固定式聚光光伏发电方案简介

■ 李穆然 李娜

利用太阳辐射能的光伏发电方式，具有许多非常独特的优点，比如发电过程一不耗水、二不耗气、三不耗煤、四不耗柴、五不耗油、六不耗铀；无噪声、无烟尘、无摩擦、无振动、无隐患、无需管理等。但同时也存在两个很明显的缺点——不稳定和成本高，除去在特殊场合(如航天器、孤岛等)的应用，还不存在和常规能源发电方式进行市场竞争的能力。如欲在电力市场占有一席之地，只有通过两种途径来实现——大步伐提高转换率或大幅度降低系统成本。本文介绍的“固定式聚光光伏发电”方案属于降低成本的一种尝试，近一年来的测试，其效果已得到确认。

说起聚光式光伏发电，并非新鲜事物，早有众多企业和专家进行了深入的研究，大手笔投入数十亿资金的若干生产基地也早已建成，聚光倍率从几百倍到上千倍，并且还在不断攀升。然而随着光伏组件成本的迅速降低，人们发现聚光系统，尤其是所谓高倍聚光光伏发电HCPV系统，能使系统发电成本下降的前景非常渺茫。同样大小的光伏组件在得到了几百上千倍的聚集光束照射后，其发电效率的增加也不过是零点几倍，最多也难超过一倍，但同时却使电池温度大幅上升(其效果近似“烧烤”，故必须增加冷却降温措施)，必须配置双轴跟踪装置，最终核算发电成本不降反升。

汲取HCPV的教训，本文介绍的“固定式聚光光伏发电方案”避免了上述缺点。虽然也是遵循以聚集光束的方式来增加电池表面(靶面)受光强度的原理，但有三点很大的不同：一是倍率设定很低，根据安装条件“n”值仅在1～3之间；二是镜面形状简单，就用普通的平面镜；三是最主要的，不设跟踪环节，无任何运动部件，便具有全年自适应功能。可能有人会问，降低了倍率、简约了外形、又取消了跟踪，成本是降低了，但会不会对增加发电效率产生不利影响呢？起初我们也曾怀疑过它的效果，然而通过一系列实际测试后证明，它的效果不仅不比高倍聚光差，而且还有提高。

本方案构想的获取纯属偶然，来源于一次出车经历。前车后玻璃窗上的太阳反光，正好投向我车前窗，令我车前排人员可以同时看到两个太阳。这一景象，对于一个以多获取阳光为目标的专业人士来说不啻是一个提醒：“想多得些阳光吗？加个镜子不就成了吗？”自此后便开始了一系列的实验，利用光电池、平面镜和测试仪表，对着太阳把镜面和靶面摆放成不同的面夹角和倾角，逐一读取光电池的输出电流和电压，最终找到比较理想的摆放参数——按照这个参数摆放的聚光光伏组合，即使在太阳对靶面的入射角从零度起逐渐增加到五十多度的情况下，电池的输出功率始终可以比光线直接入射的数值要高。这个效果使我们意识到，光伏发电跟踪装置的寿命恐怕要终结了。因为就提高光伏组件的发电功率而言，这一静止的镜面要比两只耗电的电机作用大并且成本低。很多文献记载中，跟踪的系统效果充其量也只能比无跟踪的系统提高20%多而已。

表1给出了此项观测一系列结果中，其中一次的具体数值，列表分项分别为：①入射角(阳光投射方向与靶面法线夹角)；②裸读(即无聚光镜时)；③加镜(有聚光镜时)；④比值四列数据。

表1 定式聚光增益一览表

图1 加镜和无镜时的电流效率曲线

可以看出，当入射角从0?变到50?时，在无镜情况下，电流从13.2mA降到7.1mA，降幅为45%；而有了反射镜以后，其输出电流不仅一直未见减少，且一度出现比阳光直射光电池时的电流还要高出8.5mA的峰值，增幅达到了65%，在同一入射角的情况下增幅最高竟达102%，全域平均增幅80.4%。

55?的监测范围，已经比地球上任何一处的赤纬角变化幅度46.7?高出8?多，完全可以证明前面做出的论述：从全年跨度来看，固定聚光系统要比任何精密跟踪系统的效果都更理想、更省钱是正确的。可以预测，一旦人们认识到这一点，今后再也不会在街面上看到光伏路灯(还有光伏红绿灯等)其上方仅有一块光伏板孤零零矗立在杆头，一定会看到有一面平镜与光伏板并蒂而生，因为比起每盏上万元的投资，多花几十元钱成本安装一面镜子就可以多发一倍的电能，或者直接少用40%的光伏板，而效果丝毫不减。这笔账是谁都能算清楚的。

图2 单体固定式聚光光伏发电光路示意图

以上分析是对单体、小型光伏设备而言；而对大型阵列式光伏发电工程来说，采用“固定聚光技术”意义则更为巨大。随手拈来任何一个光伏工程的照片，你会发现在每一排发电光伏板前后都会留有很大的间距(纬度越高，间距越大)，这是为了避免前排板面对后排板面在冬至时分日照高度在最低时造成阳光遮挡(有冬至时必须保证板面一天达到6小时日照时间的规定)。然而这个间距到了春、夏、秋季节，太阳高度升高了，就会有大量阳光投射其间，起不到能量转化的作用。把这部分阳光利用起来最有效的措施，就是在前排板面顶部到后排板面底部，架设起平面的反射镜面(见图3)，即固定聚光模式的工程化应用。由于镜面是跨接在前排板面的后面，所以冬至时分不会对后排板面起到遮挡作用；随着时日变化，太阳高度角升高，直接投射到电池面上的阳光会由于入射角增大而越来越少，然而通过反射镜面反射到电池面上的阳光反而会逐渐增多，电池表面接受到的总辐射量并未见减少并且有所增加。此趋势至少可以在45¡～50¡范围内得以维持，这个范围已经足以令电池表面在全年范围内均衡地发挥出光电池的良好工作状态，彻底消除了平板式光电池固定安装的余弦效应，实现了自适应的终极目标。

图3

当然，敷设镜面会增加一些新的开销，但若全面评估测算，建设此类固定型聚光阵列电站和同规模同种类(电池)无聚光光伏电站相比，成本不仅不会增加，反而会有所减少。因为此类电站采用的仅仅是普通平面镜，且仅为光电池面积的1～3倍，而普通镜面比光电池(哪怕是最廉价的薄膜电池)的成本要低得多。高倍聚光方案1200倍的镜面用量都没有挡住人们的步伐，两三倍的又算得了什么呢？

由于本方案容许而且必须要让光伏电池的表面在冬至时正对阳光，所以它的倾角要比一般固定安装的电池面(一般是按当地纬度取值)要多倾斜23?～28?，这样就可以节约20%～25%的光伏组件，并减少18%～20%的占地面积，仅此两项节约足以把增置反射镜的花费全部抵销并仍绰绰有余，所以担心固定式聚光电站的成本会增加是没有根据的。从图3上下对比可以看出，间距相同条件下，S1＞S2，L1＞L2。

前面的论述只提到固定聚光镜可以起到全年提高发电功率80%之多，但发电功率的提高幅度并不等同全年发电量的提高幅度。同样日照条件下，光伏板上可以得到更多的太阳辐射强度，并且肯定还会带来以下两种效应——每一天发电时间的延长和每一年可发电天数的增加。以上三种效应的叠加，同规模的电站年发电量可以提高的不是80%，而有望达到或超过100%。按照目前光伏发电成本已经最低为1元/kWh推算，发电量翻番意味着发电成本减半，即可以马上做到0.5元/kWh，实现平价上网。

我们不久前得知工信部发布规划：要支持骨干光伏企业，使光伏发电成本在2015年降到0.8元/kWh，2020年降到0.6元/kWh，现在这个目标看来有点保守。八年抗战恐怕用不了，骨干企业努努力，八天就差不多能达到了。资料介绍有些大企业10天就可以做一个10MW的光伏项目，那么做个几千瓦级的小工程几个小时就可以了。不用担心因为增加了镜面会对输电逆变等造成干扰，相对光电转化过程而言，这只是一个外部因素，其本质同给一个灯泡加上灯罩，地面亮度就增加的道理一样简单，不能想象有了灯罩，会对灯头的工作造成什么负面影响。同是为了一个把单位组件输出增加一倍的目的，骨干企业可以选择投入几百亿苦劳七八年去创造新的光伏电池，也可以选择在组件前加面镜子，把近在咫尺浪费掉的大好阳光顷刻转化为囊中的真金白银；非骨干企业只要手握0.5元/kWh的成本优势和雄心，完全可以在缺电地区去抢滩民用市场，和同价位但却为排碳元凶的火电一拼高下。都说光伏业寒冬已至，应对寒冬借来第二绺阳光也许是很有用的。以上论述有欠妥之处请专家指正。

注：

1、接知识产权局通知，编号为201120394232.1的实用新型专利申请已授予专利权，并成为北京发明协会举办的2011年度北京市发明比赛获奖项目。

2、测试组件为: 3cm×6cm非晶硅薄膜电池。