非对称聚光跟踪光伏系统——光伏组件功率倍增器的研究及应用

杰华太阳能研究所 ■ 李杰吾肖孚松

非对称聚光跟踪光伏系统——光伏组件功率倍增器的研究及应用

杰华太阳能研究所 ■ 李杰吾*肖孚松

“聚光光伏”是完全可进一步降低光伏电力成本的技术路线，但必须解决3个问题：应以质好价廉的光伏组件为聚光对象；充分利用价廉物美的聚光镜进行均匀聚光；发明一种可靠、廉价且免维护的二维精确对日跟踪系统。研制了一种非对称聚光跟踪光伏系统解决了以上问题，称为“光伏组件功率倍增器”；本文详细介绍该系统具备的核心技术，从总增益和产业化成本分析可知，随着光伏组件效率的提高，该系统的降本优势会越来越大。

非对称聚光；免维护二维精确跟踪；光伏组件功率倍增器

0　引言

光伏发电以其清洁环保且潜力无限备受人们关注，如何提高光电转换效率、降低成本是研究的重点和关键。当前，光伏发电系统主要采用电池板固定的太阳能采集方式(固定式光伏系统)，具有材料浪费、设备利用率较低、成本高和资金回收期长等缺点［1,2］。基于此，我们一直致力于通过聚光跟踪技术来降低光伏成本的研究，将热销的晶体硅组件与聚光跟踪技术相结合，发明了非对称聚光跟踪光伏系统——光伏组件功率倍增器，可使聚光跟踪光伏组件的功率加倍扩大，使聚光光伏系统比固定式光伏系统的成本再降19.7%～34.7%，成为最早实现平价上网的光伏系统。

1　非对称聚光跟踪光伏系统及其5项核心技术

《非对称聚光跟踪光伏系统》［3］于2010年获得国家发明专利，包含以下5项核心技术。

1.1独特简洁而可靠的二维对日自动跟踪技术

与世界各国以电子技术为主的二维跟踪技术不同，我们经过多年深入研究，结合天文物理学日地相对运行规律，得出最简洁的二维对日精确跟踪理论，提出将两个轴的跟踪巧妙相结合的技术方案，成功研制出只需1个电机、1个简单的电子控制器、1套机械装置就能使聚光光伏组件随时精确正对太阳的二维同步跟踪系统。当电网停电而使跟踪出现偏差时，可通过卫星传感系统自动纠错，确保聚光组件仍垂直对准太阳，跟踪增益达到37%，成为一种可靠而免维护的技术。

通过采集多台样机几年的运行数据，可得到以下结论：

1)二维跟踪理论。日轴：匀速圆周运动；季轴：θ=θ0sin2πX/M，其中，M为常数，θ0为初始角度；θ为对应某天数X的季轴旋转角。

2)跟踪精度：日轴介于 -0.01°～0.01°，季轴介于 -0.1°～0.1°(双轴同步)。

3)跟踪耗电量 ≤ 0.7%(本机发电量)。

4)二维跟踪器成本 ≤1.2元/W。

5)防灾能力：9级风情况下、雷雨天、沙尘暴、严寒酷暑、下雪天皆可照常跟踪。

6)维护情况：无需专人维护，每年使用润滑剂维护一次即可。

1.2非对称二倍聚光技术

设计的非对称聚光的光学公式如下：

式中，a、b分别为组件、聚光镜的宽；α为组件与聚光镜之间的夹角。

对光伏组件进行二倍聚光的优势为：1)以各大光伏企业都在生产的大型光伏组件为聚光对象，既保证了组件质量过硬、低成本的优势，又可进一步提高其发电能力，并降低系统成本；2)二倍聚光下组件的温升很低，可在不安装散热器的情况下，保证组件运行25年；3)二倍聚光使用的聚光镜为市场随处可见的平面镜，质好价廉、使用寿命长，聚光镜的成本只是光伏组件的1/6，而增加的发电量却比光伏组件多50%以上。

将对称聚光改进为非对称聚光，增加的功能为：1)增大了对正面风的分流，使整机抗风能力增强，在9级大风的情况下，整机自动跟踪仍可继续进行，而机架不必过分粗笨；2)整机所占空间比对称聚光时要小，相对节省土地面积；3)可获得约25%的散射阳光；4)在光伏组件上的聚光很均匀。

1.3电机转动角的精密控制技术

已有的步进电机可对电机的转动角进行精密控制，但成本较高，且自耗电量过大。本文研制的非对称聚光跟踪光伏系统的微电机步进式控制系统耗电量只有其1/10，成本约为1/3。

1.4可调式固定支架技术

为确保聚光跟踪的准确性，研制了倾角可调的立柱式固定支架，可确保工作人员在架设一台新的聚光光伏系统时，根据说明书的安装步骤，只需定好倾角即可安装成功，顺利进入长期稳定的聚光跟踪发电状态。

1.5卫星对跟踪的精确控制与自动纠错技术

卫星对跟踪的精确控制与自动纠错技术确保该系统在电网停电后再恢复供电时，能保持精确垂直正对太阳的跟踪状态。

2　非对称聚光跟踪光伏系统的总增益

2.1理论计算总增益

聚光光伏系统与固定光伏系统相比，发电量的提高受以下因素的影响：聚光增益、跟踪增益、聚光下光伏组件自身光电转换效率增益，以及组件因温升引起的功率下降。非对称聚光光伏系统的总增益Z的计算为：

式中，Z1为聚光增益；Z2为跟踪增益；Z3为光伏组件的转换效率增益；Z4为由于温升引起的光伏组件输出功率的下降率。

以下以太阳能较丰富地区为例。

2.1.1聚光增益Z1

因太阳电池的短路电流Isc与入射光强成正比，当几何聚光倍数取2.1时，如图1所示，阳光垂直入射到光伏组件上，其宽度设为1，而垂直阳光对大、小反射镜的投影宽度分别是组件宽度的0.7与0.4，必须保证大、小反射镜获得的阳光均匀反射到光伏组件上。

图1　非对称聚光示意图

在阳光较丰富的地区，阳光的直射成分占55%，散射成分占45%。这种地区的聚光增益Z1为：

以上计算中，0.84为直射阳光经反射后到达组件的比值；0.25为非对称聚光可利用的散射阳光的最小比例；0.89为光伏组件能吸收的比值。

1.562与实测值吻合。

2.1.2跟踪增益Z2

参照文献［4］，再根据美国一气象台站30年对各种跟踪模式的实测记录，二维精确跟踪与倾纬度角固定架设的组件相比，跟踪增益Z2应为1.369，考虑早晚存在一定遮挡，取Z2=1.35较为合适。

2.1.3光伏组件的转换效率增益Z3

以下为光伏组件在聚光2.1倍、Z1=1.562时，提高光伏组件转换效率η的计算。

根据定义，太阳电池的光电转换效率为：

式中，FF为填充因子；Isc为短路电流；Voc为开路电压；Pin为入射光辐照度。

太阳电池是一种对温度极为敏感的半导体器件，温度影响着组件的输出功率。此处只讨论入射光辐照度Pin对转换效率η的影响。

对于太阳电池的性能，假定FF不发生变化，随着Pin的增加，Isc直线增加，Voc按对数增加，变化量很小，但η有所提高。然而实际上，由于光照强度增加时元件的串联电阻效应变大，导致一般填充因子会降低［5］。图2为太阳电池的开路电压、填充因子和转换效率与入射光辐照度的关系图［5］。

图2　太阳电池的开路电压、填充因子和转换效率与入射光辐照度的关系

由图2可知，当Pin逐渐增强时，Voc按对数平稳增加；FF先基本平稳，超过0.2 W/cm2后下降较快；η受Voc与FF的双重影响，在0.2 W/cm2前有所提高，之后开始下降。这表明实际到达太阳电池的入射光辐照度超过两个标准太阳时，FF、η都会下降。

式中，n为曲线因子，1＜n＜2；T为绝对温度，K；k为波尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K；q为电子电荷，q=1.602×10-19C；Iph为光生电流；I0为二极管反向饱和电流。

在2.1倍聚光下，实际到达组件的入射光辐照度仍小于两个标准太阳，Iph=1.562Iph，当温度不变时：

将Voc=0.618 V、n=1.5、T=298 K代入式(5)、式(6)得，V′oc=0.635 V。

当FF与Isc/Pin保持不变时，η∝Voc。

当效率从18%提高到18.5%时，提高比值为1.0278，故在2.1倍聚光下，光伏组件的转换效率增益Z3=1.0278，相当于晶硅电池的转换效率从18%提高到18.5%的比值。

2.1.4由于温升引起的光伏组件输出功率的下降率Z4

非对称聚光跟踪光伏系统应用于包头地区，已并网发电正常运行3年多。测得光伏组件的最低温度为-19 ℃，最高温度为90 ℃，年均温度为35.5 ℃。该温度比光伏组件测试标准环境温度25 ℃高出10.5 ℃，而晶硅光伏组件的峰值功率温度系数为-0.42%/℃，故光伏组件年均峰值功率的下降率Z4=1-0.42%/℃×10.5 ℃=0.956。

若在热带地区，2.1倍聚光下的年均组件温升会达到20 ℃，会使Z4降为0.916；而在接近寒带的加拿大、俄罗斯、阿拉斯加、北欧等地区，年均温升可能为2 ℃，甚至为负值，会使Z4变为0.992，甚至大于1。

根据式(2)，可得出在聚光2.1倍且保证二维精确跟踪的情况下，光伏组件年均总增益Z=2.072。

2.2光伏系统日发电量实测情况

实测地点：包头市昆区房地产开发公司6楼楼顶，两种组件分别与市电网并网。

平板式：195 Wp多晶硅组件，以倾纬度向正南固定架设。

聚光式：195 Wp多晶硅组件，装在非对称聚光跟踪系统中。

光伏系统日发电量实测对比记录见表1，其中，2014年冬至前后1个多月，每天读取电表时间为8∶00；11月21日，记录者出差1个月，期间两种组件并网发电与聚光跟踪完全正常。由表1可知，冬至前后(11月19日～12月26日)聚光式组件比固定式组件发电量的提高倍数平均值为：

(358.38-303.46)/(282.01-254.01)=1.961倍

表1　聚光式与固定式发电量记录表

按以上相同方法，可得2016年夏至前后21天检测的平均值为：

(88.56-73.60)/(41.94-35.25)=2.236倍

其中，6月14日曾遭遇一次雷雨大风与蚕豆大的冰雹袭击，聚光光伏系统的并网发电与跟踪精度都未受到影响。

将冬至与夏至前后的平均值再平均，得到：

(1.961+2.236)/2=2.099倍

同时，包头市产品质量计量检测所在2016年5月11日做出的检测结果为：聚光式比固定式光伏组件的日发电量提高2.14倍。该值与冬至夏至前后的平均值2.099倍，都略高于Z=2.072倍这个理论值，故在后续计算中，以理论值2.072作为全年平均值更合适。

2.3增大聚光倍数对增益的影响

经过几年的思考和实验，发现如果聚光倍数增大为2.2可能带来3个方面的不利因素：

1) 反射镜长将增加至1.7 m，整机运转空间与占地面积都将增大约10%，且反射镜的边角废料增多，不经济。

2) 2.2倍聚光引起的温升，在热带沙漠中光伏组件的最高温度可能会接近110 ℃，逼近太阳电池p-n结允许的最高温度120 ℃。而2.1倍聚光时最高组件温度约为100 ℃，对太阳电池的寿命影响较小。样机在阳光下并网发电已3年多，光伏组件无任何损坏，输出电功率与年发电量的衰减在1.1%之内，与不聚光的固定光伏组件差异不大。

3) 2.2倍的聚光会使年平均温升略有提高，Z4减少；对温度非常敏感的太阳电池Io明显增大，Voc减小；此外受串联电阻的影响，促使填充因子明显下降，致使η降低，增益Z3可能小于1，总增益Z不一定超过聚光2.1倍时的总增益。

综上所述，选择聚光2.1倍是常规太阳电池理论与实践得到的最为理想的结果。而确保总增益大于2的核心技术是精确而廉价的二维同步跟踪与组件获得的反射均匀聚光以及自然风冷，“均匀”对填充因子是关键。这能使现有的及之后效率越来越高的常规光伏组件，在不安装散热装置且保证25年寿命的前提下，获得年发电量提高2倍的优势，从而达到大幅降低光伏电力成本的目的。

3　非对称聚光跟踪光伏系统的产业化成本

以当前市售的大型多晶硅光伏组件320 Wp(组件效率为16.5%)2块为基础制成的非对称聚光跟踪光伏系统为例，其单台年发电量应与峰功率为1326 Wp的固定式光伏系统相同。

根据2015年对国内企业调查的结果，单晶硅、多晶硅组件的平均成本约为3元/Wp。以倾纬度角固定安装时的支架与接插件平均按0.46元/Wp，人工平地、水泥固定、安装按0.9元/ Wp计算。

图3　运行中的非对称聚光跟踪光伏系统

以1万台进行产业化批量计算：反射镜为380元/台，跟踪装置为920元/台，机架为760元/台，安装人工费665元/台，则：

单台非对称聚光跟踪光伏系统的生产与安装成本为320×2×3+380+920+760+665=4645元；

年发电量相同的固定光伏系统的对应成本为：1326×(3+0.46+0.9)=5781元。

由此可知，聚光光伏系统比固定光伏系统的成本下降了19.7%。

4　非对称聚光跟踪光伏系统的长远优势

随着晶体硅电池与薄膜电池光电转换效率的逐年提高与成本的进一步降低，再讨论非对称聚光跟踪光伏系统是否还具有成本优势。

1)当HIT光伏组件的效率提高到24.5%、成本降到2.9元/Wp时，聚光系统中使用的320 Wp组件(效率为16.5%)变为475.15 Wp；单台聚光光伏系统在体积不变的情况下，相应功率就会从1326 Wp变为1969 Wp，则：

单台聚光系统成本为475.15×2×2.9+2725=5481元；相同发电量的固定光伏系统成本为1969×(2.9+0.46+0.9)=8388元。

两者相比，聚光光伏系统成本下降了34.7%。

聚光光伏系统成本从19.7%降为34.7%，说明聚光光伏系统的降本优势大幅提升。

2)以成本最低的多晶硅组件为例。若干年后假设多晶硅组件的光电转换效率从目前的16.5%提高到22%，成本从3元/Wp降至2元/Wp，配套的固定支架、接插线与人工平地、水泥固定、安装的成本从1.36元/Wp降至1.26元/Wp，这时比较两种系统。

多晶硅组件在尺寸不变的情况下，功率变为427 Wp，则：

单台聚光光伏系统总功率变为427×2×2.072=1769 Wp；固定系统成本变为1769×(2.0+1.26)=5767元；聚光系统成本变为427×2×2+2725=4433元。

两者相比，聚光式比固定式成本降低了23.1%。

综上所述，当多晶硅组件的成本降至2元/ Wp时，由于光电转换率从16.5%提高到22%，使对应的聚光光伏系统的成本还会比固定式再降23.1%，比当前的19.7%降的更多。因为非对称聚光跟踪光伏系统就是一台“光伏组件功率倍增器”，它本身的聚光跟踪成本没有发生变化，而随着组件效率的提高，它能翻倍扩大优势，更大幅度地降低光伏系统成本，这种优势将会长远存在。

5　关于占地问题

需要特别强调的是，聚光跟踪光伏系统在阳光下不会形成固定的阴影，无需像固定式光伏系统那样大面积征地；在山坡、屋顶、戈壁滩和草原、农田与鱼塘上处处可以架设，非常

方便。一台聚光跟踪光伏系统就是一个独立的并网发电系统，多台沿公路铁路两旁架设就能形成中大型聚光光伏并网电站，完全可与农牧渔林业和谐规划，互相促进、共同发展。

6　结论

非对称聚光跟踪光伏系统可以更充分、更有效的将阳光变成电能，将成为新一代光伏产品之一而被人们所接受。其中的核心技术为：我们用30多年的艰辛探索，终于解决了可靠、廉价而免维护二维精确自动跟踪太阳这一难题；而可靠的跟踪才使得简单的聚光器大幅提高光伏组件发电量成为可能，且这种提高会随着组件效率的提高而相得益彰。

［1］张海燕. 基于平面镜反射的聚光光伏系统及研究［D］. 安徽：合肥工业大学, 2012.

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［3］李杰吾, 邹敏, 李湘, 等. 非对称聚光跟踪光伏系统［P］. 中国∶ CN101478266, 2009-07-08.

［4］王斯成. 高收益要靠技术创新，好质量有赖精细设计［J］. 太阳能, 2015, (6)∶ 6－11, 20.

［5］(日)高桥清(著)； 田小平(译). 太阳光发电［M］. 北京∶ 新时代出版社, 1987.

2016-03-02

李杰吾(1941—)，男，教授，主要从事聚光光伏方面的研究。ljw2015569@sina.com