屋顶型聚光光伏系统

■ 穆 杰,夏宏宇,仲 琳,3

（1. 天津蓝天太阳科技有限公司；2. 天津电源研究所；3. 华北电力大学）

一 技术简介

聚光光伏(CPV)，是指利用菲涅尔透镜等光学器件，将太阳光汇聚到一个面积很小但效率很高的太阳电池上，再转化为电能的技术。通过大幅提高单位面积的太阳辐射强度，降低了电池材料的使用量，提高了系统的输出功率，进而降低了发电成本。CPV技术作为新一代的光伏发电技术，同传统光伏技术相比，在光电转换效率上有着无可比拟的优势，理论效率可达70%以上；在降低成本上，随着技术的成熟和产能的扩大，非常具有潜力。

图1 聚光光伏原理结构示意图

将CPV技术应用于太阳能屋顶，即屋顶型聚光光伏系统(屋顶CPV)是针对目前快速发展的分布式光伏发电技术而来。以往设计的CPV系统主要针对大型并网光伏电站，无论是占地面积，还是系统自重都不适用于普通建筑物屋顶的环境。在面积尺寸和承载力有限的屋顶，配置结构和系统布局都经过优化设计的屋顶CPV具有一定优势。其静态载荷通常低于30kg/m2，普遍适用于大部分工业和商业建筑的屋顶；系统光电效率大于25%，极大提高了单位屋顶面积的电能产出。屋顶 CPV与屋顶 PV(晶硅光伏系统)性能比较见表1。

表1 屋顶 CPV与屋顶 PV(晶硅光伏系统)比较

二 国内外相关研究进展

1 美国 Soliant

组件采用1000倍聚光技术，一体化注塑成型工艺；采用双轴Tip-Tilt跟踪系统，跟踪精度0.1¡，最小高度0.76m，低风剖面设计，最大抗风208km/h。单位面积重量9～24kg/m2。由于组件采用了独特的专利设计，可最大限度增加系统排布密度，减小阴影遮挡对系统发电功率的影响。适用于面积有限的屋顶。

2 美国 Energy Innovations

图2 美国Soliant屋顶CPV光伏系统照片

图3 美国Soliant屋顶CPV系统结构

图4 美国Energy Innovations屋顶聚光光伏系统

组件效率30%，1200倍聚光，接受角容差±0.9¡，单位重量小于19kg/m2，平均高度0.7m，微型双轴跟踪器，跟踪精度0.3¡，无线数据监控，最大抗风145km/h，采用微型逆变器，可减小遮挡和组件功率不匹配造成的功率衰减。可用于屋顶和停车场。

3 俄罗斯 Ioffe

俄罗斯科学院Ioffe物理技术研究所，创建于1918年。下设的光伏实验室于1969～1970年开发出三结砷化镓太阳电池，1999年，成功开发出第一套屋顶型聚光光伏系统。组件面积0.5m2，厚度7cm，采用288片三结砷化镓电池，800倍聚光，电池效率超过37%，光学效率87%。单机功率最大可达10kW。

图5 俄罗斯Ioffe研究所屋顶型聚光光伏系统

4 中国蓝天太阳

蓝天太阳继承了中国电科十八所30多年的太阳能光伏产品研究制造的成果和经验，是集太阳电池外延、器件、封装、组件、系统集成，即整条太阳能产业链研发制造能力于一身的高新技术企业。已申请及授权相关专利50余项。蓝天太阳的屋顶型聚光组件为500倍聚光，光电转换效率大于25%，接收角容差±0.5¡，厚度只有15cm，单位面积重量15kg/m2。系统跟踪精度0.1¡～0.2¡，根据屋顶尺寸可柔性设计组串数量和跟踪器排布，抗风能力达到13级。安装1MW系统，只需10个人，1个星期。

以上选取了国内外典型的几家聚光光伏企业研究开发的屋顶 CPV系统进展情况，比较结果见表2。

图6 蓝天太阳屋顶型聚光光伏系统

表2 国内外屋顶型聚光光伏系统比较

三 可行性分析

1 技术

现有的光伏屋顶多采用单晶硅和多晶硅或薄膜技术，光电转换效率理论值是18%，与平板太阳能屋顶系统相比，屋顶型聚光光伏系统可最大化单位屋顶面积的电能产出，效率可达25%以上。由Green Earth Technology Service提供的Energy Innovations某项目51kWp系统的测试数据为例，如表3所示。同样功率的系统，Rooftop CPV比PV多发电48%，而占地面积只有PV的75%。

表3 屋顶 CPV与PV系统发电量及占地面积比较

一些工业屋顶采用瓦楞彩钢板结构，载荷能力在50kg/m2以上，商业及一般建筑物的大部分屋顶承重都在100kg/m2以上。国内外常见的几种屋顶CPV系统，高度一般都不会超过女儿墙，单位面积重量都小于30kg/m2。屋顶CPV的动态或静态载荷可满足大部分屋顶的承重要求。

图8 十二级风条件下屋顶 CPV的动态载荷仿真

系统设计上可以采用PVsyst进行建模仿真，大部分常见的屋顶 CPV系统都可采用“Two axis,frame EW”这个模型。设置好组串、跟踪极限角度、跟踪器排布、遮挡物后，即可以进行阴影遮挡的仿真。根据仿真数据和屋顶可利用面积再进行优化调整。

一般的光伏系统在受到周围物体遮挡时，同一个组串的阴影区与光照区电池板的电流差异会导致该组串的输出功率大幅下降。根据美国国家半导体的试验统计，遮挡10%的面积，会造成50%的发电量损失。而屋顶CPV在组件内部电池片的串并联电路上，以及组件之间的组串排布上都进行了优化设计，如Soliant的专利设计(《包括一个或多个耐阴性不限方案的太阳能系统》，专利号：PCT/US2009/003051)，其组件内部的电池片采用了S型串并联方式；另外一种如Energy Innovations采用的微型逆变器方式，每5个组件连接一台410Vdc的微型逆变器，作为一个独立的子系统，局部遮挡不会对整体造成严重影响；蓝天太阳采用的是分布式MPPT电源优化器方式，每块聚光光伏组件连接一块电源优化器，电源优化器以间接的方式互联相通，自动检测电压电流，并进行调整。以上几种方式都极大的避免或减小了阴影遮挡对系统功率输出的影响。

图9 应对阴影遮挡影响的优化设计

2 政策

《可再生能源发展“十二五”规划》提出，未来5年内屋顶太阳能装机规模目标为300万kW，到2020年规模可达2500万kW，在目前30万kW基础上增长80多倍，占太阳能发电中长期目标的半壁江山。近一年多以来，我国光伏产业严重依赖国外市场的风险在欧美“双反”时暴露无遗。为挽救我国光伏产业，国家2012年以来连续出台政策支持分布式光伏发电发展。国家公布的相关规划提出，2015年分布式光伏发电要达到1000万kW，比“十二五”规划提高了700万kW。同时，明确提出鼓励在中东部地区建设与建筑结合的分布式光伏发电系统。

国家发改委、国家能源局、国家电网等相继颁布鼓励分布式光伏并网发电政策，这些政策制定了光伏电站分区域上网标杆电价，扩大了可再生能源基金规模，保障了分布式光伏发电按电量补贴的资金及时发放到位，激发了国内市场有效需求，推动了产业创新升级。政策鼓励个人发电并网，发电量可以自用，电网免费提供接入系统方案制定、并网检测、调试全过程服务等多项利好措施；同时，不收取费用，允许富余电力上网，政府也会给予一定的光伏补贴。相比过去，政策上更具有可操作性，规避了投机行为，对一般用户的吸引力更高。

国家对国内光伏产业，保持了政策连续性。屋顶型聚光光伏系统正是适应了有关产业促进政策，因此有着广阔的发展前景。

3 市场

屋顶CPV作为一种新型的光伏应用，需要先经过产品开发，试验和验证，再从小批量的试验性生产逐渐过渡到大批量的商业化生产。这个过程中，技术的创新，市场的需求，供应链的成熟，投资成本的可控等因素起到了重要作用。该产品最终能否被市场所认可，取决于几个方面：

(1)规模化生产的建立。屋顶CPV所采用的太阳电池为三结(或多结)砷化镓太阳电池，消耗材料少，成本低。据测算，同等发电量原电池体积只须硅电池的千分之一，只要达到硅电池百分之一的产能，就可使二者的成本相当。在目前硅电池，产能达到几十GW的情况下，聚光光伏产能仍处于小批量生产阶段，所以现阶段屋顶CPV产品的价格相比普通PV产品仍然偏高。相信随着聚光光伏产能的不断扩大，屋顶CPV很快会实现电能平价上网的目标。

(2)资本市场的投入。聚光光伏企业需要吸引资本投入来实现规模扩大和快速成长。正如近几年多晶硅投资的疯狂增长，加速了光伏市场的过剩风险，增加资本积累对于目前市场竞争来说也是充满挑战性的。正如多数市场分析师预测的一样，像屋顶CPV这样具有竞争力的技术，在未来几年内会处于有利位置。

(3)技术的持续创新。屋顶CPV的主要技术方向分为组件、跟踪器、系统结构等几方面。目前商业化的聚光光伏组件效率最高可达34%，预计到2020年聚光电池效率将达到50.4%，电池效率提高可以在不增加材料成本的前提下，大大提高组件的额定功率。根据近年来的统计结果，相关技术的持续创新，平均每年可提供成本的下降通道达到10%以上。

(4)产业链的不断完善。全球化带来了美国和德国的聚光电池、光路设计、菲尼尔透镜、硅胶、跟踪器。开发者们只需要将他们组装起来，就能完成一套聚光光伏系统。为了适应市场需要，若干有实力的企业采取了产业链垂直一体化整合的方式进一步降低成本。

国际市场方面，无论是利用已有建筑加装屋顶电站，还是光伏光电建筑一体化，近年来，随着国际上有关政策支持力度的进一步加大，屋顶光伏电站正逐渐走进城市，在为市民生活提供绿色能源的同时，也被业界视为未来城市光伏利用的方向。图1 0为《美国屋顶光伏市场模型报告》(Modeling the U.S. Rooftop Photovoltaic’s Market)提供的屋顶型光伏系统的累计安装量和未来装机量的预测。

图10 美国屋顶型光伏市场累计装机量及预测

国内市场方面，2008年左右，随着聚光光伏技术的突破，部分企业加快发展引入国外技术和产品，市场逐渐起步，全国范围内开始建设小型示范电站；越来越多企业通过产品认证，获得市场认可。随着国家对分布式光伏发电的各种政策的刺激，极大的促进了用户安装屋顶型光伏系统的积极性。屋顶CPV因为占用屋顶面积小，光电转换效率高，寿命期间的平准化电力成本低，安装使用维护简单。因此应用在商业、工业、政府和公共建筑的屋顶，将是理想的光伏建筑一体化发电方式。随着用户的不断了解和逐渐认可，聚光光伏企业的成本下降和产品推广，将会有更多的屋顶CPV示范项目实施。屋顶CPV必将占据相当的市场份额，预计未来两三年内累计安装项目有望达到80～100MW。

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