高倍聚光与双轴平板发电经济性分析

蒋华庆，田景奎

（中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司，北京市，100120）

0 引言

聚光光伏（concentration photovoltaic，CPV）发电技术发展的初衷是通过光学器件将太阳光聚集到较小面积的太阳能电池上，从而实现使用较少的太阳能电池产生较多的电能[1-2]。这种技术在太阳能电池昂贵时具有特别的优势。太阳能电池可以是晶体硅电池，也可以是Ⅲ-Ⅴ族太阳能电池（如砷化镓电池）。但是晶体硅电池固有的峰值功率温度系数较高（典型值在-0.5%/K左右），当聚光倍数上升时，其自身的温度损失较大，对自身的寿命有影响，因此主要用在低倍聚光领域。与晶体硅相比，砷化镓电池峰值功率温度系数较低（典型值在-0.15%/K），耐高温，因此广泛应用在高倍聚光光伏（high concentration photovoltaic，HCPV）领域。由于砷化镓电池非常昂贵，因此产业界一直致力于通过提高聚光倍数来尽可能减少这种太阳能电池的用量。目前，国际上成熟HCPV产品聚光比大多在500倍左右，大部分采用砷化镓太阳能电池。

与常规晶体硅发电技术相比，HCPV作为一种新兴的技术，其工程应用前景值得关注。目前，已有一些大型企业通过自主研发或引进技术开始生产HCPV设备，并计划开展示范电站建设。除了设备成熟、可靠的要求外，HCPV必须具有更具竞争力的发电成本优势才可能得到广泛的应用。本文选取了敦煌和上海2个地区，对HCPV和双轴平板（晶体硅组件配套双轴跟踪器）的发电成本进行探讨。

1 敦煌和上海地区辐照参数

敦煌（40.0N，94.5E）近30年平均年总辐射为1771.5 kW·h/m2（水平面上），直接辐射为2158.4 kW·h/（m2·年），属于I类“最丰富带”，直接辐射强；上海（31.1N，121.3E）1960—1990年 30年平均年辐射为1242.9 kW·h/m2（水平面上，取自Meteonorm数据库），直接辐射为744.08 kW·h/（m2·年），属于III类“丰富带”，直接辐射较弱。HCPV组件必须配套高精度双轴跟踪器，因此，选择双轴平板的系统作为对比对象，如图1、2所示。在本文计算时采用的HCPV和晶体硅组件的参数见文献[3]、[4]。

2 光伏发电成本的比较方法

不同技术类型的光伏电站的发电成本可以近似用初始成本与初始年发电量的比值来比较。

2.1 光伏电站的初始成本

光伏电站的初始成本由光伏组件及系统平衡部件（blance of system，BOS）2部分成本组成。对HCPV和晶体硅光伏组件2者来说，BOS成本有所差别，主要体现在：（1）由于HCPV要求的跟踪精度很高，一般是小于±0.3°，而晶体硅光伏组件要求的跟踪精度则低得多，一般采用间歇跟踪，因此晶体硅配套的跟踪器成本会小于HCPV；（2）由于HCPV的组件效率较高，一般能达到20%以上，而晶体硅组件的效率一般在13%～15%之间，因此HCPV的用地成本、电缆和场地平整费用等都会小于晶体硅。综合考虑，2种发电方式的BOS成本差别较小，并且因具体项目而异。为便于分析，假设2者的BOS成本相同，均为10000元/kWp。晶体硅组件价格目前为14000元/kWp，高倍聚光组件的价格目前为20000元/kWp左右。这样，晶体硅组件配套双轴跟踪器的初始成本约为24000元/kWp，高倍聚光组件配套双轴跟踪器的初始成本约为30000元/kWp。

2.2 发电量计算

与光伏系统发电量相关的因素较多，除了主要影响因素——方阵面上的可利用辐射量、温度之外，还有表面污染、设备可利用率、逆变效率、最大功率点跟踪精度、阴影遮挡和电能传输损失等。1 kWp方阵上的月发电量可以用下式表示，

式中：Qout为1 kWp方阵月发电量；Qin为1 kWp方阵面上月可利用辐射量；η1为由温度引起的发电量变化系数；η2为由表面污染、设备可利用率、逆变效率、最大功率点跟踪器精度、阴影遮挡、电能传输损失等因素引起的发电量损失，对2种技术，η2均取为0.80；η3为标准测试条件下的光电转换效率（对晶体硅，是指辐照度1000 W/m2，电池温度25℃，光谱分布为AM1.5；而对于本计算采用的HCPV，是指直接辐照度850 W/m2，电池温度25℃，光谱分布为AM1.5）。

其中，

式中：β为光伏组件的峰值功率温度系数，HCPV取-0.15%/K，晶体硅取-0.47%/K；Tc为太阳能电池的月平均温度；Tr为太阳能电池峰值功率标定参考温度，对晶体硅组件和HCPV组件均为25℃。

太阳能电池的温度与环境温度、辐照度、风速等条件有关，对于晶体硅组件，若不考虑风速的影响，太阳能电池的月平均温度可以近似用式（3）[5]表示，

式中：Ta为月平均环境温度为月平均晴空指数；NOCT为标准工作环境下（环境温度为20℃，辐照度800 W/m2，风速为1 m/s）太阳能电池的温度，取为45℃。

对于HCPV，估计太阳能电池的月平均温度则更为复杂。对于晶体硅组件，直射、散射及反射光线均对太阳能电池温升有贡献；而对于HCPV，散射光线及地面反射光线由于不能被聚焦，因此对太阳能电池的温升基本不起作用，只有直射光线起作用。因此，在参照式（3）估计HCPV电池温度时，应在温升部分乘以系数为当月方阵面上直接辐射与总辐射的比值。

3 敦煌地区2种方式单位成本发电量比较

3.1 光伏方阵上可利用辐射

利用PVSYST软件，首先将输入的敦煌地区各月总辐射转换为计算需要的一整年每小时的水平面直接辐射、散射辐射值，再根据上述每小时数据计算得到敦煌地区双轴跟踪方阵面上各月辐射值，如图3。

对于HCPV，散射辐射及地面反射辐射几乎不起作用，可利用的是直接辐射量；对于晶体硅，直接、散射及地面反射均可用。

3.2 2种发电方式各月由温度引起的发电量变化系数

由式（2）、（3）可得到2种发电方式各月的由温度引起的发电量变化系数η1，如图4。η1为1说明温度对发电量基本没有影响；η1小于1说明温度使得发电量下降；η1大于1则说明温度使得发电量上升。

从图4可以看出，在冬季时，低温对晶体硅组件发电量的提高幅度较大，而在春、夏、秋季时高温对晶体硅组件发电量的降低影响明显高于HCPV。这是由于2者峰值功率温度系数的差异。

3.3 2种发电方式的年发电量

由式（1）可以计算出2种发电方式各月的发电量，如图5。2种发电方式的初始年发电量分别为：HCPV配套双轴跟踪器2002.8 kW·h/（kWp·年）；晶体硅配套双轴跟踪器2246.5 kW·h/（kWp·年）。HCPV发电量比晶体硅配套双轴跟踪器低10.8%。

3.4 2种发电方式的单位成本发电量

对于敦煌地区，2种发电方式初始成本与年发电量比值分别为：HCPV配套双轴跟踪器14.979元/（kW·h），晶体硅配套双轴跟踪器10.683元/（kW·h）。HCPV的发电成本比晶体硅配套双轴跟踪器高40.2%。

4 上海地区2种方式单位成本发电量比较

与敦煌计算的方法类似，可以得到上海地区：（1）双轴方阵面各月直接辐射、散射及地面辐射，如图6所示；（2）HCPV与晶体硅各月由温度引起的发电量变化系数η1，如图7所示；（3）2种发电方式各月发电量，如图8所示。

2种发电方式的年发电量分别为：HCPV配套双轴跟踪器695.8 kW·h/（kWp·年），晶体硅配套双轴跟踪器1166.4 kW·h/（kWp·年）。

对于上海地区，2种发电方式的初始成本与年发电量的比值分别为：HCPV配套双轴跟踪器为43.116元/（kW·h），晶体硅配套双轴跟踪器20.576元/（kW·h）。HCPV配套双轴跟踪器的发电成本比晶体硅配套双轴跟踪器高109.5%。

5 结论

（1）在当前市场条件下，敦煌地区HCPV的发电成本比双轴平板高40.2%，而上海地区HCPV的发电成本比双轴平板高109.5%。HCPV的发电成本明显高于双轴平板。

（2）对于直接辐射较弱的我国东部沿海等地区，HCPV与双轴平板发电成本之间的差距明显高于西部直接辐射较强的地区。

（3）由于HCPV自身的特点，即使在敦煌这样的Ⅰ类地区，其发电量也比晶体硅配套双轴跟踪器低11%左右，因此，从经济性角度来考虑，HCPV系统成本降低到比双轴平板电站系统成本低11%以上时，才具有竞争力。

（4）由于HCPV组件的优势在于较高的转换效率，因此，对于土地昂贵的地区，其BOS成本可能较晶体硅组件有一定的降低，从而缩小与晶体硅组件的发电成本。

（5）根据目前的技术成熟度，HCPV的维护成本会高于晶体硅配套双轴跟踪器，这也是提高HCPV发电成本的因素之一。

[1]窦 伟，许洪华，李 晶.跟踪式光伏发电系统研究[J].太阳能学报，2007，28（2）：169-173.

[2]张耀明，孙利国.关于聚光光伏发电技术的思考[M]//中国可再生能源发展战略研究丛书：太阳能卷.北京：中国电力出版社，2008.

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[4]无锡尚德.STP280_24Vd多晶硅组件性能参数[EB/OL].（2010-1-1） [2010-5-18].http∶//www.suntech-power.com/images/datasheet_cn/STP280_24Vd_CN_NO1.pdf.

[5]Evans D L.Simplified method for predicting photovoltaic array output[J].Solar Energy，1981，27（6）：555-560.

[6]蒋华庆，张 玮，林 川，等.甘肃敦煌10 MW光伏并网发电特许权示范项目可行性研究报告[R].北京：北京国电华北电力工程有限公司，2009.

[7]蒋华庆，张 玮，林 川，等.承德平泉县高倍聚光光伏发电场可行性研究报告[R].北京：北京国电华北电力工程有限公司，2010.

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