與常規(guī)光伏電站一樣,高倍聚光電站也是25年的質(zhì)保,所以電站必須非常可靠。
一個(gè)名為“高倍聚光模組和裝配-設(shè)計(jì)規(guī)格和定型”的標(biāo)準(zhǔn)(IEC62108)已經(jīng)在2007年頒布實(shí)施,作為進(jìn)入市場(chǎng)的強(qiáng)制性要求。今天,已經(jīng)有許多公司根據(jù)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)了產(chǎn)品檢驗(yàn)。同時(shí),附加的UL和IEC標(biāo)準(zhǔn)(涵蓋功率和能量標(biāo)定、模組安全、跟蹤器、光學(xué)、芯片裝配等等)已經(jīng)頒發(fā)或正在制定之中。
展望:關(guān)于系統(tǒng)成本和平準(zhǔn)化電力成本
聚光系統(tǒng)的市場(chǎng)價(jià)格和成本信息很難取得。
這是由于市場(chǎng)比較小,活躍的公司并不多。這樣,學(xué)習(xí)曲線并不是那么可靠,系統(tǒng)成本和平準(zhǔn)化電力成本(LCOE或度電成本)的分析也具有很大的不確定性,除非市場(chǎng)上已經(jīng)有了足夠多的并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目安裝量。
2013年,F(xiàn)raunhofer發(fā)表了一個(gè)可再生能源的平準(zhǔn)化電力成本的深入研究。其中也包括了對(duì)高倍聚光的分析,根據(jù)的是基于公開(kāi)發(fā)表的數(shù)據(jù)所作的假設(shè)。
加拿大的渥太華大學(xué)的一個(gè)小組也作過(guò)類(lèi)似的報(bào)告。根據(jù)行業(yè)調(diào)查和文獻(xiàn),聚光光伏的價(jià)格(含安裝),大多在1400歐元/千瓦和2200歐元/千瓦之間,根據(jù)不同的設(shè)計(jì)概念和新的地區(qū)差異而不同。
而根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析,我們計(jì)算得到聚光電站的平準(zhǔn)化電力成本,則為0.1歐元/度~0.15歐元/度(DNI輻射度2000kWh/m2/a的地區(qū)),0.08歐元/度~0.12歐元/度(DNI輻射度2500kWh/m2/a的地區(qū))。
對(duì)于聚光光伏,未來(lái)市場(chǎng)發(fā)展有很大的不確定性,技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)成本的下降的可能性也是存在的。分析表明,未來(lái)度電成本下降的潛力將繼續(xù)鼓勵(lì)技術(shù)的發(fā)展。如果保持聚光光伏電站的安裝,到2030年,聚光光伏將達(dá)到0.045歐元/度~0.075歐元/度,系統(tǒng)價(jià)格(含安裝)將達(dá)到700歐元/千瓦~1100歐元/千瓦。
從圖1可以看到,在一些日照比較好的地區(qū),高倍聚光的成本已經(jīng)和平板晶硅的成本可以比擬,或者更低。
展望:研發(fā)和技術(shù)
高光電轉(zhuǎn)換效率是促使高倍聚光度電成本具有競(jìng)爭(zhēng)力的最大因素。因而,絕大多數(shù)的研發(fā)努力都放在如何提高效率,無(wú)論是在芯片、模組還是在系統(tǒng)水平上。
圖2顯示了自2000年以來(lái)芯片、模組和系統(tǒng)效率的提升,強(qiáng)調(diào)了研發(fā)努力的進(jìn)展。這些趨勢(shì)線是來(lái)自歐洲研發(fā)平臺(tái)的預(yù)期,這預(yù)計(jì)了聚光技術(shù)效率提升的巨大潛力。
效率問(wèn)題:III-V族多結(jié)電池是聚光技術(shù)度電成本下降的主要推手。
從2002年以來(lái),每年的效率提升在0.9%以上。Sharp公司和Fraunhofer實(shí)驗(yàn)室達(dá)到了今天的冠軍效率,分別為三結(jié)電池44.4%和四結(jié)電池46.0%,46.5%的效率也已經(jīng)出現(xiàn),但還未得到權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)的證實(shí)。
商業(yè)化產(chǎn)品的效率與實(shí)驗(yàn)室效率相當(dāng)接近,說(shuō)明高倍聚光技術(shù)的商業(yè)化轉(zhuǎn)化非常迅速。根據(jù)一些公司的產(chǎn)品數(shù)據(jù)規(guī)格書(shū),現(xiàn)在商業(yè)化聚光芯片的效率在38%~42%。
與其他光伏技術(shù)相比,聚光技術(shù)的高效率可以這樣來(lái)解釋。
首先,聚光芯片是元素周期表的III族和V族元素的化合物晶體制作,由不同的半導(dǎo)體材料按禁帶寬度由低到高順序堆砌而成的。這樣做不僅是減少了光子吸收過(guò)程中的熱損失,因不同能量的光子對(duì)應(yīng)不同半導(dǎo)體帶寬的材料吸收,更重要的是,跟單結(jié)結(jié)構(gòu)相比,在透射損失減少的同時(shí),光子吸收范圍也大大增加。
同時(shí),III-V族材料是直接帶半導(dǎo)體,光子吸收效率很高,可以把材料做得非常薄。對(duì)比硅材料,硅是間接半導(dǎo)體材料,吸收光子的能力比較低,硅片通常要作的比較厚。
具體來(lái)說(shuō),廣泛使用的III-V族聚光芯片結(jié)構(gòu),是晶格匹配的GaInP/InGaAs/Ge,這種材料不僅地面聚光光伏使用,在太空上也已經(jīng)是成熟的應(yīng)用了。這種器件是利用產(chǎn)出效率很高的氣相外延生長(zhǎng)設(shè)備(MOCVD)生產(chǎn)的,這種結(jié)構(gòu)中的材料是跟Ge晶格匹配的,因此這種結(jié)構(gòu)的材料晶體質(zhì)量非常高,2009年其光電效率達(dá)到了41.6%(AM1.5d,364倍聚光比)。采用不同組分的III-V半導(dǎo)體材料提供了非常大的材料設(shè)計(jì)靈活性,具體的材料設(shè)計(jì)討論超過(guò)了本報(bào)告的范圍。另請(qǐng)注意,低倍聚光光伏仍然采用單晶硅材料,而本報(bào)告主要討論高倍聚光的技術(shù)路徑。
原材料供應(yīng)問(wèn)題:聚光芯片是采用了多種不同的元素,Ga(鎵)、In(銦)和Ge(鍺),在全球供應(yīng)上是有限的。
鎵和銦來(lái)自采礦副產(chǎn)品的還原,2013年的產(chǎn)量分別是280噸和770噸。2011年鍺的產(chǎn)量約為118噸。這是原始產(chǎn)品的產(chǎn)量,不包含回收和重復(fù)利用。
假定鍺襯底片的厚度為200微米,則理論使用量是0.1g/cm2,考慮30%的產(chǎn)出(鋸割、切片、破裂等損失),則實(shí)際使用量是0.4g/cm2,取決于各公司如何控制鋸割損失。只有少數(shù)公司能夠回收利用鋸割損失的鍺廢料,其他材料的損失比例則非常小。
這樣,在假定30%模組效率和1000倍聚光比的條件下,1GW的高倍聚光所需要的Ge重量大約為4噸,不考慮回收的話最大不超過(guò)12噸。現(xiàn)在的材料供應(yīng)是不存在問(wèn)題的,隨著效率提高和聚光比增加,材料用量還會(huì)減少。
在太陽(yáng)能應(yīng)用以外,Ge也廣泛應(yīng)用于電子、紅外光學(xué)、光纖光學(xué)、聚酯催化劑等發(fā)展最快的應(yīng)用需求。因此,未來(lái)鍺的供應(yīng)量還需要繼續(xù)增加,如果聚光太陽(yáng)能的應(yīng)用能達(dá)到較大規(guī)模的話。全球已知鍺的儲(chǔ)量約有35600噸,其中24600噸來(lái)自煤,剩余的來(lái)自鉛/鋅生產(chǎn)。作為一種副產(chǎn)品,看不出來(lái)有任何限制鍺產(chǎn)量的因素。
不過(guò),不清楚的是,鍺的價(jià)格是否需要提高以刺激產(chǎn)量?;蛘撸鳛楦碑a(chǎn)品的鍺價(jià)格是否變化,而其變化又如何才不至于影響聚光光伏的經(jīng)濟(jì)性。
對(duì)于鎵和銦來(lái)說(shuō),聚光芯片生產(chǎn)所需要的量非常之少,即便是每年GW級(jí)的聚光光伏產(chǎn)能下,也不需要供應(yīng)鏈增加供給。
另外,如果不采用鍺襯底片,而是使用GaAs襯底片,Ga的用量會(huì)顯著增加。假定600微米的GaAs片,Ga用量不到0.2g/cm2(沒(méi)有考慮損耗),考慮30%產(chǎn)出并且不回收GaAs片,用量最高也不到0.5g/cm2。在有效回收,30%模組效率和1000倍聚光比條件下,每GW聚光光伏需要5.5噸Ga。
不考慮回收的情況下,最多也不超過(guò)17噸。在最壞情況下,以產(chǎn)能1GW/年計(jì),聚光光伏的Ga用量,也只占了全球年供應(yīng)量的6%。
如果聚光光伏的芯片在低倍聚光下使用,或者完全不采用聚光,則Ge、Ga、In的原材料供應(yīng)問(wèn)題將變得非常具有挑戰(zhàn)性。也就是說(shuō),采用高倍聚光技術(shù)可以大大減少半導(dǎo)體材料的使用量。以1000倍聚光比為例,在相同功率下,相當(dāng)于僅僅使用了千分之一的芯片用量,而轉(zhuǎn)換效率還更高——聚光芯片在高倍聚光條件下,其光電轉(zhuǎn)換效率比非聚光條件下的轉(zhuǎn)換效率還要高8%左右。
>>編譯后記
這是根據(jù)去年年底德國(guó)Fraunhofer實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室共同就高倍聚光光伏技術(shù)的最新進(jìn)展發(fā)表的一個(gè)報(bào)告編譯而成的。最近幾年,在全世界晶硅(多晶硅和單晶硅)大規(guī)模擴(kuò)充產(chǎn)能和技術(shù)工藝進(jìn)步導(dǎo)致平板晶硅太陽(yáng)能系統(tǒng)成本和價(jià)格急劇下降的大背景下,聚光光伏(地面高倍聚光)在太陽(yáng)能發(fā)電市場(chǎng)上的推廣應(yīng)用被迅速抑制,一系列的破產(chǎn)倒閉和重組事件,也給這個(gè)光伏細(xì)分行業(yè)蒙上了重重陰影。
不過(guò),可喜的是,作為一種研發(fā)歷史悠久并有著多年現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的發(fā)電項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),以及在太空上成熟應(yīng)用的技術(shù),高倍聚光以其技術(shù)和性能的優(yōu)越性并沒(méi)有完全被放棄,一些公司和研究機(jī)構(gòu)在聚光芯片效率上每年都取得新進(jìn)展,模組和系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)制定或正在制定之中,大型聚光發(fā)電項(xiàng)目安裝還在繼續(xù),不斷在提供和累積現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),為這個(gè)行業(yè)帶來(lái)希望的亮光。
中國(guó)在聚光光伏產(chǎn)業(yè)中,不僅能夠商業(yè)化生產(chǎn)聚光芯片,在模組和系統(tǒng)上也積累了大量的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),包括芯片的材料設(shè)計(jì)和商業(yè)化生產(chǎn)、接收器組裝、光學(xué)部件、跟蹤器等,已經(jīng)形成了完整的聚光光伏產(chǎn)業(yè)鏈,且發(fā)電項(xiàng)目裝機(jī)量在國(guó)際上也名列前茅。
從制造環(huán)節(jié)上看,聚光光伏的全產(chǎn)業(yè)鏈無(wú)污染和低能耗,聚光光伏系統(tǒng)的能源回報(bào)期只有6個(gè)月,是嚴(yán)格意義上的清潔能源。
從技術(shù)角度看,高倍聚光只在陽(yáng)光充沛地區(qū)具有較強(qiáng)的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。輸出電力曲線平緩,比較適合大規(guī)模發(fā)電側(cè)并網(wǎng)發(fā)電,在光伏發(fā)電的終端市場(chǎng)上應(yīng)占有一席之地。也就是說(shuō),根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用情景,不同的光伏發(fā)電技術(shù)各有其優(yōu)勢(shì)的細(xì)分市場(chǎng)。
從積極的角度和發(fā)展的眼光來(lái)看,中國(guó)如支持發(fā)展聚光光伏,可以增強(qiáng)我國(guó)在先進(jìn)半導(dǎo)體芯片技術(shù)方面的研發(fā)實(shí)力。而發(fā)展高端光學(xué)材料,提高光學(xué)設(shè)計(jì)水平,加強(qiáng)精密光學(xué)加工能力,符合國(guó)家從低端制造到高端智造的制造業(yè)轉(zhuǎn)型趨勢(shì)。發(fā)展大型聚光光伏發(fā)電,跟其他可再生能源一起,對(duì)中國(guó)的環(huán)境治理和碳排放控制也具有積極意義。