺的“不碎玻璃”既成本低廉又具有高透光率。因此，新的“采用数倍聚光的光伏发电系统”具有足以抵御各种恶劣环境的更强的抗冲击能力。4、更便于维护前面已经谈到，传统的平板式太阳能光伏电池组件（目前通常为 50~100W）是由若干个光伏电池片串联后形成一个整体再与钢化玻璃封压在一起，“热岛效应”所造成的单个光伏电池片的局部损坏会导致整块组件的报废（因为当一个光电池片出现故障后，无法单独将这个故障组件进行维修或更换）。而对于新的“采用数倍聚光的光伏发电系统”，每个发电单元 （比如目前 150W样机） 是由 18 个相互独立的光漏斗以及 18 个光伏电池片串连在一起的，每个光漏斗与每个光伏电池片自成一体，如果一个光伏电池片出现了故障，可以非常容易的单独拆卸下来进行维修或更换，而丝毫不影响其他光漏斗及光伏电池的工作。因此，这种新的 “采用数倍聚光的光伏发电系统” 更便于维护， 这也会在实际应用中带来更多的经济效益。四、我国大规模发展太阳能光伏发电的优势、障碍和建议1、优势（ 1）太阳能资源我国有着丰富的太阳能资源，大部分地区位于北纬 45°以南，全国 2/3 的国土面积年日照小时在 2200 小时以上， 每平方米太阳能年辐射总量为 3350~8400兆焦， 平均值是 5860 兆焦 （相当于 199kg 标准煤），全年陆地表面每年接收到的太阳辐射能约为 5× 1022 焦，相当于 2.4万亿吨标准煤。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西部和北部的西藏、青海、新疆、宁夏、甘肃、内蒙等地的总辐射量和日照时数均为全国最高，属世界太阳能资源丰富地区之一；四川盆地、两湖地区秦巴山地是太阳能资源低值区；我国东部、南部及东北为资源中等区。（ 2）太阳能电池制造业我国的太阳能电池制造业发展很快， 光伏电池及组装厂已有十多家， 制造能力已达每年 10 万kW以上。我国目前的光电池大部分出口到国外。2、障碍尽管我国有着很好的太阳能资源和光伏电池制造能力，我国太阳能光伏产业的整体水平与发达国家还有很大的差距，主要表现在：（ 1）太阳能光伏产业链的上游即多晶硅原料的生产严重依赖进口，自给率仅有 2.6%；半导体级硅材料短缺导致光电池价格居高不下，而太阳能级硅料存在巨大的成本下降空间。（ 2）太阳能光伏产业的下游即发电系统应用的市场还很小。虽然目前已经在偏远地区通过“送电到乡”等国家工程推广了一些户用光伏发电系统和小型光伏电站，解决了部分无电人口的供电问题，但是由于太阳能光伏发电的成本较高，全国目前的光伏发电规模还很小，目前还没有一个太阳能光伏发电的真正商业化示范。3、建议尽管太阳能光电像风电、生物质发电等其他可再生能源的发展一样离不开政策支持、建立保护电价、税收激励措施等等，但是笔者认为，在突破太阳能光电成本高这一发展障碍的诸多举措中，最根本的措施还是依靠科技进步、鼓励推广应用新技术来大幅度降低太阳能光伏发电的成本。关于具体的举措，比如在上游打破国外对我国的垄断，自主研制开发太阳能级的低成本的多晶硅料，从而大幅度降低太阳能光电池的成本；在下游鼓励具有低成本高效益的光伏发电新技术的示范和应用，比如像本文以大量实际数据进行分析的“采用数倍聚光的光伏发电系统”，既具有自主创新性又具有更优性价比，应选择太阳能资源条件好的地区（如内蒙古鄂尔多斯地区，同时具有太阳能资源、电网、交通的便利条件）开展示范，使我国在太阳能发电领域走在世界前列，并且让无穷无尽的太阳能资源尽早造福于社会。附图：安徽应天新能源公司新厂区的“采用数倍聚光的光伏发电系统”的 1 万瓦独立光伏电站，作为产区的主要供电来源之一。注： 每个发电装置的峰值功率为 150W， 1 万瓦将需要 64 台这样的装置， 总占地面积为 530 平方米。