太阳能聚光光伏(CPV)聚光光热(CSP)介绍

一、CPV概述

聚光光伏(CPV)太阳能是指利用透镜或反射镜等光学元件，将大面积的阳光汇聚到一个极小的面积上，再将汇聚后的太阳光通过高转化效率的光伏电池直接转化为电能。光伏发电在经历了第一代晶硅电池和第二代薄膜电池之后，目前第三代CPV发电方式正逐渐成为太阳能领域的投资重点，并且CPV模式相对于前两代具有诸多的优势：

（1）节省昂贵的半导体材料：CPV是通过提高聚光倍数的方式，减少光伏电池的使用量，而透光镜及反光镜等光学元件的成本远远低于减少的光伏电池成本。

（2）提升光电转换效率：CPV系统采用砷化镓电池并依靠太阳追踪系统实现了更高的光电转换效率，较前两代光伏系统明显缩短能量回收期。

（3）极高的规模化潜力：CPV系统因其光电转换效率高、占地面积小等特点，是建造大型电源电站的最理想的太阳能发电技术，通过简单复制的规模化部署，单一CPV电厂可较容易的达到MW级规模。

（4）成本下降空间巨大：硅电池和薄膜电池已实现产业化生产，规模化效应已得到充分体现，并且其技术较为成熟，未来成本下降的空间已经有限。而CPV系统的成本下降仍然较大，大批量生产的规模效应，以及聚光系统、电池、冷却系统等效率的进一步提高是成本下降的两大途径。

二、CPV太阳能系统的结构

尽管各大厂商所生产的CPV系统的模式不尽相同，但各类CPV系统的组件主要是由四大部分组成，即聚光系统，光伏电池、太阳追踪系统、冷却系统。

1、聚光系统

聚光系统是整个CPV系统的最重要的组成部分，它通常由主聚光器和二次聚光器组成，聚光系统的聚光精度很大程度上决定了整个CPV系统的性能高低。根据聚光方式的不同，聚光系统可分为透射式聚光系统和反射式聚光系统。

（1）透射式聚光系统

透射式聚光系统一般采用菲涅耳透镜聚焦的方式，与普通凸透镜相比，菲涅尔透镜只保留了有效折射面，可节省近80%的材料。目前用于制作菲涅耳透镜的最常用材料是PMMA(俗称“亚克力”或“有机玻璃”)，与玻璃透镜相比，它的优点是重量轻、易加工成型、成本低，而且对自然环境适应性能强，即使长时间在日光照射、风吹雨淋也不会使其性能发生改变。

（2）反射式聚光系统

反射式聚光系统主要是采用回转二次反射曲面聚焦方式，聚焦后的光线经过二次匀光处理照射在高效太阳能电池芯片上实现光电转换。由于反射式聚光系统不存在色散现象，因此其反射效率可接近100%，但反射式聚光系统对反射面的清洁度要求较高，如受到污染，反射效率会大大下降，因此通常在组件的表面还要覆盖一层高透光玻璃以便于清洁；

另外，在反射式聚光系统中还有安装于电池表面的二次聚光器，其作用在于提高对入射光角度与聚光器轴线偏离角度的容忍度。追踪系统的精度和风的作用，都会引起太阳光入射角度得偏差，而轻微的偏差会显著影响光伏电池的转换效率，因此二次聚光器在HCPV系统中是一项必须的组件。

目前，作为反射曲面镜的材料主要是铝材经过精密钣金加工之后镀上反射膜形成。但考虑到PMMA材料透射率高、耐候性优、容易压铸规模化生产和机械加工方便、质量轻、成本低等诸多优点，PMMA材料替代铝材和高透光玻璃作为反射曲面镜和保护平板具有较好的可行性，而且同样可应用于二次聚光器。

2、光伏电池

在CPV太阳能系统中，由于采用了聚焦模式，因此对光伏电池的转换效率和耐高温性能有较高的要求。目前，CPV系统的光伏电池主要采用了III-V族化合物半导体材料中的砷化镓(GaAs)电池，同硅太阳能电池相比，砷化镓电池具有更好的性能：一是光电转换效率高，目前硅太阳能电池的理论转换效率大概为23%，薄膜电池的转换效率约为10%，而单结的砷化镓电池的理论转换效率可达到27%，并且通过叠层技术，多结砷化镓太阳能电池的理论转换效率可超过50%，目前波音公司的光谱实验室中的三结电池在364倍聚光倍率下的光电转换效率已经达到41.6%；二是耐高温性能好，砷化镓电池的耐高温性能要好于硅电池，砷化镓

电池在250℃的条件下仍可以正常工作，但硅电池在200℃的时候就已无法正常运行。三是覆盖更宽光谱范围，由III-V族化合物制成的三结光伏电池能够转换300-1800纳米光谱范围内的太阳光，因而能够达到更高的光电转换效率，而硅太阳能电池的基本只能转换500-1100纳米光谱范围内的太阳光。

3、太阳追踪系统

CPV太阳能系统要求太阳光相对于聚光系统垂直入射，否则整套系统的光电转换效率会急剧下降，而且聚光倍数越高的CPV太阳能系统对入射角度的精度要求也越高，因此太阳追踪系统的功能就是追踪太阳的运行轨迹，确保聚光光斑落在砷化镓电池上。太阳追踪系统通常是一套双轴系统，可实现上下、左右调节角度，其结构主要是由金属支架和控制驱动机组成，目前追踪系统的精度已经达到±0.1度，加上二次聚光器的作用，完全能满足垂直入射的角度要求。

4、冷却系统

由于CPV聚光倍数可达数百上千，电池表面会产生很高的温度，而且电池光电转换过程也会产生热量，尽管砷化镓电池的耐高温性能好，但长时间的高温会降低发电效率而且会使电池老化缩短电池寿命，因此必须使用冷却系统来降温。冷却系统一般采用散热片、水冷、空冷等方式。

5、逆变器

若CPV太阳能系统并网发电，则需配备逆变器，以实现光电转换后的直流电转变为交流电。

三、CPV太阳能系统的成本构成

以德国Concentrix公司的500倍聚光20MW产能的透射式太阳能系统为例，通常200枚菲尼尔透镜及砷化镓电池构成一个模组，该模组的输出功率为75Wp，其成本大约为198美元（平均为2.64美元/Wp），若以10年使用寿命、每年250天实际有效发电，每天实际发电时间8小时计，则上网电价的成本约为0.14美元/Kwh，具体的建设成本构成为：

另外，CPV太阳能电池的成本将因规模效应及系统转换效率的提高而显著下降，当生产规模从20MW提升到200MW时，其每Wp的生产成本将从目前的2.64美元下降到1.33美元，其砷化镓电池的转换效率将从目前的39%提高到42%，CPV 系统的整体效率将从目前的25%，提高到29%-36%

四、CPV行业的市场规模

截止2010年全球CPV的市场规模大约为500MW，据PV杂志预测，2020、2030、2040年全球的市场容量将分别达到5GW、15GW、35GW。若2011-2020年CPV系统成本按2.64美元/Wp计，光学元件系统整体成本的7.6%，则未来10年全球CPV 太阳能系统的投资额将达到118.8亿美元，光学元件的市场容量则将为9.03亿美元。按照中国30%的产能占比，则未来10年中国CPV行业的总投资额为35.64亿美元，光学元件的投资额则为2.71亿美元。

五、CPV行业内的主要企业

目前，全球范围内CPV太阳能电站的建设尚处于起步阶段，市场容量尚未有效扩大，并且由于包括砷化镓电池在内的各组件的技术门槛较高，因此国外市场的集中度较高，而且国外企业主要采用掌控砷化镓电池的设计、生产环节，其他组件则采用OEM的方式。目前市场份额主要由美国的Amonix、Emcore、SolFocus、西班牙的Isofoton、德国的Concentrix、以色列的Zenith等公司掌握，其中美国Emcore公司已分别在国内廊坊和厦门总共安装了三套单台25kw、采用菲涅耳透镜、聚光500倍的CPV系统，并已在河北廊坊设立了CPV电池模块封装厂。

国内CPV市场同样处于培育阶段，虽然已有部分企业在聚光系统、太阳追踪系统、散热系统上具有一定的技术优势，但目前国内仍未掌握砷化镓电池的核心技术，而且国内企业基本处于示范项目的建设阶段，尚未真正实现产业化，国内CPV产业链的各环节皆未实现自主生产或配套生产。

其中，2010年三安光电在青海格尔木建造了3MW的CPV太阳能示范项目，其中1MW并网发电项目使用500倍聚光透镜、双轴追日系统，平均转化效率为25%，但其组件全部为进口，仅在国内实现拼装。

新曜光电主要自主研发发电模块、光学系统、跟踪系统的研发，据称新曜光电的发电效率、聚光倍数、系统控制已经处于国际领先，目前尚未产业化生产。

2011年1月上海聚恒在哈工大威海校区建立200Kw的高倍聚光太阳能示范电站并网发电，该系统的光电转换效率达到了25%，目前上海聚恒除了电池技术外，其他设备的技术都已掌握。

在聚光系统方面，目前国内具有聚光系统加工能力的企业主要采用铝材的精密加工方式，其中以上市公司东山精密为代表，该公司主要为美国Solfocus公司的CPV系统提供钣金加工。另由于CPV市场刚起步，以及聚光系统主要采用的PMMA材质较为普通，加工成光学元件的技术门槛较低，因此目前国内尚不存在具有显著竞争优势的企业，未来光学聚光系统厂商的发展将主要依赖于整个CPV 市场规模的扩大。

一、CSP概述

聚光光热(CSP)的发电原理是利用汇聚的太阳光加热液体或气体介质，然后把这部分介质传导的热量转换为机械能，再从机械能转换为电能。同传统的发电模式相比，CSP具有一定的优势：

（1）规模化能力高：以目前的技术水平，单座槽式或塔式CSP电站的经济装机容量在100MW-250MW，这一规模已经相当于一台中型火电机组的输出功率，随着技术的进步，未来单座CSP的装机规模将会继续增加。

（2）成本下降空间大：以目前应用最广的抛物面槽式CSP电站为例，目前项目的建设成本在4.2美元-8.4美元/Wp之间，发电成本在0.16美元-0.25美元/KWh之间，预计未来技术相对成熟的槽式系统的建设成本还有望下降30%-40%，而火电成本则由于能源价格的提高以及资源税等因素而提高，从而使得CSP电力价格逐步具有竞争优势。

二、CSP系统的分类

根据技术路线的不同，CSP发电可分为抛物面槽式、集热塔式、线性菲涅耳式、抛物面碟式四种：

1、抛物面槽式

抛物面槽式是目前技术最成熟、应用最广泛的技术，系统主要有三大部分组成：由数百行抛物面槽式反射镜构成的太阳能集热场、一套传统的蒸汽涡轮发电装置、储热罐。其工作原理是通过反射槽及单轴太阳追踪系统将太阳光汇聚到热吸收管，并将管内的合成油或融盐等介质加热到一定温度，高温介质又被输送到一个热交换器，通过热交换器产生蒸汽来驱动传统的涡轮发电机，储热罐的作用则是储存部分太阳能，在适当的时候发电以平缓用电的峰谷。

2、集热塔式

集热塔式CSP电站的聚光系统是由数以千计带有双轴太阳追踪系统的定日镜和一座中央集热塔构成。其工作原理同抛物面槽式相同，其中定日镜的面积从1.2平米至120平米不等，聚光倍数则可以达到数百倍至上千倍，目前反射镜主要由铝制薄板制成，但考虑到PMMA材料耐候性优、容易压铸规模化生产和机械

加工方便、质量轻、成本低等诸多优点，PMMA材料替代铝材作为反射曲面镜具有较好的可行性。另外，为了将阳光准确汇聚到集热塔顶的接收器上，需要对每一块定日镜的双轴跟踪系统进行单独控制，因而技术难度较抛物面槽式大。

3、线性菲涅尔式

线性菲涅尔式CSP电站采用靠近地面放置的多个带单轴太阳跟踪的线性菲涅尔反射镜，将太阳光反射到上方的聚光器，再由其汇聚到一根长管状的热吸收管，并将其中的水加热到270℃产生的蒸汽直接驱动后端的涡轮发电机。由于此类CSP系统的聚光倍数较低，导致整个系统的发电率同样较低。

4、抛物面碟式

抛物面碟式CSP系统是由一组直径10米左右的抛物面聚光器和安装在其焦点上的斯特林发动机及发电机构成，整个单元安装在带有双轴太阳追踪系统的支柱上，其工作原理是高倍汇聚的太阳光将斯特林发动机中的气体加热到750℃，通过气体的膨胀推动引擎活塞，带动发电机发电。

三、CSP系统的成本构成

以技术相对成熟的抛物面槽式CSP电站为例，目前其建设成本在4.2美元-8.4美元/Wp之间，成本的差异主要由项目所在地的直射阳光资源、劳动力和土地成本、储热系统和集热场的规模等因素决定，若系统成本为5.61美元/Wp，并考虑运营成本0.69美元/Wp，使用寿命10年，每年300天实际有效发电，每天实际发电时间18小时计，则上网电价的成本为0.12美元/Wp，具体的建设成本构成为：

另外，当抛物面槽式CSP电站的规模从50MW提高到100MW时，其建设成本将下降12%，提高到200MW时，则能有建设成本20%的下降，而且随着电站规模的增加，其他组件的效率也将有一定的提高，从而使得CSP系统的建设成本有进一步的下降。

四、CSP行业的市场规模

截止2010年，全球已投入运营的CSP电站的装机容量约为900MW，据Green Peace组织预计，2020、2030、2040年全球的装机容量将分别达到68.6GW、231GW、479GW，若2011-2020年CSP系统的成本按照4.48美元/Wp计，则未来10年全球CSP系统的投资额将达到3033亿美元，光学反射镜的投资额将达到758亿美元。若按照中国30%的产能占比，则未来10年中国在CSP行业的投资额为909.9亿美元，光学反射镜的投资额为227.4亿美元。

五、CSP行业内的主要企业

截止2010年，目前全球在建的CSP电站的装机容量约为12.5GW，主要分布在西班牙和美国，因此世界主要的CSP企业集中在西班牙和美国，尤以西班牙的Abengoa Solar公司和美国的Brightsource Energy公司最为著名，其中Abengoa Solar公司在美国建设的一项目采用集热塔式，装机容量已达到400MW，建设成本仅为3.4美元/Wp，预计将于2012年实现并网发电。

由于中国光照条件的限制，目前中国在建的CSP电站容量仅为1MW，还未形成产业化发展。但CSP电站使用的组件材料国内基本可以大规模生产，不存在瓶颈制约。其中，高温储热材料主要是硝酸熔融盐、合成油、高温混凝土，除430℃以上的合成油之外，中国都可以大规模生产；耐候性强的反射镜、定日镜可采用铝材或PMMA镀膜的方式，国内同样具有大规模量产的能力；在抛物面槽式系统中，国内已能生产300℃的真空管，并正在研发450℃的真空管。

而且根据国家发改委发布实施的《可再生能源中长期发展规划》，到2020年中国的太阳能热发电的总装机容量仅达到200MW，约占全球的0.3%，因此中国