中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：截至2014年為止，聚光光伏公司幾乎全軍覆沒(méi)，其市場(chǎng)化進(jìn)程遭到嚴(yán)重挫折，聚光光伏技術(shù)還有前途嗎？
在光伏發(fā)電的各種技術(shù)中，已經(jīng)走過(guò)了近30年發(fā)展歷程的聚光光伏（concentrated PV，簡(jiǎn)稱CPV）技術(shù)，目前看來(lái)，仍然是一個(gè)較不起眼的技術(shù)路線。
聚光光伏技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志性事件，是1976年美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室制作了第一架聚光光伏發(fā)電設(shè)備原型機(jī)。
從一開(kāi)始，人們對(duì)聚光光伏技術(shù)感興趣的主要原因，是其具有降低成本的巨大潛力。但具有諷刺意味的是，在走向市場(chǎng)化的過(guò)程中，聚光光伏卻因相對(duì)高昂的成本，一直為批評(píng)者所詬病。
隨著平板晶硅光伏系統(tǒng)成本的一路下降，也由于聚光光伏自身存在的一些問(wèn)題，截至2014年，曾經(jīng)一度火熱的聚光光伏公司，幾乎已全軍覆沒(méi)。
那么，聚光光伏技術(shù)還有前途嗎？
什么是聚光光伏
與其他光伏發(fā)電技術(shù)路線一樣，聚光光伏也是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換材料的光伏效應(yīng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電。其所使用光電轉(zhuǎn)換材料，可以是晶硅材料，也可以是其他光電材料。這一技術(shù)的要點(diǎn)在于，利用光學(xué)聚焦裝置把太陽(yáng)光集中到一小片光電材料上，以此節(jié)省昂貴的半導(dǎo)體材料，達(dá)到同樣的陽(yáng)光利用效率。與一般直覺(jué)認(rèn)識(shí)所不同的是，聚光技術(shù)僅僅是增大了光的能量密度，并不意味著能量的放大。
這樣一樣，聚光光伏就出現(xiàn)了一些與一般光伏不太一樣的情況。
首先，因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)一般只能對(duì)直射光或者平行光進(jìn)行聚焦，盡管太陽(yáng)光照射到地球時(shí)可以認(rèn)為是平行光，但到達(dá)地面的陽(yáng)光，卻有一部分是經(jīng)過(guò)散射、反射或者漫反射到達(dá)的，這部分陽(yáng)光就無(wú)法為聚光系統(tǒng)所利用。通常情況下，直射陽(yáng)光成分占總輻射的85%（因不同地區(qū)而異）。
其次，因?yàn)橐３志酃庀到y(tǒng)正對(duì)著太陽(yáng)，跟蹤系統(tǒng)就成為聚光光伏必不可少的重要部件。傳統(tǒng)上，光伏發(fā)電設(shè)備不帶轉(zhuǎn)動(dòng)部件一度被認(rèn)為是光伏發(fā)電的一大亮點(diǎn)，但隨著跟蹤系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步和成本下降，更最重要的是可靠的增加，因此其他光伏技術(shù)帶跟蹤器的方案也慢慢的被行業(yè)接受。
再者，在使用的光電材料上，早期的聚光光伏仍然使用晶硅材料，但隨著其他更高光電轉(zhuǎn)換效率材料的發(fā)展和聚光比的提高，III-V族砷化鎵系列的半導(dǎo)體多結(jié)材料慢慢成為聚光光伏使用的主流材料，而晶硅材料在聚光比提高以后無(wú)法承受高密度的光照，僅停留在低倍聚光上應(yīng)用。因此，聚光光伏又分為低倍聚光（LCPV）和高倍聚光（HCPV）。本文后面談到的聚光光伏，特指高倍聚光。
作為光電轉(zhuǎn)換材料，III-V族砷化鎵材料因其優(yōu)異的熱學(xué)、光學(xué)特性，以及抗太空輻射和重量輕（砷化鎵本身就是薄膜材料），因此首先在衛(wèi)星上得到了應(yīng)用。衛(wèi)星上為設(shè)備供電的光伏板已經(jīng)由硅太陽(yáng)能電池板替換成更輕便、光電轉(zhuǎn)換效率更高的砷化鎵電池板。值得一提的是，砷化鎵是一種重要的半導(dǎo)體材料，在微電子等領(lǐng)域有極其重要的應(yīng)用。西方國(guó)家長(zhǎng)期對(duì)我國(guó)進(jìn)行技術(shù)封鎖，包括限制材料生長(zhǎng)設(shè)備的進(jìn)口。
因?yàn)樯榛壊牧舷鄬?duì)硅材料而言比較昂貴，因此，砷化鎵系列材料應(yīng)用于聚光光伏以后，聚光比必須要設(shè)計(jì)得很高，以平衡材料的成本?，F(xiàn)在主流的高倍聚光系統(tǒng)一般在500~1000倍甚至更高。
但是，更高的聚光比又帶來(lái)新的問(wèn)題。聚光比提高以后，光能量密度更高，芯片的電流密度增大，散熱問(wèn)題顯得更加突出。同時(shí)，更高的聚光比對(duì)跟蹤系統(tǒng)的精度提出了更高的要求，現(xiàn)在一般要求跟蹤精度在0.5度以內(nèi)，由此跟蹤器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性又成了新的課題。所有這些問(wèn)題，都加劇了聚光光伏的成本壓力。
順便提一下，也正因?yàn)樯榛壊牧鲜紫仁窃诳臻g上得到應(yīng)用，因此高倍聚光有時(shí)也被稱為是太空技術(shù)的地面應(yīng)用。這也解釋了早期進(jìn)入高倍聚光光伏領(lǐng)域的是些什么機(jī)構(gòu)，比如波音公司的光譜實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)Emcore公司等，他們是為美國(guó)太空計(jì)劃提供空間電源的單位，國(guó)內(nèi)的上海811所、天津18所，甚至德國(guó)的Azur也是一樣的性質(zhì)。
日漸凸顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)
事情總是具有奇妙的兩面性。砷化鎵帶來(lái)聚光光伏系統(tǒng)成本提高的同時(shí)，也帶來(lái)了光電轉(zhuǎn)換效率提升的新希望。
根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，聚光光伏電池的效率每年提升大約為0.9%。2014年，多結(jié)半導(dǎo)體（基于砷化鎵材料系列）電池的轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到了46%，其組件效率也到達(dá)了36.7%。這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到其理論上的光電轉(zhuǎn)換效率上限（~70%）。
而與此同時(shí)，現(xiàn)在的硅基光伏卻已經(jīng)非常接近實(shí)驗(yàn)室和理論轉(zhuǎn)換效率了（28%）。
從成本上來(lái)說(shuō)，由于高倍聚光系統(tǒng)設(shè)計(jì)普遍采用高聚光比的緣故，砷化鎵材料在整個(gè)聚光系統(tǒng)中的成本比例僅為10%左右。而近幾年來(lái)，聚光光伏系統(tǒng)的成本下降十分顯著，這包括電池接收器封裝、模組組裝、跟蹤器、光學(xué)系統(tǒng)等幾個(gè)核心部件。
由于砷化鎵材料在民用市場(chǎng)特別是LED（發(fā)光二極管）中的廣泛應(yīng)用，大大帶動(dòng)了其成本的下行。跟蹤器也逐漸在平板光伏系統(tǒng)中得到更多應(yīng)用，其可靠性開(kāi)始得到認(rèn)可。光學(xué)系統(tǒng)上高倍聚光的主流是采用菲涅耳平板透鏡的設(shè)計(jì)，大多采用廉價(jià)的PMMA材料。
因?yàn)楦弑毒酃獾氖袌?chǎng)還不大，價(jià)格信息不透明。但是樂(lè)觀的估計(jì)表明，現(xiàn)在整體設(shè)備價(jià)格應(yīng)該非常接近于平板硅基太陽(yáng)能電池。加上同等裝機(jī)容量的聚光光伏系統(tǒng)比固定安裝式平板系統(tǒng)多40%以上的發(fā)電量（不是轉(zhuǎn)換效率高，是因?yàn)閹Ц櫹到y(tǒng)），在陽(yáng)光充沛地區(qū)，其平準(zhǔn)化電力成本（LCOE或度電成本）已經(jīng)和普通固定式平板光伏在一個(gè)水平了。
影響市場(chǎng)擴(kuò)大的因素
首先，是應(yīng)用區(qū)域的限制。前文提到，因?yàn)榫酃夤夥募夹g(shù)特點(diǎn)，只有直射陽(yáng)光能被利用，在陽(yáng)光充沛、直射陽(yáng)光成分高的地方，聚光光伏才能體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。
一般認(rèn)為，在直射陽(yáng)光要達(dá)到2000kWh/m2/a的地方，使用高倍聚光的度電成本才可以與平板光伏比擬。在國(guó)內(nèi)，目前適合聚光光伏的區(qū)域只能優(yōu)先考慮西藏和西北的一類陽(yáng)光資源地域。
其次，聚光光伏要形成一定的產(chǎn)能，才能有效的降低系統(tǒng)設(shè)備成本。
再者，聚光光伏的設(shè)計(jì)各個(gè)廠家都不一樣，難以形成外觀、技術(shù)規(guī)格上的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這也影響了其市場(chǎng)推廣。不過(guò)，現(xiàn)在采用多結(jié)半導(dǎo)體芯片、菲涅耳透鏡點(diǎn)聚焦、被動(dòng)散熱、雙軸高精度跟蹤器等，已經(jīng)形成高倍聚光光伏的主流設(shè)計(jì)。
目前，看起來(lái)似乎是多晶硅、單晶硅光伏產(chǎn)品占據(jù)了絕大部分的光伏市場(chǎng)，但是必須認(rèn)識(shí)到，光伏本質(zhì)上還是一種處于不斷進(jìn)步中的技術(shù)。除了硅基材料以外，還有CIGS、CdTe、GaAs、鈣鈦礦甚至有機(jī)太陽(yáng)能材料，等等。美國(guó)第一太陽(yáng)能公司憑借CdTe薄膜組件甚至一度成為全世界出貨量最大的光伏組件公司。另外，不同的太陽(yáng)能技術(shù)路線，也有其適合的應(yīng)用市場(chǎng)，在大型荒漠地面電站，聚光光伏就比平板太陽(yáng)能有優(yōu)勢(shì)。
在談?wù)摼酃夤夥臅r(shí)候，人們經(jīng)常使用平準(zhǔn)化電力成本（LCOE）一詞，有時(shí)候則是用度電成本。
這表明了聚光光伏一開(kāi)始就是沖著平價(jià)上網(wǎng)的目標(biāo)而來(lái)的。而聚光光伏產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的低能耗也常常被提起，其能源回報(bào)期在6個(gè)月左右，這也低于一般多晶硅產(chǎn)品兩年左右的能源回報(bào)期。
聚光光伏在其發(fā)展的近30年間，出現(xiàn)了大大小小幾十家公司，包括一些集團(tuán)公司下的子公司和上市公司下的事業(yè)部，但一直沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)一家獨(dú)立的上市公司。
由于晶硅光伏產(chǎn)品成本一路下降，截至2014年為止，聚光光伏公司幾乎全軍覆沒(méi)，其市場(chǎng)化進(jìn)程遭到嚴(yán)重挫折。
未來(lái)能否脫穎而出
對(duì)于處于小眾市場(chǎng)地位的聚光光伏，還有機(jī)會(huì)脫穎而出嗎？
與其他光伏技術(shù)不同，聚光光伏基本上是一個(gè)系統(tǒng)集成的光伏設(shè)備。從材料到接收器部件，各個(gè)廠家之間差異并不大。一旦跟光學(xué)系統(tǒng)合在一起，不同的光學(xué)設(shè)計(jì)理念、不同的聚光比以及不同的散熱方案，導(dǎo)致最后形成的模組結(jié)構(gòu)五花八門，甚至各個(gè)廠家的規(guī)格、尺寸都很難一致。最后，結(jié)合到大大小小不同的跟蹤器，則加劇了聚光光伏產(chǎn)品的差異化表現(xiàn)。
因此，既然是一個(gè)系統(tǒng)集成的產(chǎn)品，一開(kāi)始就要考慮跟蹤器的精度對(duì)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響、散熱對(duì)聚光比設(shè)計(jì)的影響，等等。一個(gè)聚光光伏公司，如果不具備強(qiáng)大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和供應(yīng)商整合能力，是很難推出好的聚光光伏產(chǎn)品的。
其次，從行業(yè)的成熟度來(lái)看，高倍聚光在國(guó)內(nèi)已經(jīng)基本形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈。多結(jié)半導(dǎo)體芯片、接收器封裝、光學(xué)菲涅耳透鏡、模組組裝、跟蹤器，甚至光學(xué)系統(tǒng)中的二次光學(xué)部件，在國(guó)內(nèi)都可以很容易找到供應(yīng)商。國(guó)內(nèi)最近這幾年通過(guò)慷慨的光伏補(bǔ)貼政策，終端應(yīng)用市場(chǎng)也日趨成熟和壯大，聚光光伏并沒(méi)有其他光伏技術(shù)長(zhǎng)期存在的“兩頭在外”的問(wèn)題。
不過(guò)，聚光光伏還需要有效的和執(zhí)行到位的政策支持。發(fā)展聚光光伏技術(shù)，不僅僅是因?yàn)榘l(fā)電，它帶動(dòng)的是一個(gè)非常高端的制造業(yè)體系。
砷化鎵被認(rèn)為是硅材料以后的下一代半導(dǎo)體材料，對(duì)我國(guó)微電子行業(yè)的發(fā)展非常重要。光學(xué)菲涅耳透鏡的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，將提高我們?cè)诟叨斯鈱W(xué)材料的應(yīng)用和普及水平。跟蹤器的技術(shù)含量，也遠(yuǎn)非一般的光伏固定支架可以比擬。
一個(gè)聚光光伏設(shè)備包含了半導(dǎo)體材料、半導(dǎo)體封裝、微電子、自動(dòng)化控制、熱管理、先進(jìn)光學(xué)材料等多個(gè)學(xué)科和行業(yè)，因此，通過(guò)發(fā)展聚光光伏，把這些原本高端的技術(shù)普及到人人用得起的光伏發(fā)電領(lǐng)域，將是一件非常有意義的事情。
舉兩個(gè)大家熟悉的例子，蘋果手機(jī)和特斯拉汽車。在蘋果公司決定研發(fā)手機(jī)的時(shí)候，基本上所有的部件已經(jīng)有成熟的供應(yīng)商了，蘋果公司并沒(méi)有研發(fā)具體哪一個(gè)部件，只是進(jìn)行了最終產(chǎn)品的設(shè)計(jì)并通過(guò)強(qiáng)大的供應(yīng)商控制能力，卻重新定義了手機(jī)的使命。而在馬斯克決定生產(chǎn)一款全電力動(dòng)力汽車的時(shí)候，他也沒(méi)有從頭開(kāi)始研發(fā)具體的部件，他甚至只是使用了筆記本電腦的電池，就讓特斯拉汽車風(fēng)靡全球。
聚光光伏技術(shù)的發(fā)展，是否會(huì)帶來(lái)類似的情形出現(xiàn)呢？我們或可以拭目以待。希望有企業(yè)能有此魄力、相關(guān)部門有此遠(yuǎn)見(jiàn)，如此，則聚光光伏在未來(lái)的光伏發(fā)電應(yīng)用市場(chǎng)上，必有一席之地。
原標(biāo)題:聚光光伏行思錄
