聚光降低光伏成本 商业化任重道远

    发电成本过高一直是推广光伏发电最大的障碍，人们试图从原材料、生产工艺乃至运营规模等多方面入手解决成本问题。研究人员发现，除了上述因素之外，其实还可以通过减少太阳能电池片的需求量来降低电池成本在光伏系统总成本中所占比重，在这条思路的引导下，聚光光伏技术开始浮出水面。

    聚光技术助成本降低

    ·多结I-V族化合物电池是主流

    ·聚光技术使半导体材料需求量大幅下降

    所谓聚光光伏(CPV)技术，简单地讲，就是通过透镜将接收到的太阳能放大成百上千倍，然后将放大的能量聚焦于效率高、面积小的光伏电池上，其基本原理就跟用放大镜点着火柴的原理一样。但是，由于聚光之后将在电池表面积聚很多热量，对于聚光电池尤其是高倍聚光电池而言，散热效果较差的传统晶体硅太阳能电池并不适用。

    “聚光光伏技术采用多结的III-V族化合物电池。”天津蓝天太阳科技有限公司总经理孙彦铮在接受《中国电子报》记者采访时表示，“与晶硅和薄膜电池技术相比，多结电池具有很多优点。首先，多结电池具有宽光谱吸收的特点，从而大大提高转换效率；其次，多结电池温度系数小，适合在高温下工作，因而可以采用高倍聚光技术，减小电池面积；此外，以相对廉价的聚光器件替代昂贵的半导体材料，在大规模应用于发电时可有效降低成本、降低生产能耗。”记者了解到，晶体硅太阳能电池的理论转换效率大概为26%，多结的III-V族电池理论转换率可超过60%，充分体现了其宽光谱吸收器件的优势。

    “对多结电池而言，在聚光之后其转换效率可以从30%增加到38%以上。”三安光电股份有限公司太阳能事业部技术总监俞容文告诉记者，“聚光倍数的增加也将使太阳能电池芯片的材料得到节省，从而使成本得到降低。如果多结电池聚光倍数为1000倍，则所需的芯片面积仅为受光面积的1/1000。经测算，1兆瓦的多结聚光太阳能电站，其所用的多结半导体材料仅为67克。”

    将与传统光伏技术共存

    ·全球聚光光伏市场具有高速增长潜力

    ·中国聚光光伏应用已开始起步

    尽管聚光光伏技术的研发历史已经有30多年，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；在我国，已有多家企业开始尝试在该领域实现突破。记者了解到，四川汉龙集团旗下的成都钟顺科技公司已在重庆和西昌建设了聚光光伏电站；由厦门三安光电在青海格尔木独立设计、安装的规模为1兆瓦的示范电站，目前整体设备安装也已经结束。

    在电池的研发和产业化方面，我国航天系统、电子科技系统的多个研究所也在致力于聚光太阳能电池芯片的研发和生产。诱人的产业前景也促使地方政府加大了对企业的扶持，今年6月，四川省成都双流县人民政府与四川汉龙集团、钟顺太阳能开发有限公司签约，将建设全球首个太阳能聚光光伏产业园，该项目计划在两年内建成200万千瓦的生产规模。

    聚光光伏市场具有高速增长潜力。

据孙彦铮介绍，目前全球的聚光光伏系统装机容量不到200MW，预计今后几年内，随着技术优势和成本优势的体现，市场规模将有爆发式的增长。“未来10年，全球聚光光伏年均增速预计在40%以上，到2020年行业总产值可达500亿元左右。我国目前仅有少量示范电站，随着光伏装机容量的提升，聚光光伏的市场也将逐渐打开。”孙彦铮说。

    不过，从长期来看，聚光光伏系统不会也不可能完全取代晶体硅和薄膜电池的市场。孙彦铮表示，聚光光伏系统适合于大规模的光伏电站，而晶体硅和薄膜电池除了适合于大型光伏电站外，还适用于较小型的家用、商用和建筑一体化等发电系统。

    系统工程需突破难关

    ·太阳跟踪系统精确度要求更高

    ·环境影响不容忽视

    不过，聚光光伏系统技术门槛较高，其太阳能电池生产技术复杂、系统集成技术复杂，其核心技术三结砷化镓电池外延技术只有少数的几个厂家掌握，因此真正实现商业化还有很长的路要走。

    在成本方面，聚光光伏的太阳跟踪系统、维护保障系统等方面的成本也不容忽视。上海太阳能工程技术研究中心主任李红波在接受《中国电子报》记者采访时表示，尽管普通的晶体硅光伏系统也需要跟踪系统，但高倍聚光光伏的太阳跟踪系统对精确度的要求非常高，一方面是为了保证太阳能能准确地聚焦到太阳能电池芯片，另一方面也是避免对芯片周边的组件材料造成损害；而太阳跟踪系统精确度的提升也会使得成本大幅增加。另外，周边环境对聚光光伏系统的影响也很大，例如，在刮风的时候，小幅的倾斜对晶体硅电池几乎没有影响，但很可能会对聚光光伏系统的聚光效果产生致命的影响。

    据李红波介绍，上海太阳能工程技术研究中心已经完成了一个1千瓦的聚光光伏示范工程，该项目已经运行两年，目前正在建设一个50千瓦的示范工程。“应该说，在示范工程运行过程中，我们已经解决了很多难题，但又陆续出现了很多新的问题，需要我们去解决。”李红波表示。

    企业观点

    天津蓝天太阳科技有限公司总经理孙彦铮

    聚光光伏最具成本优势

    聚光光伏发电技术正逐渐成为太阳能领域的焦点。传统的光伏发电技术主要有晶硅电池技术和薄膜电池技术。聚光光伏产业是一个新兴的发电产业。

    聚光光伏系统的生产过程更加节能环保。与传统的晶硅电池制造过程相比，它具有低污染、低耗能的特点。系统的聚光倍数越大，所需的光伏电池面积越小，对于500倍的聚光光伏系统来说，10mm×10mm面积的电池可以发的电能相当于230mm×230mm面积的电池发出的电能。在节省半导体材料用量的同时，降低了太阳能发电系统的生产成本和能耗，使得聚光光伏系统具有更短的能源回收期。

    聚光光伏发电更具成本下降空间。随着聚光光伏技术的更加成熟以及生产规模的进一步扩大，预计未来几年内其综合成本即可低于晶硅和薄膜电池。如果对光伏发电设备的生产环节征收碳排放税，聚光光伏系统的投资回收期仅会延长1～2个月，而晶硅和薄膜电池均会延长1年以上，届时聚光光伏系统的相对成本优势将更加明显。

   全球有数十家公司涉足聚光光伏系统，多数集中于美国，其中以Emcore和SolFocus为代表。SolFocus为西班牙和希腊两大10MV级聚光光伏电站系统供应商；2008年Emcore的聚光光伏系统的销售收入超过5000万美元。国内方面，钟顺科技在重庆和西昌已经实现CPV并网电站的建设，其中西昌聚光光伏电站为国家863计划组成部分。万家乐、三安光电、新华光、水晶光电、利达光电、蓝天太阳、阳远新能源等也都致力于聚光光伏产品的制造。

    聚光光伏系统毕竟是刚刚步入光伏领域，与传统的晶硅及薄膜光伏系统来比，是一个刚刚出生的婴儿。在未来的一段时间内，晶硅与薄膜电池技术仍将是光伏市场的主体。但是聚光光伏系统将逐渐增大其在光伏领域的市场占有率，并将长期与晶硅、薄膜电池共存。

    三安光电股份有限公司太阳能事业部技术总监俞容文

    高效率是聚光光伏最大亮点

    人类对聚光太阳能电池的研究历史并不短，美国的科研人员在1967年就提出了这个概念，但是真正开始建设示范电站也只是最近3～5年的事。Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池成本的降低、多结电池研制的成功加速了聚光光伏商业化的进程。不过，聚光光伏系统的可靠性验证需要进一步加强，另外，聚光镜和跟踪系统也是聚光光伏商业化过程中的难点。

    聚光光伏最大的亮点是效率高，在目前商业化的光伏技术中，聚光光伏的效率是最高的。在光伏行业中，效率是决定成本的重要因素，因此效率的提高对光伏发电成本的降低是有很大帮助的。

    从严格意义上讲，目前主要有三种材料可以用于制造聚光太阳能电池，包括硅基电池、砷化镓电池和多结电池。对硅太阳能电池而言，由于硅是间接半导体材料，其热性能比较差，目前其聚光倍数最高只能做到100倍，在聚光条件下效率仅提高约1%；此外，用于聚光光伏的晶体硅材料其品质必须达到半导体级，其材料成本也高于普通光伏级硅材料。砷化镓材料在光子跃迁过程中并不伴随着发热，因此其热性能优于硅材料，但其聚光倍数也只能做到100倍～200倍。目前三安光电使用锗、砷化镓、镓铟磷等3种不同的半导体材料形成三个p-n结，制作了多结太阳能电池，由于每一种半导体材料具有不同的禁带宽度，分别对应不同的太阳光谱，可以对太阳光进行从蓝光、可见光到红外光的全谱线吸收。这种多结太阳能电池的聚光倍数可以达到1000倍～2000倍，在聚光之后，其转换效率可以在30%的基础上再增加8%～10%。

    多结太阳能电池Ⅲ-Ⅴ族材料的生长技术与LED外延技术实际上是同源的技术，基本上使用同样的设备、同样的工艺，LED生产工艺完全可以移植到多结聚光太阳能电池，所以三安光电在LED领域的技术积累为多结太阳能电池的研发和产业化打下了坚实的基础。

    上海太阳能工程技术研究中心主任李红波

    聚光光伏仍需考虑规模效应

    聚光光伏电池通常使用砷化镓等Ⅲ-Ⅴ族材料，而不宜以硅为衬底，因为经过聚光之后太阳能电池温度会迅速升高，随着温度的升高硅太阳能电池的效率会下降；如果要有效地降低电池的温度，就必须加快散热，这又会使得成本大幅上升。

   尽管用砷化镓材料制造太阳能电池已有多年的历史，但聚光光伏所需的砷化镓电池与普通砷化镓电池也有所不同，因为聚光之后电流增大，对电池表面载流能力的要求也提高，从而对砷化镓材料的要求也更高。

    聚光光伏发电要得到推广，还需要业界加大投入。由于聚光光伏的市场还没有真正启动，因此一些配套材料的厂家对投入资金进行研发的积极性并不高。要解决聚光光伏存在的问题，必须在跟踪系统、玻璃透镜、封装材料等各环节实现突破，需要从事不同领域的厂家共同努力，而不仅仅是解决太阳能电池的问题。在聚光光伏电站得到推广之前，必然会经历示范运行过程，在示范运行中会暴露出很多问题，只要有厂家愿意投入力量去解决，那么聚光光伏很快就会得到推广。

    即便对高倍聚光光伏系统而言，也需要达到一定的规模才会有效益，我认为可行的规模至少应该在100兆瓦以上，如果是几兆瓦的装机容量很难得到效益。比如，对于一座100兆瓦的聚光光伏电站，如果其中1兆瓦的设备需要维修，不会对整个系统造成太大的影响；但如果电站的规模只有1兆瓦，经常处于维修状态的话，成本就会大幅上升。

    对高倍聚光太阳能来说，一些系统的技术问题还没有解决，国外也处于示范状态。在计算投资回收期的时候，还应该考虑系统维修的成本以及维修期间发电的损失。

    聚光太阳能电池的寿命也是需要考虑的问题，通常对太阳能电池的寿命要求为25年。对同样一块电池而言，其辐射的光子总量是一定的，在聚光之后加快了光电转换的速度，那么这样的电池还能否维持25年的寿命，是有必要进一步研究的。