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1、聚光光伏太阳能发电系统市场与技术调研究报告北京万桥兴业机械有限公司前言目前及相当长的时期我国能源供需矛盾十分突出，为此，除了合理开发和利用石化能源和水力、核能外，将加速开发利用可再生能源（风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等） 。如今我国已出台“中华人民共和国可再生能源法” 。在法律上把可再生能源的开发和利用提高到我国能源发展的战略高度，这将大大地推动包括太阳能光伏发电在内的可再生能源的发展。近几年，我国太阳能光伏组件产量几乎是以每年翻番的速度增长，但太阳能光伏技术开发和利用的水平不仅远低于发达国家，也落后于印度、巴西等发展中国家。目前阻碍我国太阳能光伏发电系统大规模推广应用的瓶颈是系统价
2、格和发电成本太高。聚光光伏技术研发在国外已经有三十多年历史，但聚光光伏电站的商业化运营目前在全球范围内仍处于起步阶段，最根本的原因还是成本太高。 尽管聚光光伏有很多优点，如占地面积小、发电效率高、节省材料、减少污染，等等；但聚光光伏的最大缺点就是成本太高，其成本大大高于多晶硅。太阳能行业还属于政府补贴的一个高成本行业，但政府补贴毕竟是有限的、不可延续的。如果成本始终大大高于多晶硅的话，聚光光伏产业的发展肯定要受制约。只有把成本降到一定程度，或者有突破性的技术出来，聚光光伏的市场才能打开。关键字：聚光光伏、成本、市场1 聚光光伏太阳能发电系统的原理及应用1.1 聚光光伏（CPV）的原理聚光光伏（
3、CPV）是指将汇聚后的太阳光通过高转化效率的光伏电池直接转换为电能的技术，CPV 是聚光太阳能发电技术中最典型的代表。使用晶硅电池和薄膜电池进行光电转换，分别是第一、第二代太阳能利用技术，均已得到了广泛应用。利用光学元件将太阳光汇聚后再进行利用发电的聚光太阳能技术，被认为是太阳能发电未来发展趋势的第三代技术。1.2 聚光光伏（CPV）的应用任何资源区聚光光伏太阳能发电系统（CPV）都有效率优势，但目前在资源区才有成本竞争优势，适合我国大西北地区。因为那里阳光比较充足，地域辽阔，适合做大型的聚光光伏发电站，而不太适合在城市里做民用。中国的国情与西方国家不一样，美国、欧洲有很多地方都是独立的别墅，
4、别墅的屋顶是属于自己家的，可以自己安装太阳能板。但在中国就不一样了，大多数老百姓住的都是楼房，给每家每户安装是不现实的。另外，聚光光伏的特点是，在阳光充足的地方，其效率要比多晶硅好很多，现在城市的空气洁净度都很差，对聚光光伏的应用效率会有一些制约。在综合考虑性能和成本的前提下，根据需要采取不同的聚光器、太阳电池、跟踪形式进行工程化设计，组成聚光光伏系统。其中散热是必须优先考虑的因素，因为太阳光汇聚后会在太阳电池表面形成非常高的温度。如果不能及时散热，太阳电池光电转换效率会受到很大影响，甚至会烧毁太阳电池。系统的可靠性、维修性也是需要考虑的因素，如果设计不当，后期的运行成本甚至可能超过前期的系统
5、购置成本。2 聚光光伏太阳能发电系统的构成聚光光伏发电系统，是利用光学系统，将太阳能汇聚到太阳能电池芯片上，然后再利用光伏效应把光能转化为电能的发电技术。它主要由聚光组件、太阳跟踪器、系统支架等部件构成。聚光系统包括聚光器、二次聚光器、反射镜等，聚光光伏应用中主要考虑的是聚光的倍数以及聚光后光斑的辐射强度分布以及光谱情况等。聚光器依据光学原理可以分为折射聚光器、反射聚光器、复合聚光器、热光伏聚光器等。2.1 聚光组件2.1.1 折射聚光器折射聚光器分为菲涅尔透镜和普通透镜两种。其中菲涅尔透镜是平面化的聚光镜，菲涅尔透镜具有质量轻、成本低、应用结构简单的优点。折射聚光器存在的问题是太阳光在经过每
6、一个折射时会有约 4%的损失，透镜的透光效率也受透镜材料、加工工艺以及太阳照射时间的影响，同时存在不同程度的色散现象。在实际应用中，在透镜的复杂程度和聚焦后光斑的质量之间，经常不得不进行折中处理。2.1.2 反射聚光器反射聚光器主要有抛光镜、平板、抛物槽、组合抛物面（cpc）等几种类型。反射的材料主要是镀银玻璃和渡铝面，也有使用高分子材料的高反射率薄膜制作反射面。反光镜的优点是不存在色散现象，光斑辐照分布均匀，反射效率可以接近 100%。缺点是常规反射器由于需要在反射面上固定太阳电池，太阳电池的安装要比折射聚光器复杂，而且固定装置会在反射面上、进而在太阳电池表面产生阴影。另外，如果反射面受到污
7、染，反射率会急剧哀降。在实际应用中，由于对日跟踪系统的精度以及风向的影响，实际太阳入射方向常常会稍微偏离聚光器轴向方向，太阳电池表面光斑的光强分布会迅速哀降。以某 400 倍菲涅尔透镜为例，如果入射角偏离 0.5 度，光学效率将会哀降为 64%，如果入射角偏离 1 度，光学效率将降为 0。2.1.3 复合式聚光器为综合折射式和反射式聚光器的优点，也有的研究发展综合利用了折射、反射、全反射等聚光方式的复合式聚光器。2.1.4 热光伏聚光器热光伏聚光器是通过将太阳光聚到辐射器上，激发辐射器发出波段比较单一的辐射到太阳电池上，理论上可以达到很高的效率，但是目前还没有在实际中得到应用。2.2 太阳电池
8、聚光光伏所使用的太阳电池是聚光光伏技术的核心和基础，早期主要使用晶体硅太阳电池。目前国际上普遍趋向于使用三结砷化镓太阳电池2.3 跟踪系统一般情况下，对于聚光率超过 10 的聚光系统，为保证聚光效果，均须采用跟踪系统。跟踪系统分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。双轴跟踪系统又根据转动轴的组合方式分为极轴式，基座式，水平驱轴式，转盘式等几种。极轴式控制相对简单，但精度稍低，极轴式和基座式结构相对简单，安装比较容易，但是受风的影响比较大，而且单系统容量受到结构强度和结构成本影响有所限制，水平驱轴式受风力影响较小，占用空间相对较少，用于屋顶应用比较多，但安装相对复杂。转盘式结构高度和受风力影响最小，能够有效
9、的降低结构成本，单系统容量也可以做的较大。但是转盘安装时各种形式中最复杂的，需要做大量的调整工作以保证每个太阳阵列保持一致。另外有一种比较特殊的跟踪系统方式是中央塔式，其特点是太阳电池大面积相邻排列布置在中央发电塔顶部，通过控制四周分散布置的平面镜反射阳光汇聚到发电塔顶部电池阵列实现聚光发电。跟踪控制方式主要分为时间控制、太阳跟踪定位控制以及综合控制几种方式。时间控制是根据太阳-地球运行的基本原理，根据系统所在的位置计算出各个时间点太阳相对位置，进而控制太阳阵列对准该位置。位置测算及及时可以采用 GPS 系统或其他控制空间定位系统，也可以采用授时信号计时。该种跟踪方式成本较低，但是对运动部件精
10、度要求较高。太阳跟踪定位控制是利用传感器测出太阳在天空中所在位置，控制太阳阵列对准太阳所在的位置，可以实现实时控制。但是在早晚和多云天气，太阳光照强度不能达到传感器触发点时，会产生丢失太阳、无法跟踪的现象。所有目前发展出将两种控制方式结合在一起的综合控制方式，可以比较好的保证对日跟踪定位。同时通过远程通讯，由一套控制系统同时控制几十甚至上百座聚光系统，可以有效降低成本，但是该种方式对单套系统的位置基准点控制精度要求较高。3 国内外聚光光伏太阳能发电系统的发展现状3.1 国内的发展现状对于很多聚光光伏行业的投资商、生产商来说，投资聚光光伏示范电站的建设成本还是比较高的。由于聚光光伏电站多采用砷化
11、镓电池，其价格非常昂贵，最早使用在太空领域，为卫星和空间站提供能源，在地面使用难以普及。从国内来看，目前尚无成熟的聚光光伏设备制造商，产品进口依赖度较高。由于聚光光伏电站结合了光学、控制、机械等多种学科技术，其研发投入相比晶硅技术要更高一些。就聚光光伏这个行业来讲，因为每个公司处在不同的状态，它面对的问题也不一样。有些公司不愿意从基础做起，而是从国外把技术和设备直接搬过来，更多地倾向于拿来主义 。所以，中国聚光光伏市场，利用拿来主义的公司与经过多次研究、自主研发的公司，所碰到的问题肯定是不一样的。重要的是，国内真正由自己来开发系统集成的公司非常少。目前国内仅有的一家涉足聚光光伏产品生产的上市公
12、司三安光电的产品组件全部为进口，仅在国内实现拼装。高昂的成本使三安光电的聚光项目并不是以盈利为目的，业内人士认为，三安光电之所以愿意去做这个高成本的项目，主要是为了抢占市场先机，提高知名度，是以广告效益为目的。不过，基于聚光光伏的发展前景，国内也有默默无闻的企业在潜心研究这一新技术。新曜光电就是其中一家，公司是以第三代高聚光型(HCPV)太阳能发电模组和发电系统的开发、设计和产业化为主要业务方向的高科技公司。新曜光电自主研发的发电模块、光学系统以及跟踪系统等，已经处于全世界领先地位。目前，这些设备的倍率、发电效率和系统控制功能都比国外先进技术要领先。现在在国内，我们也看到有一些特别大的公司在做
13、电池片，随着行业的整体发展，未来，国内整个太阳能产业“两头在外”的瓶颈不会改变，聚光光伏应该会比晶硅好得多。另外，聚光光伏产业的产能扩充会相对简单一些，薄膜的产能扩充是非常困难的，要靠设备；晶硅的产能扩充也不是特别难，但可能时间会长一些。而聚光的产能扩充速度会更快，因为聚光对设备的需求不高，没有什么特别专用的设备，都是一些通用的电器设备，会相对简单。所以，聚光光伏将来的供应链应该不是问题。 3.2 国外的发展现状由于聚光光伏的效率及成本优势，聚光光伏产业也受到风险投资的青睐，在过去 5 年间，很多资金和众多厂商投入到这个产业，提出了很多聚光光伏解决方案。比较有代表性的有：美国 Amonix 公
14、司在聚光光伏兴业已经有将近 20 年的发展历史，早期使用硅太阳电池，技术发展已经相对成熟。在西班牙，美国 Guascor Foton 公司于2007 年安装了 6MW 至 2008 年已经累计安装了近 15MW Amonix 公司基于硅太阳电池的高倍聚光系统。目前 Amonix 公司正在为美国 Spectrolab 多结太阳电池技术重新设计其聚光发电系统。美国 Emcore 公司，使用自己具有独立知识产权的太阳电池技术，据报道其已同澳大利亚 Green and Gold 公司签订了总规模 105MW，价值 2400 万美元的合同。在国内已经分别在廊坊和厦门安装了总共三套单台 25MW、采用菲涅
15、尔透镜，聚光 500 倍的聚光光伏系统，远期预计系统成本将降到 3 美元/瓦以下。美国 Emcore 公司原来只有每年 80MW 的聚光光伏产能，2008 年已经增加到每年150MW 的生产规模。在河北廊坊设立聚光电池模块封装厂。西班牙的 Isofoton 采用自行设计的两级透镜实现聚光 1000 倍，已经可以提供产能为 10MW 的自动生产线交钥匙工程。德国 Concentrix Solar 采用德国 Fraunhofer Institute For Solar Energy Systems 与俄罗斯圣彼德堡 loffe 研究所共同合作开发的菲涅尔透镜全玻璃聚光器模块。其预计年产达到 200
16、MW 时成本可降至 1024 欧元/瓦。2009 年 5 月，以色列 ZenithSolar 公司在以色列阿什杜德东部沿海平原上的一个公共农业定居所点，利用该公司与以色列本-古里安大学合作研发的由两个面积为 9 平方米的太阳能发射镜和两个 100 平方厘米的砷化镓太阳电池组成的新型聚光发电系统，建成首个具有太阳能发电和热水回收双重功能的太阳能光伏电厂。该电厂有 16 台该发电装置组成，全年可发电 150MWH，产生热能300MWh，总能源转换效率达到 70%以上，能够满足该社区一半的能源需求。在国际上，专业制作砷化镓电池的公司主要是美国的 Emcore, SpectroLab(波音的子公司)和德国的 Azur Space。目前美国、西班牙、意大利等国家已经看出了这个趋势，聚光光伏已经被作为光伏电站的主流技术。3.3 聚光光伏产业的机遇和挑战聚光光伏作为未来光伏重要发展方向之一，已经得到广泛公认，聚光光伏技术的发展受到前所未有的重视，聚光光伏产业面临着巨大的发展机遇，但是目前聚光光伏的发展也面临着巨大的调战。首先 聚
