“精品展示”對中國太陽能光電降本的重大影響
“精品展示”對我太陽能光電成本降低的巨大影響。作者：匿名2008年1月21日17:25:2
渠道：關鍵詞：——論幾倍聚光的新型光伏發電系統對降低我太陽能光伏成本的巨大影響
引用：
“多濃度光伏發電系統”是劍橋大學應用物理學家、現為中科學技術大學和中科學院理論物理研究所特聘研究員的陳應天教授在其先創的新光學聚焦跟蹤理論的應用下做出的重要發明之一。這一新的光學聚焦與跟蹤理論引起了強烈的際反響(以色列著名太陽能專家、特拉維夫大學的克里布斯教授評論說“這是一個光學基礎領域多年來進展甚微的較好次突破”)，理論上的突破將帶來適用于光學的許多技術應用領域的突破，如大型望遠鏡、新雷達、激光束合成、超精密瞄準與變焦相機、太陽能聚光等。太陽能方面，有太陽能光伏發電、太陽能熱發電、太陽能爐(產生3500度高溫)、太陽灶(用于烹飪)等多項技術發明或重大改進。今年5月以來，筆者一直在關注“幾次聚光光伏發電系統”新技術的發展。在不到一年的時間里，這項新技術經歷了原理論證、實驗室試驗、樣機研制、樣機改進(提高可靠性、降低成本)和樣機演示運行五個階段。到目前為止，中科學院理論物理研究所屋頂安裝的兩臺樣機(每臺峰值功率為150瓦)已在安徽和北京連續成功運行四個多月，其間經歷了極熱、多雨、大風、低溫等季節性試驗，運行穩定可靠。目前，安徽應天新能源公司正在建設1萬瓦先立太陽能光伏電站，將太陽能作為公司新廠區的重要電源之一(見附圖)。
筆者欣喜地看到，這項新技術將突破中太陽能光伏發電成本高的壁壘，其應用和推廣將使中太陽能光伏發展走在世界前列。更難能可貴的是，它是我具有自主知識產權的新技術。所以作者把這篇文章看做“萬物有靈”。本文將利用詳實的數據分析這種新型光伏發電系統的特點及其對我降低太陽能光伏發電成本的巨大影響。
1.什么是「多聚光光伏發電系統」？
1.多倍聚光光伏發電系統的主要功能和特點
圖1是中科學院理論物理研究所屋頂安裝的兩臺光伏發電裝置進行演示運行的照片。每個發電裝置的峰值功率為150W，就像18 DIA，在陽光下閃閃發光，而“綠色”電流不斷流出，較大發電電流可達16 A.事實上，每個“DIA”都是由一個普通單晶硅光伏電池包圍的光漏斗和一個八面體反射鏡組成(見圖1中的照片)。八面體光漏斗的作用是通過平面反射的方法折疊聚集太陽光，形成四倍的太陽光強，均勻的照射在光漏斗底部的硅光電池上。這樣，每個峰值功率只有2.2W的光伏電池在一個太陽光強度的照射下的實際功率增加到4倍，即大約8.8W，18個“DIA”串聯，峰值功率只有39W的光伏電池在一個太陽光強度下的峰值輸出功率增加到150W(因為有一些反射和折射損耗，所以嚴格來說不是4倍)。因此，與傳統的平板固定光伏發電系統相比，新的“光伏發電系統具有更高的效率和更好的穩定性” #p#分頁標題#e#
專家們發現，在一個太陽光強度下使用硅光伏電池實際上是大材小用，因為光伏電池可以承受更高的光強度，并且產生的電流成比例增加，而不影響光伏電池的壽命。工業在外曾嘗試通過聚光來提高太陽能發電的效率。比如用菲涅爾透鏡實現3~7次聚光。然而，由于透射聚光光強均勻性差，專用透鏡降低成本的速度趕不上高反射率的平面鏡，外開始嘗試通過反射實現聚光。比如德ZSW公司發明V型冷凝器實現2倍冷凝，美法爾貝爾發明四面體冷凝器實現2.36倍冷凝。雖然兩次聚光可以節約50%的光伏電池，但與聚光器成本增加相比，整體經濟效益并不明顯。
雖然反射聚光具有均勻性好的特點，但如何利用反射法以較低的成本實現三倍以上的聚光一直是外沒有成功解決的問題，因此依靠傳統反射法在普通光伏電池上實現幾倍聚光的光伏發電系統沒有得到廣泛應用。在陳應天教授創立的新光學聚焦跟蹤理論的眾多應用中，一個重要的實踐就是突破傳統反射法所遇到的障礙，研制出一種低成本、高聚焦比的反射聚光器。
3.李政道：這個新的“多聚焦光電系統”是理論和實踐的完美結合！
根據新的聚焦跟蹤理論，陳映天、賀作秀等人發明了一種由八面體反射鏡組成的聚光器，又稱“光漏斗”。光漏斗的高度和傾斜度是根據陳映天的新聚光理論設計的，較高聚光比可達7倍。但是目前演示運行的原型只是按照4倍的聚光比來設計，這是考慮了普通光伏電池在高太陽光強度下的散熱問題。要實現7倍聚光，需要一套水冷系統，這不僅限制了光伏發電系統的應用環境，也必然增加成本。因此，在仔細比較了各種聚光比下光伏發電系統的性價比后，確定利用這種光漏斗，僅依靠自然冷卻，光伏電池，實現4~5倍聚光，是一種比較現實的方案。此外，使用了新的光學跟蹤機制
論，發明者設計了一個成本低且機械簡單可靠的跟蹤裝置，日跟蹤是系統按照時鐘自動調節，而年跟蹤采用手動調節（平均一星期調整一次即可）。為了同傳統的平板固定式光伏發電系統的性能進行比較，安徽應天新能源公司對“平板固定式”和“數倍聚光式”兩種發電系統進行了長期的同等工作條件下的測試，并同時進行全自動的記錄以取得可靠的數據。實測表明，采用數倍聚光的光伏發電系統成功實現了4倍的功率輸出，而光伏電池的溫度即使在今年夏季較炎熱的季節里，也沒有超過50°C（完全在光伏電池本身的正常工作范圍內）。安徽應天新能源公司推出的新的采用數倍聚光的光伏發電系統，從聚光到跟蹤，盡管新理論的數學計算相當繁復，但是復雜的理論帶來的卻是廉價、可靠、高效的聚光和跟蹤裝置，難怪李政道先生在參觀了中科院理論物理所樓頂的兩臺示范運行的發電系統后，興奮的指出“這是理論與實踐完美結合的成果”（見圖2）。#p#分頁標題#e#
二、傳統的平板固定式光伏發電系統與新的數倍聚光式光伏發電系統的經濟性比較
任何一個新的技術發明，如果要大規模推廣應用，其前提應該是具有更好的性價比。那么，建立在新的聚光與跟蹤理論基礎上的“采用數倍聚光的光伏發電系統”，與傳統的平板固定式光伏發電系統相比，其經濟性如何呢？這是不能不回答的關鍵問題。下面，我們從兩種發電技術建設光伏電站所需要的初投資、在壽命期內所產生的發電量進行和單位度電的成本這三個方面進行對比和分析。
1、光伏發電并網系統的初投資比較
（1）傳統的“平板固定式光伏發電系統”的初投資
根據世界自然基金會資助的研究課題《可再生能源發電上網成本及電價研究及政策建議》，傳統的平板固定式光伏發電并網系統每個kW的初投資為5萬元（2006年），具體成本構成見表1。
表1平板固定式光伏發電并網系統每個kW的初投資構成
編號
項目
投資（萬元）
比例（）
1
前期費用和可行性研究
0.25
5
2
太陽能電池（含支架）
3.5
70
3
并網逆變器
0.4
8
4
干式變壓器、配電測量及電纜等
0.3
6
5
設備運輸
0.2
4
6
安裝調制
0.2
4
7
稅金及其他
0.15
3
8
合計
5.0
100
（2）新的“采用數倍聚光的光伏發電系統”的初投資
在表1中的各項成本中，數倍聚光式光伏發電系統和平板固定式光伏發電系統除了在第2項即“太陽能電池（含支架）”有顯著不同外，其余6項都是一樣的，而第2項的成本在系統初投資占有70的高比重。因此，我們重點比較第2項的成本差異。與傳統的平板固定式光伏發電系統相比，“采用數倍聚光的光伏發電系統”減少了太陽能電池的成本，增加了聚光（光漏斗）和跟蹤（電機驅動機構等）的成本。我們將根據當前安徽應天新能源公司的實際生產數據來考察這一成本的變化。
1）所用太陽能電池的成本
由于采用了4倍的聚光比，“采用數倍聚光的光伏發電系統”可以在同樣發電功率下節省3/4的硅光伏電池，因此，“采用數倍聚光的光伏發電系統”每個kW所用的太陽能光伏電池的成本為：
3.5萬×1/4＝0.875萬元（由此可見太陽能電池的費用大大降低！）
2）實現聚光和跟蹤的成本
根據安徽應天新能源公司目前已經做好的二十多臺樣機的實際成本數據，每臺峰值功率為150W的發電裝置中，由于聚光和跟蹤所增加的成本為2400元，相當于每個kW的聚光跟蹤成本為1.6萬元（請注意，這是沒有實現自動化、大規模生產的成本數據！）。如果實現了全自動化的生產線后，每個kW的聚光跟蹤成本可以下降到1.1萬元。#p#分頁標題#e#
上述兩項合計，我們可以得出，“采用數倍聚光的光伏發電系統”在表1中的第2項成本為：
0.875萬元/kW＋1.6萬元/kW＝2.475萬元/kW≈2.5萬元/kW（目前半自動化生產條件下）
0.875萬元/kW＋1.1萬元/kW＝1.975萬元/kW≈2.0萬元/kW（實現全自動化生產條件下）
參照表1，我們可以給出實現規模化生產前后，新的采用數倍聚光式光伏發電并網系統的每kW的初投資構成表，分別見表2和表3。
表2當前樣機生產下“采用數倍聚光技術式光伏發電并網系統”每個kW的初投資構成
編號
項目
投資（萬元）
比例（）
1
前期費用和可行性研究
0.25
6
2
太陽能電池（含支架）
2.5*
62
3
并網逆變器
0.4
10
4
干式變壓器、配電測量及電纜等
0.3
8
5
設備運輸
0.2
5
6
安裝調制
0.2
5
7
稅金及其他
0.15
4
8
合計
4.0*
100
表3實現大規模生產后“采用數倍聚光技術式光伏發電并網系統”每個kW的初投資構成
編號
項目
投資（萬元）
比例（）
1
前期費用和可行性研究
0.25
7
2
太陽能電池（含支架）
2.0*
57
3
并網逆變器
0.4
11
4
干式變壓器、配電測量及電纜等
0.3
9
5
設備運輸
0.2
6
6
安裝調制
0.2
6
7
稅金及其他
0.15
4
8
合計
3.5*
100
注：請注意帶*數字與表1的不同
對比表1和表2、表3，可以發現：
采用新的數倍聚光的光伏發電技術之后，即使在目前半自動化、小批量樣機生產條件下，光伏并網系統的單位kW的初投資也比傳統的平板固定式光電技術節省1萬元，相當于節省20的初投資！而在實現全自動化、大規模生產之后，每個kW的初投資會節省1.5萬元，相當于節省30的初投資！
2、光伏發電系統在使用壽命期限內的總發電量比較
通常，人們習慣用峰值功率來判定系統的規格，其實，對于大型太陽能光伏電站的設計，由于跟蹤技術和選址技巧的不同，即使在相同的峰值功率的情況下，不同設計所導致的年總發電量可以有極大差別。而系統年總發電量的多少，直接關系著太陽能光伏電站經濟效益的好壞。因此，對于大型光伏電站設計的評價，我們不僅要看系統所能達到的峰值功率，更重要的是看系統年總發電量能夠達到什么水平，這才是考核不同技術路線優劣的關鍵指標！
我們將按照內蒙古鄂爾多斯的資源條件進行對比計算。鄂爾多斯的年日照時間為3026小時，平均每天日照時間8.3個小時，平均日照強度為0.7千瓦/平方米。兩種發電系統的電池組件使用壽命均按照15年計算（實際上采用數倍聚光的光伏發電系統的使用壽命要比平板固定式的光伏系統至少長10，下文將作分析）。#p#分頁標題#e#
（1）傳統的“平板固定式光伏發電系統”在壽命期內的總發電量
在高緯度地區，光伏發電系統在一年內的不同季節以及一天內的不同時刻，太陽的照射時間以及照射角度是有相當變化的。這種照射角度的變化，導致傳統的平板固定式光伏發電系統無論在地球什么地方，即使以較優化的方式放置，也無法避免“余弦效應”的影響。余弦效應造成的光伏電站年發電量的損失非常可觀：如果光伏電池每天工作8小時的話，發電量損失可以達16~21；每天工作10小時的話，發電量損失可達24~29；每天工作12小時的話，發電量損失則高達34~39。
因此，根據內蒙古鄂爾多斯的資源條件，我們可以計算出1kW的平板固定式光伏發電系統在15年的壽命期內的總發電量為：
1kW×0.7×3026小時/年×15年×(1－20)＝2.54萬度電
（2）新的“采用數倍聚光的光伏發電系統”在壽命期內的總發電量
新的“數倍聚光的光伏發電系統”采用了一個簡單的機械跟蹤裝置，日跟蹤隨著地球自轉變化，使光伏電池時時刻刻與太陽保持正對（即入射角為0度），年跟蹤隨著季節變化。因此，新的采用“數倍聚光的光伏發電系統”有效地克服了傳統的平板固定式發電系統所無法避免的“余弦效應”，總發電量增加20，即：
1kW×0.7×3026小時/年×15年＝3.18萬度電
如果考慮新的“采用數倍聚光式光伏發電系統”的實際使用壽命至少比傳統的平板固定式光伏發電系統長10的話，則總發電量為：
1kW×0.7×3026小時/年×15年×（1＋10）＝3.50萬度電
由上述計算可以看出，對于大型光伏電站的設計，即使是在峰值功率相同的情況下，采用與不采用跟蹤系統可以導致總發電量的巨大差異，這再次說明，決定一個光伏電站效益好壞、技術性能優劣的關鍵指標是年發電量而不是峰值功率！
需要強調的是，盡管跟蹤系統的采用對于大型光伏電站的設計是非常必要的，但是如果跟蹤系統本身做不到成本低廉的話，將會使跟蹤系統的價值大打折扣（這也是內外以前所進行過的跟蹤嘗試并沒有推廣的重要原因）！而安徽應天新能源公司開發的“采用數倍聚光的光伏發電系統”中的跟蹤裝置是根據陳應天教授的新的光學跟蹤理論而設計，其跟蹤裝置簡單（采用準單軸跟蹤，僅僅由一個不到1W的小電機驅動）、價廉（其成本在系統中所占的比重為30左右）、可靠（具有很強的抗風能力）。
3、單位度電的成本比較
在測算每度電的真正發電成本時，要涉及到企業的稅收、資本金回報率、折舊、還貸利息、管理等多種復雜且難以確定的因素。由于這些因素是傳統的平板固定式和新的數倍聚光式兩種發電系統所共同面臨的問題，因此，在這里進行兩種發電技術單位度電的成本比較時，為了簡化并明晰問題，暫且忽略掉這些共同的不確定因素，而重點考察在每種發電方式下，單純收回初投資所需要的每度電的較基本成本，即系統單位kW的初投資與單位kW在壽命期內的總發電量之比。#p#分頁標題#e#
根據前面兩種光伏發電系統的單位kW初投資和單位kW在壽命期內的總發電量的比較結果，可以計算出：
（1）傳統的“平板固定式光伏發電系統”單位度電的較基本成本
單位kW的初投資/單位kW壽命期內的總發電量＝5萬元/2.54萬度電＝1.97元/度
（2）新的“采用數倍聚光的光伏發電系統”單位度電的較基本成本
單位kW的初投資/單位kW壽命期內的總發電量＝3.5萬元/3.18萬度電＝1.10元/度
如果考慮新的數倍聚光式光電系統的實際使用壽命要比平板固定式至少長10的話：
單位kW的初投資/單位kW壽命期內的總發電量＝3.5萬元/3.50萬度電＝1.00元/度
從上述計算可見，如果不考慮稅收、利潤等因素，僅考慮單位kW光伏發電系統要收回初投資的話，采用新的數倍聚光式技術，每度電所需的較基本成本為1.10元/度，僅僅是傳統平板固定式的56！如果再考慮到新的數倍聚光式光伏發電系統的實際使用壽命要比平板固定式至少長10的話，則每度電所需的較基本成本進一步降低為1.00元/度，僅僅是傳統的平板固定式的51！
從上面“光伏發電系統的初投資”、“光伏發電系統的總發電量”、“光伏發電系統的單位度電成本”三個方面的經濟性比較不難看出兩種技術路線的優劣：
與傳統的平板固定式光伏發電系統相比，新的“采用數倍聚光式光伏發電系統”至少可以節省30的初投資、提高20的總發電量，而單位度電的較基本成本可以降低50左右！因此，應用推廣新的“采用數倍聚光的光伏發電系統”，將對我太陽能光伏發電的成本降低、太陽能光電發展走在世界前列產生巨大影響！
三、新的“采用數倍聚光的光伏發電系統”的其他先有優點
1、實際使用壽命更長
對于傳統的平板固定式太陽能光伏電池板，其表面玻璃是通過膠膜同光伏電池片直接層壓在一起。在實際應用中，這種設計所無法避免的“熱島效應”會大大影響光電池片的平均壽命。“熱島效應”是指由落葉、鳥糞等其他不透明的吸光物體落在光電池表面后，在強烈的日照下形成熱斑、進而損壞光電池導電網的效應。由于在平板式光伏電池組件中各個光電池片串聯后形成一個整體再進行層壓和封裝，因而“熱島效應”所造成的單個光電池片的局部損壞會導致整塊組件的報廢。據外報道，“熱島效應”使平板式光伏電池組件的實際使用壽命至少減少10。而在新的“采用數倍聚光的光伏發電系統”中，每個光漏斗的表面有一層高透光率的玻璃，與光電池片有相當的距離（約28cm），這種結構從根本上消除了“熱島效應”形成的條件，因此，新的“采用數倍聚光的光伏發電系統”在實際應用中比平板固定式的實際使用壽命至少長10，更長的使用壽命將帶來更多的發電量，也因而帶來更大的經濟效益。#p#分頁標題#e#
2、更容易抗風
與傳統的平板固定式光伏發電系統相比，新的“采用數倍聚光的光伏發電系統”具有更好的抗風能力，這是因為系統跟蹤裝置采用了高轉速比的蝸輪蝸桿機械設計，增加了裝置的強自鎖功能（在安徽應天新能源公司的試驗中，已經做到抵抗10米/秒的風速）。此外，每臺發電裝置的各個光漏斗之間留有一定的空隙，便于大風從間隙中穿過。
3、具有更強的抗沖擊的能力
新的“采用數倍聚光的光伏發電系統”在研發過程中，特別考慮了實際應用中可能遇到的各種惡劣壞境對系統可靠性的影響，如冰雹、石塊、沙塵等引起的沖擊。發明者用一種特殊工藝制成的“不碎玻璃”，封裝在每個光漏斗的表面，保證光漏斗在較嚴重的沖擊下，表面玻璃僅僅是開裂而不破碎，從而確保光伏電池在較惡劣的環境條件下都受到很好的保護。特別值得一提的是，與鋼化玻璃相比，這種特殊工藝的“不碎玻璃”既成本低廉又具有高透光率。因此，新的“采用數倍聚光的光伏發電系統”具有足以抵御各種惡劣環境的更強的抗沖擊能力。
4、更便于維護
前面已經談到，傳統的平板式太陽能光伏電池組件（目前通常為50~100W）是由若干個光伏電池片串聯后形成一個整體再與鋼化玻璃封壓在一起，“熱島效應”所造成的單個光伏電池片的局部損壞會導致整塊組件的報廢（因為當一個光電池片出現故障后，無法單先將這個故障組件進行維修或更換）。而對于新的“采用數倍聚光的光伏發電系統”，每個發電單元（比如目前150W樣機）是由18個相互先立的光漏斗以及18個光伏電池片串連在一起的，每個光漏斗與每個光伏電池片自成一體，如果一個光伏電池片出現了故障，可以非常容易的單先拆卸下來進行維修或更換，而絲毫不影響其他光漏斗及光伏電池的工作。因此，這種新的“采用數倍聚光的光伏發電系統”更便于維護，這也會在實際應用中帶來更多的經濟效益。
四、我大規模發展太陽能光伏發電的優勢、障礙和建議
1、優勢（1）太陽能資源
我有著豐富的太陽能資源，大部分地區位于北緯45°以南，全2/3的土面積年日照小時在2200小時以上，每平方米太陽能年輻射總量為3350~8400兆焦，平均值是5860兆焦（相當于199kg標準煤），全年陸地表面每年接收到的太陽輻射能約為5×1022焦，相當于2.4萬億噸標準煤。
從全太陽年輻射總量的分布來看，西部和北部的西藏、青海、新疆、寧夏、甘肅、內蒙等地的總輻射量和日照時數均為全較高，屬世界太陽能資源豐富地區之一；四川盆地、兩湖地區秦巴山地是太陽能資源低值區；我東部、南部及東北為資源中等區。
（2）太陽能電池制造業#p#分頁標題#e#
我的太陽能電池制造業發展很快，光伏電池及組裝廠已有十多家，制造能力已達每年10萬kW以上。我目前的光電池大部分出口到外。
2、障礙
盡管我有著很好的太陽能資源和光伏電池制造能力，我太陽能光伏產業的整體水平與發達家還有很大的差距，主要表現在：
（1）太陽能光伏產業鏈的上游即多晶硅原料的生產嚴重依賴進口，自給率僅有2.6；半導體級硅材料短缺導致光電池價格居高不下，而太陽能級硅料存在巨大的成本下降空間。
（2）太陽能光伏產業的下游即發電系統應用的市場還很小。
雖然目前已經在偏遠地區通過“送電到鄉”等家工程推廣了一些戶用光伏發電系統和小型光伏電站，解決了部分無電人口的供電問題，但是由于太陽能光伏發電的成本較高，全目前的光伏發電規模還很小，目前還沒有一個太陽能光伏發電的真正商業化示范。
3、建議
盡管太陽能光電像風電、生物質發電等其他可再生能源的發展一樣離不開政策支持、建立保護電價、稅收激勵措施等等，但是筆者認為，在突破太陽能光電成本高這一發展障礙的諸多舉措中，較根本的措施還是依靠科技進步、鼓勵推廣應用新技術來大幅度降低太陽能光伏發電的成本。關于具體的舉措，比如在上游打破外對我的壟斷，自主研制開發太陽能級的低成本的多晶硅料，從而大幅度降低太陽能光電池的成本；在下游鼓勵具有低成本高效益的光伏發電新技術的示范和應用，比如像本文以大量實際數據進行分析的“采用數倍聚光的光伏發電系統”，既具有自主創新性又具有更優性價比，應選擇太陽能資源條件好的地區（如內蒙古鄂爾多斯地區，同時具有太陽能資源、電網、交通的便利條件）開展示范，使我在太陽能發電領域走在世界前列，并且讓無窮無盡的太陽能資源盡早造福于社會。
附圖：安徽應天新能源公司新廠區正在建設中的“采用數倍聚光的光伏發電系統”的1萬瓦先立光伏電站，作為產區的主要供電來源之一。
注：每個發電裝置的峰值功率為150W，1萬瓦將需要64臺這樣的裝置，總占地面積為530平方米。目前已經安裝了8臺，其余的50多臺即將很快安裝完畢。
