固定式聚光光伏發電方案簡介

■ 李穆然 李娜

利用太陽輻射能的光伏發電方式，具有許多非常獨特的優點，比如發電過程一不耗水、二不耗氣、三不耗煤、四不耗柴、五不耗油、六不耗鈾；無噪聲、無煙塵、無摩擦、無振動、無隱患、無需管理等。但同時也存在兩個很明顯的缺點——不穩定和成本高，除去在特殊場合(如航天器、孤島等)的應用，還不存在和常規能源發電方式進行市場競爭的能力。如欲在電力市場占有一席之地，只有通過兩種途徑來實現——大步伐提高轉換率或大幅度降低系統成本。本文介紹的“固定式聚光光伏發電”方案屬于降低成本的一種嘗試，近一年來的測試，其效果已得到確認。

說起聚光式光伏發電，并非新鮮事物，早有眾多企業和專家進行了深入的研究，大手筆投入數十億資金的若干生產基地也早已建成，聚光倍率從幾百倍到上千倍，并且還在不斷攀升。然而隨著光伏組件成本的迅速降低，人們發現聚光系統，尤其是所謂高倍聚光光伏發電HCPV系統，能使系統發電成本下降的前景非常渺茫。同樣大小的光伏組件在得到了幾百上千倍的聚集光束照射后，其發電效率的增加也不過是零點幾倍，最多也難超過一倍，但同時卻使電池溫度大幅上升(其效果近似“燒烤”，故必須增加冷卻降溫措施)，必須配置雙軸跟蹤裝置，最終核算發電成本不降反升。

汲取HCPV的教訓，本文介紹的“固定式聚光光伏發電方案”避免了上述缺點。雖然也是遵循以聚集光束的方式來增加電池表面(靶面)受光強度的原理，但有三點很大的不同：一是倍率設定很低，根據安裝條件“n”值僅在1～3之間；二是鏡面形狀簡單，就用普通的平面鏡；三是最主要的，不設跟蹤環節，無任何運動部件，便具有全年自適應功能。可能有人會問，降低了倍率、簡約了外形、又取消了跟蹤，成本是降低了，但會不會對增加發電效率產生不利影響呢？起初我們也曾懷疑過它的效果，然而通過一系列實際測試后證明，它的效果不僅不比高倍聚光差，而且還有提高。

本方案構想的獲取純屬偶然，來源于一次出車經歷。前車后玻璃窗上的太陽反光，正好投向我車前窗，令我車前排人員可以同時看到兩個太陽。這一景象，對于一個以多獲取陽光為目標的專業人士來說不啻是一個提醒：“想多得些陽光嗎？加個鏡子不就成了嗎？”自此后便開始了一系列的實驗，利用光電池、平面鏡和測試儀表，對著太陽把鏡面和靶面擺放成不同的面夾角和傾角，逐一讀取光電池的輸出電流和電壓，最終找到比較理想的擺放參數——按照這個參數擺放的聚光光伏組合，即使在太陽對靶面的入射角從零度起逐漸增加到五十多度的情況下，電池的輸出功率始終可以比光線直接入射的數值要高。這個效果使我們意識到，光伏發電跟蹤裝置的壽命恐怕要終結了。因為就提高光伏組件的發電功率而言，這一靜止的鏡面要比兩只耗電的電機作用大并且成本低。很多文獻記載中，跟蹤的系統效果充其量也只能比無跟蹤的系統提高20%多而已。

表1給出了此項觀測一系列結果中，其中一次的具體數值，列表分項分別為：①入射角(陽光投射方向與靶面法線夾角)；②裸讀(即無聚光鏡時)；③加鏡(有聚光鏡時)；④比值四列數據。

表1 定式聚光增益一覽表

圖1 加鏡和無鏡時的電流效率曲線

可以看出，當入射角從0?變到50?時，在無鏡情況下，電流從13.2mA降到7.1mA，降幅為45%；而有了反射鏡以后，其輸出電流不僅一直未見減少，且一度出現比陽光直射光電池時的電流還要高出8.5mA的峰值，增幅達到了65%，在同一入射角的情況下增幅最高竟達102%，全域平均增幅80.4%。

55?的監測范圍，已經比地球上任何一處的赤緯角變化幅度46.7?高出8?多，完全可以證明前面做出的論述：從全年跨度來看，固定聚光系統要比任何精密跟蹤系統的效果都更理想、更省錢是正確的。可以預測，一旦人們認識到這一點，今后再也不會在街面上看到光伏路燈(還有光伏紅綠燈等)其上方僅有一塊光伏板孤零零矗立在桿頭，一定會看到有一面平鏡與光伏板并蒂而生，因為比起每盞上萬元的投資，多花幾十元錢成本安裝一面鏡子就可以多發一倍的電能，或者直接少用40%的光伏板，而效果絲毫不減。這筆賬是誰都能算清楚的。

圖2 單體固定式聚光光伏發電光路示意圖

以上分析是對單體、小型光伏設備而言；而對大型陣列式光伏發電工程來說，采用“固定聚光技術”意義則更為巨大。隨手拈來任何一個光伏工程的照片，你會發現在每一排發電光伏板前后都會留有很大的間距(緯度越高，間距越大)，這是為了避免前排板面對后排板面在冬至時分日照高度在最低時造成陽光遮擋(有冬至時必須保證板面一天達到6小時日照時間的規定)。然而這個間距到了春、夏、秋季節，太陽高度升高了，就會有大量陽光投射其間，起不到能量轉化的作用。把這部分陽光利用起來最有效的措施，就是在前排板面頂部到后排板面底部，架設起平面的反射鏡面(見圖3)，即固定聚光模式的工程化應用。由于鏡面是跨接在前排板面的后面，所以冬至時分不會對后排板面起到遮擋作用；隨著時日變化，太陽高度角升高，直接投射到電池面上的陽光會由于入射角增大而越來越少，然而通過反射鏡面反射到電池面上的陽光反而會逐漸增多，電池表面接受到的總輻射量并未見減少并且有所增加。此趨勢至少可以在45?～50?范圍內得以維持，這個范圍已經足以令電池表面在全年范圍內均衡地發揮出光電池的良好工作狀態，徹底消除了平板式光電池固定安裝的余弦效應，實現了自適應的終極目標。

圖3

當然，敷設鏡面會增加一些新的開銷，但若全面評估測算，建設此類固定型聚光陣列電站和同規模同種類(電池)無聚光光伏電站相比，成本不僅不會增加，反而會有所減少。因為此類電站采用的僅僅是普通平面鏡，且僅為光電池面積的1～3倍，而普通鏡面比光電池(哪怕是最廉價的薄膜電池)的成本要低得多。高倍聚光方案1200倍的鏡面用量都沒有擋住人們的步伐，兩三倍的又算得了什么呢？

由于本方案容許而且必須要讓光伏電池的表面在冬至時正對陽光，所以它的傾角要比一般固定安裝的電池面(一般是按當地緯度取值)要多傾斜23?～28?，這樣就可以節約20%～25%的光伏組件，并減少18%～20%的占地面積，僅此兩項節約足以把增置反射鏡的花費全部抵銷并仍綽綽有余，所以擔心固定式聚光電站的成本會增加是沒有根據的。從圖3上下對比可以看出，間距相同條件下，S1＞S2，L1＞L2。

前面的論述只提到固定聚光鏡可以起到全年提高發電功率80%之多，但發電功率的提高幅度并不等同全年發電量的提高幅度。同樣日照條件下，光伏板上可以得到更多的太陽輻射強度，并且肯定還會帶來以下兩種效應——每一天發電時間的延長和每一年可發電天數的增加。以上三種效應的疊加，同規模的電站年發電量可以提高的不是80%，而有望達到或超過100%。按照目前光伏發電成本已經最低為1元/kWh推算，發電量翻番意味著發電成本減半，即可以馬上做到0.5元/kWh，實現平價上網。

我們不久前得知工信部發布規劃：要支持骨干光伏企業，使光伏發電成本在2015年降到0.8元/kWh，2020年降到0.6元/kWh，現在這個目標看來有點保守。八年抗戰恐怕用不了，骨干企業努努力，八天就差不多能達到了。資料介紹有些大企業10天就可以做一個10MW的光伏項目，那么做個幾千瓦級的小工程幾個小時就可以了。不用擔心因為增加了鏡面會對輸電逆變等造成干擾，相對光電轉化過程而言，這只是一個外部因素，其本質同給一個燈泡加上燈罩，地面亮度就增加的道理一樣簡單，不能想象有了燈罩，會對燈頭的工作造成什么負面影響。同是為了一個把單位組件輸出增加一倍的目的，骨干企業可以選擇投入幾百億苦勞七八年去創造新的光伏電池，也可以選擇在組件前加面鏡子，把近在咫尺浪費掉的大好陽光頃刻轉化為囊中的真金白銀；非骨干企業只要手握0.5元/kWh的成本優勢和雄心，完全可以在缺電地區去搶灘民用市場，和同價位但卻為排碳元兇的火電一拼高下。都說光伏業寒冬已至，應對寒冬借來第二綹陽光也許是很有用的。以上論述有欠妥之處請專家指正。

注：

1、接知識產權局通知，編號為201120394232.1的實用新型專利申請已授予專利權，并成為北京發明協會舉辦的2011年度北京市發明比賽獲獎項目。

2、測試組件為: 3cm×6cm非晶硅薄膜電池。