太陽能聚光光伏CPV聚光光熱CSP介紹

1、一、 CPV概述聚光光伏（CPV）太陽能是指利用透鏡或反射鏡等光學(xué)元件，將大面積的匯聚 到一個極小的面積上，再將匯聚后的太通過高轉(zhuǎn)化效率的光伏電池直接轉(zhuǎn)化為電 能。光伏發(fā)電在經(jīng)歷了第一代晶硅電池和第二代薄膜電池之后，目前第三代CPV 發(fā)電方式正逐漸成為太陽能領(lǐng)域的投資重點，并且CPV模式相對于前兩代具有諸 多的優(yōu)勢：（1）節(jié)省昂貴的半導(dǎo)體材料：CPV是通過提高聚光倍數(shù)的方式，減少光伏電池 的使用量，而透光鏡及反光鏡等光學(xué)元件的成本遠遠低于減少的光伏電池 成本。（2）提升光電轉(zhuǎn)換效率：CPV系統(tǒng)采用砷化鎵電池并依靠太陽追蹤系統(tǒng)實現(xiàn)了 更高的光電轉(zhuǎn)換效率，較前兩代光伏系統(tǒng)明顯縮短能量回收期。（3）

2、極高的規(guī)?；瘽摿Γ篊PV系統(tǒng)因其光電轉(zhuǎn)換效率高、占地面積小等特點， 是建造大型電源電站的最理想的太陽能發(fā)電技術(shù)，通過簡單復(fù)制的規(guī)?；?部署，單一 CPV電廠可較容易的達到MW級規(guī)模。（4） 成本下降空間巨大：硅電池和薄膜電池已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，規(guī)模化效應(yīng)已 得到充分體現(xiàn)，并且其技術(shù)較為成熟，未來成本下降的空間已經(jīng)有限。而 CPV系統(tǒng)的成本下降仍然較大，大批量生產(chǎn)的規(guī)模效應(yīng)，以及聚光系統(tǒng)、 電池、冷卻系統(tǒng)等效率的進一步提高是成本下降的兩大途徑。二、CPV太陽能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)盡管各大廠商所生產(chǎn)的CPV系統(tǒng)的模式不盡相同，但各類CPV系統(tǒng)的組件主 要是由四大部分組成，即聚光系統(tǒng)，光伏電池、太陽追蹤系統(tǒng)、冷

3、卻系統(tǒng)。1、聚光系統(tǒng)聚光系統(tǒng)是整個CPV系統(tǒng)的最重要的組成部分，它通常由主聚光器和二次聚 光器組成，聚光系統(tǒng)的聚光精度很大程度上決定了整個CPV系統(tǒng)的性能高低。根據(jù)聚光方式的不同，聚光系統(tǒng)可分為透射式聚光系統(tǒng)和反射式聚光系統(tǒng)。透射式聚光系統(tǒng)透射式聚光系統(tǒng)一般采用菲涅耳透鏡聚焦的方式，與普通凸透鏡相比，菲涅 爾透鏡只保留了有效折射面，可節(jié)省近80%的材料。目前用于制作菲涅耳透鏡的 最常用材料是PMMA（俗稱“亞克力”或“有機玻璃”），與玻璃透鏡相比，它的 優(yōu)點是重量輕、易加工成型、成本低，而且對自然環(huán)境適應(yīng)性能強，即使長時間 在日光照射、風吹雨淋也不會使其性能發(fā)生改變。反射式聚光系統(tǒng)反射式聚光系

4、統(tǒng)主要是采用回轉(zhuǎn)二次反射曲面聚焦方式，聚焦后的光線經(jīng)過 二次勻光處理照射在高效太陽能電池芯片上實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。由于反射式聚光系統(tǒng) 不存在色散現(xiàn)象，因此其反射效率可接近 100%，但反射式聚光系統(tǒng)對反射面的 清潔度要求較高，如受到污染，反射效率會大大下降，因此通常在組件的表面還 要覆蓋一層高透光玻璃以便于清潔；另外，在反射式聚光系統(tǒng)中還有安裝于電池表面的二次聚光器，其作用在于 提高對入射光角度與聚光器軸線偏離角度的容忍度。追蹤系統(tǒng)的精度和風的作 用，都會引起太入射角度得偏差，而輕微的偏差會顯著影響光伏電池的轉(zhuǎn)換效率， 因此二次聚光器在HCPV系統(tǒng)中是一項必須的組件。目前，作為反射曲面鏡的材料主要是

5、鋁材經(jīng)過精密鈑金加工之后鍍上反射膜 形成。但考慮到PMMA材料透射率高、耐候性優(yōu)、容易壓鑄規(guī)?；a(chǎn)和機械加 工方便、質(zhì)量輕、成本低等諸多優(yōu)點，PMMA材料替代鋁材和高透光玻璃作為反 射曲面鏡和保護平板具有較好的可行性，而且同樣可應(yīng)用于二次聚光器。2、光伏電池在CPV太陽能系統(tǒng)中，由于采用了聚焦模式，因此對光伏電池的轉(zhuǎn)換效率和 耐高溫性能有較高的要求。目前，cpv系統(tǒng)的光伏電池主要采用了7族化合 物半導(dǎo)體材料中的砷化鎵（GaAs）電池，同硅太陽能電池相比，砷化鎵電池具有更 好的性能：一是光電轉(zhuǎn)換效率高，目前硅太陽能電池的理論轉(zhuǎn)換效率大概為23%， 薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率約為10%，而單結(jié)的砷化鎵電

6、池的理論轉(zhuǎn)換效率可達到27%， 并且通過疊層技術(shù)，多結(jié)砷化鎵太陽能電池的理論轉(zhuǎn)換效率可超過50%，目前波 音公司的光譜實驗室中的三結(jié)電池在 364 倍聚光倍率下的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達 到41.6%；二是耐高溫性能好，砷化鎵電池的耐高溫性能要好于硅電池，砷化鎵 電池在250的條件下仍可以正常工作，但硅電池在200的時候就已無常運行。 三是覆蓋更寬光譜圍，由III-V族化合物制成的三結(jié)光伏電池能夠轉(zhuǎn)換300-1800 納米光譜圍的太，因而能夠達到更高的光電轉(zhuǎn)換效率，而硅太陽能電池的基本只 能轉(zhuǎn)換500-1100納米光譜圍的太。3、太陽追蹤系統(tǒng)CPV太陽能系統(tǒng)要求太相對于聚光系統(tǒng)垂直入射，否則整套系統(tǒng)

7、的光電轉(zhuǎn)換 效率會急劇下降，而且聚光倍數(shù)越高的CPV太陽能系統(tǒng)對入射角度的精度要求也 越高，因此太陽追蹤系統(tǒng)的功能就是追蹤太陽的運行軌跡，確保聚光光斑落在砷 化鎵電池上。太陽追蹤系統(tǒng)通常是一套雙軸系統(tǒng)，可實現(xiàn)上下、左右調(diào)節(jié)角度， 其結(jié)構(gòu)主要是由金屬支架和控制驅(qū)動機組成，目前追蹤系統(tǒng)的精度已經(jīng)達到 0.1度，加上二次聚光器的作用，完全能滿足垂直入射的角度要求。4、冷卻系統(tǒng)由于CPV聚光倍數(shù)可達數(shù)百上千，電池表面會產(chǎn)生很高的溫度，而且電池光 電轉(zhuǎn)換過程也會產(chǎn)生熱量，盡管砷化鎵電池的耐高溫性能好，但長時間的高溫會 降低發(fā)電效率而且會使電池老化縮短電池壽命，因此必須使用冷卻系統(tǒng)來降溫。 冷卻系統(tǒng)一般采

8、用散熱片、水冷、空冷等方式。5、逆變器若CPV太陽能系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電，則需配備逆變器，以實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換后的直流電 轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?。CPV太陽能系統(tǒng)的成本構(gòu)成以德國Concentrix公司的500倍聚光20MW產(chǎn)能的透射式太陽能系統(tǒng)為例， 通常200枚菲尼爾透鏡及砷化鎵電池構(gòu)成一個模組，該模組的輸出功率為75Wp， 其成本大約為198美元（平均為2.64美元/Wp），若以10年使用壽命、每年250 天實際有效發(fā)電，每天實際發(fā)電時間8小時計，則上網(wǎng)電價的成本約為0.14美 元/Kwh，具體的建設(shè)成本構(gòu)成為：項目成本（美元/Wp）占比（%）砷化鎵電池0.5721.6%電池裝配費用0.5119.3%透鏡0.2

9、7.6%冷卻系統(tǒng)0.311.4%追蹤系統(tǒng)0.5621.2%逆變器0.4115.5%安裝費用0.093.4%合計2.64100.0%另外，CPV太陽能電池的成本將因規(guī)模效應(yīng)及系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率的提高而顯著下 降，當生產(chǎn)規(guī)模從20MW提升到200MW時，其每Wp的生產(chǎn)成本將從目前的2.64 美元下降到1.33美元，其砷化鎵電池的轉(zhuǎn)換效率將從目前的39%提高到42%，CPV 系統(tǒng)的整體效率將從目前的25%，提高到29%-36%CPV行業(yè)的市場規(guī)模截止2010年全球CPV的市場規(guī)模大約為500MW，據(jù)PV雜志預(yù)測，2020、2030、 2040年全球的市場容量將分別達到5GW、15GW、35GW。若2011

10、-2020年CPV系統(tǒng) 成本按2.64美元/Wp計，光學(xué)元件系統(tǒng)整體成本的7.6%，則未來10年全球CPV 太陽能系統(tǒng)的投資額將達到118.8億美元，光學(xué)元件的市場容量則將為9.03億 美元。按照中國30%的產(chǎn)能占比，則未來10年中國CPV行業(yè)的總投資額為35.64 億美元，光學(xué)元件的投資額則為2.71億美元。CPV行業(yè)的主要企業(yè)目前，全球圍CPV太陽能電站的建設(shè)尚處于起步階段，市場容量尚未有效擴 大，并且由于包括砷化鎵電池在的各組件的技術(shù)門檻較高，因此國外市場的集中 度較高，而且國外企業(yè)主要采用掌控砷化鎵電池的設(shè)計、生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其他組件則 采用OEM的方式。目前市場份額主要由美國的Amonix

11、、Emcore、SolFocus、西 班牙的Isofoton、德國的Concentrix、以色列的Zenith等公司掌握，其中美國 Emcore公司已分別在國和總共安裝了三套單臺25kw、采用菲涅耳透鏡、聚光500 倍的CPV系統(tǒng)，并已在設(shè)立了 CPV電池模塊封裝廠。國CPV市場同樣處于培育階段，雖然已有部分企業(yè)在聚光系統(tǒng)、太陽追蹤系 統(tǒng)、散熱系統(tǒng)上具有一定的技術(shù)優(yōu)勢，但目前國仍未掌握砷化鎵電池的核心技術(shù)， 而且國企業(yè)基本處于示項目的建設(shè)階段，尚未真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，國CPV產(chǎn)業(yè)鏈的 各環(huán)節(jié)皆未實現(xiàn)自主生產(chǎn)或配套生產(chǎn)。其中，2010年三安光電在格爾木建造了 3MW的CPV太陽能示項目，其中1MW

12、并網(wǎng)發(fā)電項目使用500倍聚光透鏡、雙軸追日系統(tǒng)，平均轉(zhuǎn)化效率為25%，但其 組件全部為進口，僅在國實現(xiàn)拼裝。新曜光電主要自主研發(fā)發(fā)電模塊、光學(xué)系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)的研發(fā)，據(jù)稱新曜光 電的發(fā)電效率、聚光倍數(shù)、系統(tǒng)控制已經(jīng)處于國際領(lǐng)先，目前尚未產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。2011年1月聚恒在哈工大威海校區(qū)建立200Kw的高倍聚光太陽能示電站并 網(wǎng)發(fā)電，該系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率達到了25%，目前聚恒除了電池技術(shù)外，其他設(shè) 備的技術(shù)都已掌握。在聚光系統(tǒng)方面，目前國具有聚光系統(tǒng)加工能力的企業(yè)主要采用鋁材的精密 加工方式，其中以上市公司東山精密為代表，該公司主要為美國Solfocus公司 的CPV系統(tǒng)提供鈑金加工。另由于CPV市場

13、剛起步，以及聚光系統(tǒng)主要采用的 PMMA材質(zhì)較為普通，加工成光學(xué)元件的技術(shù)門檻較低，因此目前國尚不存在具 有顯著競爭優(yōu)勢的企業(yè)，未來光學(xué)聚光系統(tǒng)廠商的發(fā)展將主要依賴于整個 CPV 市場規(guī)模的擴大。一、 CSP概述聚光光熱（CSP）的發(fā)電原理是利用匯聚的太加熱液體或氣體介質(zhì)，然后把這 部分介質(zhì)傳導(dǎo)的熱量轉(zhuǎn)換為機械能，再從機械能轉(zhuǎn)換為電能。同傳統(tǒng)的發(fā)電模式 相比，CSP具有一定的優(yōu)勢：（1）規(guī)模化能力高：以目前的技術(shù)水平，單座槽式或塔式CSP電站的經(jīng)濟裝機 容量在100MW-250MW，這一規(guī)模已經(jīng)相當于一臺中型火電機組的輸出功 率，隨著技術(shù)的進步，未來單座CSP的裝機規(guī)模將會繼續(xù)增加。（2）成本

14、下降空間大：以目前應(yīng)用最廣的拋物面槽式CSP電站為例，目前項目 的建設(shè)成本在4.2美元-8.4美元/Wp之間，發(fā)電成本在0.16美元-0.25 美元/KWh之間，預(yù)計未來技術(shù)相對成熟的槽式系統(tǒng)的建設(shè)成本還有望下 降 30%-40%，而火電成本則由于能源價格的提高以及資源稅等因素而提 高，從而使得CSP電力價格逐步具有競爭優(yōu)勢。二、CSP系統(tǒng)的分類根據(jù)技術(shù)路線的不同，CSP發(fā)電可分為拋物面槽式、集熱塔式、線性菲涅耳 式、拋物面碟式四種：1、拋物面槽式拋物面槽式是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，系統(tǒng)主要有三大部分組 成：由數(shù)百行拋物面槽式反射鏡構(gòu)成的太陽能集熱場、一套傳統(tǒng)的蒸汽渦輪發(fā)電 裝置、儲

15、熱罐。其工作原理是通過反射槽及單軸太陽追蹤系統(tǒng)將太匯聚到熱吸收 管，并將管的合成油或融鹽等介質(zhì)加熱到一定溫度，高溫介質(zhì)又被輸送到一個熱 交換器，通過熱交換器產(chǎn)生蒸汽來驅(qū)動傳統(tǒng)的渦輪發(fā)電機，儲熱罐的作用則是儲 存部分太陽能，在適當?shù)臅r候發(fā)電以平緩用電的峰谷。2、集熱塔式集熱塔式CSP電站的聚光系統(tǒng)是由數(shù)以千計帶有雙軸太陽追蹤系統(tǒng)的定日 鏡和一座中央集熱塔構(gòu)成。其工作原理同拋物面槽式相同，其中定日鏡的面積從 1.2平米至120平米不等，聚光倍數(shù)則可以達到數(shù)百倍至上千倍，目前反射鏡主 要由鋁制薄板制成，但考慮到PMMA材料耐候性優(yōu)、容易壓鑄規(guī)?；a(chǎn)和機械 加工方便、質(zhì)量輕、成本低等諸多優(yōu)點，PMM

16、A材料替代鋁材作為反射曲面鏡具 有較好的可行性。另外，為了將準確匯聚到集熱塔頂?shù)慕邮掌魃希枰獙γ恳粔K 定日鏡的雙軸跟蹤系統(tǒng)進行單獨控制，因而技術(shù)難度較拋物面槽式大。3、線性菲涅爾式線性菲涅爾式 CSP 電站采用靠近地面放置的多個帶單軸太陽跟蹤的線性菲 涅爾反射鏡，將太反射到上方的聚光器，再由其匯聚到一根長管狀的熱吸收管， 并將其中的水加熱到 270產(chǎn)生的蒸汽直接驅(qū)動后端的渦輪發(fā)電機。由于此類 CSP系統(tǒng)的聚光倍數(shù)較低，導(dǎo)致整個系統(tǒng)的發(fā)電率同樣較低。4、拋物面碟式拋物面碟式CSP系統(tǒng)是由一組直徑10米左右的拋物面聚光器和安裝在其焦 點上的斯特林發(fā)動機及發(fā)電機構(gòu)成，整個單元安裝在帶有雙軸太陽追蹤

17、系統(tǒng)的支 柱上，其工作原理是高倍匯聚的太將斯特林發(fā)動機中的氣體加熱到750，通過 氣體的膨脹推動引擎活塞，帶動發(fā)電機發(fā)電。三、CSP系統(tǒng)的成本構(gòu)成以技術(shù)相對成熟的拋物面槽式CSP電站為例，目前其建設(shè)成本在4.2美元 -8.4美元/Wp之間，成本的差異主要由項目所在地的直射資源、勞動力和土地成 本、儲熱系統(tǒng)和集熱場的規(guī)模等因素決定，若系統(tǒng)成本為5.61美元/Wp，并考慮 運營成本0.69美元/Wp，使用壽命10年，每年300天實際有效發(fā)電，每天實際 發(fā)電時間18小時計，則上網(wǎng)電價的成本為0.12美元/Wp，具體的建設(shè)成本構(gòu)成 為：項目成本（美元/Wp）占比（%）聚光集熱場反射鏡1.4925%其他

18、0.409%渦輪發(fā)電機組0.326%導(dǎo)熱介質(zhì)0.326%儲熱單元0.5710%電站配套設(shè)施0.509%建設(shè)費用2.0236%合計5.61100%另外，當拋物面槽式CSP電站的規(guī)模從50MW提高到100MW時，其建設(shè)成本 將下降12%,提高到200MW時，則能有建設(shè)成本20%的下降，而且隨著電站規(guī)模 的增加，其他組件的效率也將有一定的提高，從而使得CSP系統(tǒng)的建設(shè)成本有進 一步的下降。CSP行業(yè)的市場規(guī)模截止2010年，全球已投入運營的CSP電站的裝機容量約為900MW，據(jù)Green Peace組織預(yù)計，2020、2030、2040年全球的裝機容量將分別達到68.6GW、231GW、 479GW

19、，若2011-2020年CSP系統(tǒng)的成本按照4.48美元/Wp計，則未來10年全 球CSP系統(tǒng)的投資額將達到3033億美元，光學(xué)反射鏡的投資額將達到758億美 元。若按照中國30%的產(chǎn)能占比，則未來10年中國在CSP行業(yè)的投資額為909.9 億美元，光學(xué)反射鏡的投資額為227.4億美元。CSP行業(yè)的主要企業(yè)截止2010年，目前全球在建的CSP電站的裝機容量約為12.5GW，主要分布 在西班牙和美國，因此世界主要的CSP企業(yè)集中在西班牙和美國，尤以西班牙的 Abengoa Solar公司和美國的Brightsource Energy公司最為著名，其中Abengoa Solar公司在美國建設(shè)的一項

20、目采用集熱塔式，裝機容量已達到400MW，建設(shè)成 本僅為3.4美元/Wp，預(yù)計將于2012年實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。由于中國光照條件的限制，目前中國在建的CSP電站容量僅為1MW，還未形 成產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。但CSP電站使用的組件材料國基本可以大規(guī)模生產(chǎn)，不存在瓶頸 制約。其中，高溫儲熱材料主要是硝酸熔融鹽、合成油、高溫混凝土，除430 以上的合成油之外，中國都可以大規(guī)模生產(chǎn)；耐候性強的反射鏡、定日鏡可采用 鋁材或PMMA鍍膜的方式，國同樣具有大規(guī)模量產(chǎn)的能力；在拋物面槽式系統(tǒng)中， 國已能生產(chǎn)300的真空管，并正在研發(fā)450的真空管。而且根據(jù)國家發(fā)改委發(fā)布實施的可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃，到 2020 年中國的

21、太陽能熱發(fā)電的總裝機容量僅達到200MW，約占全球的0.3%，因此中國未來CSP產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向還將是出口。在 CSP 行業(yè)的光學(xué)元件環(huán)節(jié)，國仍以東山精密為代表，該公司憑借為Solfocus提供精密鈑金加工的能力，可較為容易的涉足CSP行業(yè)的聚光系統(tǒng)， 但目前用PMMA制造反射鏡的方式還未形成有顯著競爭優(yōu)勢的企業(yè)。太陽能聚光系統(tǒng)的性能尺寸10500mm材料PMMA光透過率90%以上光線匯聚率75-85%厚度2-3mm厚度誤差率0.05 （毫米）表面面型精度P-V優(yōu)于10納米表面粗糙度度Ra優(yōu)于5納米耐候性15-20 年在光伏產(chǎn)業(yè)尤其是晶硅太陽能發(fā)展遭遇產(chǎn)能過剩、高能耗和高污染的詬病時，太陽能光熱

22、發(fā)電技術(shù) 一時間，作為太陽能光伏發(fā)電“親姐妹”的太陽能光熱發(fā)電，被擺在了競爭臺上。光熱技術(shù)日益被看重光熱PK光伏1、光熱發(fā)電原理與太陽能光伏發(fā)電有較大不同與CPV系統(tǒng)可以分為反射型聚 光和投射型聚光類似，CSP的分 類主要也是按照系統(tǒng)使用的不同 聚光反射器來區(qū)分的；而不同之處 在于，CSP系統(tǒng)后道能量轉(zhuǎn)換部 分的結(jié)構(gòu)及其對系統(tǒng)技術(shù)特性的 影響，在不同類型的系統(tǒng)之間也有 比較大的區(qū)別。CSP發(fā)電的技術(shù)路線可以分為四 大類：技術(shù)相對成熟、目前應(yīng)用最 廣泛的拋物面槽式；效率提升和成 本下降潛力最大的集熱塔式；適合 以低造價構(gòu)建小型系統(tǒng)的線性菲 涅爾式；效率最高、便于模塊化部CSP與舊的不同之處署的拋

23、物面碟式。聚光光熱CSP發(fā)電的能量轉(zhuǎn)換過程2、各方面比較光熱發(fā)電與光伏發(fā)電相比，在技術(shù)難度、環(huán)保等方面要優(yōu)于光伏發(fā)電，但是在成本控制、技術(shù)研發(fā)等方面仍有較長的路要走。光熱發(fā) 們冷靜地分析，踏實地積累。比較光熱發(fā)電光伏發(fā)電定義利用集熱器把太陽輻射熱能集中起來給水加熱產(chǎn)生蒸汽，然后通過汽輪機、 發(fā)電機來發(fā)電。根據(jù)集熱方式不同，又分高溫發(fā)電和低溫發(fā)電。光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生 術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能節(jié)能環(huán)保是清潔生產(chǎn)過程，太陽能光熱能是清潔能源，光熱發(fā)電對環(huán)境的影響很小， 不會對環(huán)境造成污染。光伏發(fā)電的電池板生產(chǎn)過程是高能技術(shù)方面在我國發(fā)展時間較短，在太陽能聚光方法及設(shè)備、高溫傳熱儲熱、電站