屋頂型聚光光伏系統

■ 穆 杰,夏宏宇,仲 琳,3

（1. 天津藍天太陽科技有限公司；2. 天津電源研究所；3. 華北電力大學）

一 技術簡介

聚光光伏(CPV)，是指利用菲涅爾透鏡等光學器件，將太陽光匯聚到一個面積很小但效率很高的太陽電池上，再轉化為電能的技術。通過大幅提高單位面積的太陽輻射強度，降低了電池材料的使用量，提高了系統的輸出功率，進而降低了發電成本。CPV技術作為新一代的光伏發電技術，同傳統光伏技術相比，在光電轉換效率上有著無可比擬的優勢，理論效率可達70%以上；在降低成本上，隨著技術的成熟和產能的擴大，非常具有潛力。

圖1 聚光光伏原理結構示意圖

將CPV技術應用于太陽能屋頂，即屋頂型聚光光伏系統(屋頂CPV)是針對目前快速發展的分布式光伏發電技術而來。以往設計的CPV系統主要針對大型并網光伏電站，無論是占地面積，還是系統自重都不適用于普通建筑物屋頂的環境。在面積尺寸和承載力有限的屋頂，配置結構和系統布局都經過優化設計的屋頂CPV具有一定優勢。其靜態載荷通常低于30kg/m2，普遍適用于大部分工業和商業建筑的屋頂；系統光電效率大于25%，極大提高了單位屋頂面積的電能產出。屋頂 CPV與屋頂 PV(晶硅光伏系統)性能比較見表1。

表1 屋頂 CPV與屋頂 PV(晶硅光伏系統)比較

二 國內外相關研究進展

1 美國 Soliant

組件采用1000倍聚光技術，一體化注塑成型工藝；采用雙軸Tip-Tilt跟蹤系統，跟蹤精度0.1?，最小高度0.76m，低風剖面設計，最大抗風208km/h。單位面積重量9～24kg/m2。由于組件采用了獨特的專利設計，可最大限度增加系統排布密度，減小陰影遮擋對系統發電功率的影響。適用于面積有限的屋頂。

2 美國 Energy Innovations

圖2 美國Soliant屋頂CPV光伏系統照片

圖3 美國Soliant屋頂CPV系統結構

圖4 美國Energy Innovations屋頂聚光光伏系統

組件效率30%，1200倍聚光，接受角容差±0.9?，單位重量小于19kg/m2，平均高度0.7m，微型雙軸跟蹤器，跟蹤精度0.3?，無線數據監控，最大抗風145km/h，采用微型逆變器，可減小遮擋和組件功率不匹配造成的功率衰減。可用于屋頂和停車場。

3 俄羅斯 Ioffe

俄羅斯科學院Ioffe物理技術研究所，創建于1918年。下設的光伏實驗室于1969～1970年開發出三結砷化鎵太陽電池，1999年，成功開發出第一套屋頂型聚光光伏系統。組件面積0.5m2，厚度7cm，采用288片三結砷化鎵電池，800倍聚光，電池效率超過37%，光學效率87%。單機功率最大可達10kW。

圖5 俄羅斯Ioffe研究所屋頂型聚光光伏系統

4 中國藍天太陽

藍天太陽繼承了中國電科十八所30多年的太陽能光伏產品研究制造的成果和經驗，是集太陽電池外延、器件、封裝、組件、系統集成，即整條太陽能產業鏈研發制造能力于一身的高新技術企業。已申請及授權相關專利50余項。藍天太陽的屋頂型聚光組件為500倍聚光，光電轉換效率大于25%，接收角容差±0.5?，厚度只有15cm，單位面積重量15kg/m2。系統跟蹤精度0.1?～0.2?，根據屋頂尺寸可柔性設計組串數量和跟蹤器排布，抗風能力達到13級。安裝1MW系統，只需10個人，1個星期。

以上選取了國內外典型的幾家聚光光伏企業研究開發的屋頂 CPV系統進展情況，比較結果見表2。

圖6 藍天太陽屋頂型聚光光伏系統

表2 國內外屋頂型聚光光伏系統比較

三 可行性分析

1 技術

現有的光伏屋頂多采用單晶硅和多晶硅或薄膜技術，光電轉換效率理論值是18%，與平板太陽能屋頂系統相比，屋頂型聚光光伏系統可最大化單位屋頂面積的電能產出，效率可達25%以上。由Green Earth Technology Service提供的Energy Innovations某項目51kWp系統的測試數據為例，如表3所示。同樣功率的系統，Rooftop CPV比PV多發電48%，而占地面積只有PV的75%。

表3 屋頂 CPV與PV系統發電量及占地面積比較

一些工業屋頂采用瓦楞彩鋼板結構，載荷能力在50kg/m2以上，商業及一般建筑物的大部分屋頂承重都在100kg/m2以上。國內外常見的幾種屋頂CPV系統，高度一般都不會超過女兒墻，單位面積重量都小于30kg/m2。屋頂CPV的動態或靜態載荷可滿足大部分屋頂的承重要求。

圖8 十二級風條件下屋頂 CPV的動態載荷仿真

系統設計上可以采用PVsyst進行建模仿真，大部分常見的屋頂 CPV系統都可采用“Two axis,frame EW”這個模型。設置好組串、跟蹤極限角度、跟蹤器排布、遮擋物后，即可以進行陰影遮擋的仿真。根據仿真數據和屋頂可利用面積再進行優化調整。

一般的光伏系統在受到周圍物體遮擋時，同一個組串的陰影區與光照區電池板的電流差異會導致該組串的輸出功率大幅下降。根據美國國家半導體的試驗統計，遮擋10%的面積，會造成50%的發電量損失。而屋頂CPV在組件內部電池片的串并聯電路上，以及組件之間的組串排布上都進行了優化設計，如Soliant的專利設計(《包括一個或多個耐陰性不限方案的太陽能系統》，專利號：PCT/US2009/003051)，其組件內部的電池片采用了S型串并聯方式；另外一種如Energy Innovations采用的微型逆變器方式，每5個組件連接一臺410Vdc的微型逆變器，作為一個獨立的子系統，局部遮擋不會對整體造成嚴重影響；藍天太陽采用的是分布式MPPT電源優化器方式，每塊聚光光伏組件連接一塊電源優化器，電源優化器以間接的方式互聯相通，自動檢測電壓電流，并進行調整。以上幾種方式都極大的避免或減小了陰影遮擋對系統功率輸出的影響。

圖9 應對陰影遮擋影響的優化設計

2 政策

《可再生能源發展“十二五”規劃》提出，未來5年內屋頂太陽能裝機規模目標為300萬kW，到2020年規模可達2500萬kW，在目前30萬kW基礎上增長80多倍，占太陽能發電中長期目標的半壁江山。近一年多以來，我國光伏產業嚴重依賴國外市場的風險在歐美“雙反”時暴露無遺。為挽救我國光伏產業，國家2012年以來連續出臺政策支持分布式光伏發電發展。國家公布的相關規劃提出，2015年分布式光伏發電要達到1000萬kW，比“十二五”規劃提高了700萬kW。同時，明確提出鼓勵在中東部地區建設與建筑結合的分布式光伏發電系統。

國家發改委、國家能源局、國家電網等相繼頒布鼓勵分布式光伏并網發電政策，這些政策制定了光伏電站分區域上網標桿電價，擴大了可再生能源基金規模，保障了分布式光伏發電按電量補貼的資金及時發放到位，激發了國內市場有效需求，推動了產業創新升級。政策鼓勵個人發電并網，發電量可以自用，電網免費提供接入系統方案制定、并網檢測、調試全過程服務等多項利好措施；同時，不收取費用，允許富余電力上網，政府也會給予一定的光伏補貼。相比過去，政策上更具有可操作性，規避了投機行為，對一般用戶的吸引力更高。

國家對國內光伏產業，保持了政策連續性。屋頂型聚光光伏系統正是適應了有關產業促進政策，因此有著廣闊的發展前景。

3 市場

屋頂CPV作為一種新型的光伏應用，需要先經過產品開發，試驗和驗證，再從小批量的試驗性生產逐漸過渡到大批量的商業化生產。這個過程中，技術的創新，市場的需求，供應鏈的成熟，投資成本的可控等因素起到了重要作用。該產品最終能否被市場所認可，取決于幾個方面：

(1)規模化生產的建立。屋頂CPV所采用的太陽電池為三結(或多結)砷化鎵太陽電池，消耗材料少，成本低。據測算，同等發電量原電池體積只須硅電池的千分之一，只要達到硅電池百分之一的產能，就可使二者的成本相當。在目前硅電池，產能達到幾十GW的情況下，聚光光伏產能仍處于小批量生產階段，所以現階段屋頂CPV產品的價格相比普通PV產品仍然偏高。相信隨著聚光光伏產能的不斷擴大，屋頂CPV很快會實現電能平價上網的目標。

(2)資本市場的投入。聚光光伏企業需要吸引資本投入來實現規模擴大和快速成長。正如近幾年多晶硅投資的瘋狂增長，加速了光伏市場的過剩風險，增加資本積累對于目前市場競爭來說也是充滿挑戰性的。正如多數市場分析師預測的一樣，像屋頂CPV這樣具有競爭力的技術，在未來幾年內會處于有利位置。

(3)技術的持續創新。屋頂CPV的主要技術方向分為組件、跟蹤器、系統結構等幾方面。目前商業化的聚光光伏組件效率最高可達34%，預計到2020年聚光電池效率將達到50.4%，電池效率提高可以在不增加材料成本的前提下，大大提高組件的額定功率。根據近年來的統計結果，相關技術的持續創新，平均每年可提供成本的下降通道達到10%以上。

(4)產業鏈的不斷完善。全球化帶來了美國和德國的聚光電池、光路設計、菲尼爾透鏡、硅膠、跟蹤器。開發者們只需要將他們組裝起來，就能完成一套聚光光伏系統。為了適應市場需要，若干有實力的企業采取了產業鏈垂直一體化整合的方式進一步降低成本。

國際市場方面，無論是利用已有建筑加裝屋頂電站，還是光伏光電建筑一體化，近年來，隨著國際上有關政策支持力度的進一步加大，屋頂光伏電站正逐漸走進城市，在為市民生活提供綠色能源的同時，也被業界視為未來城市光伏利用的方向。圖1 0為《美國屋頂光伏市場模型報告》(Modeling the U.S. Rooftop Photovoltaic’s Market)提供的屋頂型光伏系統的累計安裝量和未來裝機量的預測。

圖10 美國屋頂型光伏市場累計裝機量及預測

國內市場方面，2008年左右，隨著聚光光伏技術的突破，部分企業加快發展引入國外技術和產品，市場逐漸起步，全國范圍內開始建設小型示范電站；越來越多企業通過產品認證，獲得市場認可。隨著國家對分布式光伏發電的各種政策的刺激，極大的促進了用戶安裝屋頂型光伏系統的積極性。屋頂CPV因為占用屋頂面積小，光電轉換效率高，壽命期間的平準化電力成本低，安裝使用維護簡單。因此應用在商業、工業、政府和公共建筑的屋頂，將是理想的光伏建筑一體化發電方式。隨著用戶的不斷了解和逐漸認可，聚光光伏企業的成本下降和產品推廣，將會有更多的屋頂CPV示范項目實施。屋頂CPV必將占據相當的市場份額，預計未來兩三年內累計安裝項目有望達到80～100MW。

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