摘要：
致力于向传统电力部门引入新技术的光伏产业经常会遭遇这样的尴尬境遇——向没有购买意愿的客户推销产品。 新太阳能电站(仅能间歇性地输出电力)的前期资本成本要比，想象中的要少。为帮助大规模电网进行集成，光伏技术的发展需要向传统电力来源的形式靠拢。除了低成本外，其他要考虑的成本还包括较高的产能因素和在日照期间内更好地与需求相匹配的能力。为了朝向满足这些要求再迈进 一步，聚光光伏(CPV)电厂目前正以兆瓦级的速度与电网进行集成。通过使用塑胶、硅料和玻璃灯光学设备来替代半导体进行光收集工艺后，CPV技术从根本上打破了材料成本的平衡状态。
目前，全球最具效率的太阳能电池已经得到了广泛的应用，并且在全球各阳光充沛的地方，对太阳进行追踪的经济可行性也得到了改善。随着交流系统的效率超过25%，使得CPV可在全年的时间内实现较高的产量，从 而满足公共设施顾客对产能的高要求。由于半导体零件在总成本中所占的比例很小，因此制造资本成本相较于其他光伏技术来说要低许多，这就为该技术的快速扩容和实地应用提供了可能。本文将对CPV技术的先进性进行介绍，并着眼于其实地性能和短期内的应用前景。
简介：
高昂的前期资本成本使得仅能间歇性地实现能源产出 的新太阳能电厂在替代化石燃料发电厂领域内丧失了自己的吸引力。具有与传统能源相类似的投资特性的光伏技术
将可加速大规模的电网集成。因此，每瓦成本的降低将是一个必要条件，尽管并不是一个充分条件。光伏电站也需 能够实现较高的产量，并具有至少在日照时间比目前更能 满足用电需求的能力。这就涉及到了系统对追踪器的使用 需求在地平线上追踪太阳的益处在早期时候就已被理解，然而在光伏产业发展中，较高的前期成本、运营维护费用和仅注重能源价格的市场使得跟踪系统的商业化举步维艰。
随着光伏市场的逐步成熟，产业关注的重点也随之从额定峰值功率转向了能源产量，而这也在欧洲、日本、美 国部分地区、中国和其他个市场所颁布的上网电价补贴政 策中得到了体现。由于光伏电站的净现金流逐步增加，向 安装跟踪器的系统转型的速度也随之提高。装有跟踪器的光伏系统中组件所产出的效率通常较高，从而抵消了较高 的安装维护成本。而在使用跟踪器的系统中高聚光光伏技 术可谓首屈一指 (详见图一(b))。
超过100×的高密度运转的CPV需要有精密的双轴追踪 系统。这种追踪系统可实现多年的稳定运行，但是其高昂的前期成本直至2006年前都是令人望而却步的;而在2006 年，III-V多结式产品的效率达到了40%。在十几年前的航空应用中崭露头角之后，III-V多结式产品继而又在正处于发展阶 段的CPV领域内的高效硅电池内展现身手。对III-V多结式产品 的使用使得交流系统的效率提高了30%以上(相对数字);双轴跟踪系统可在整个日照期间内保持这一较高的效率数值。这 一组合可将获得必要的益处——高于双轴跟踪系统成本的产电力需求 单轴倾斜(直射/漫射) 双轴(仅直射) 水平单轴(直射/漫射) 固定倾角(直射/漫射) 水平固定(直射/漫射)电力需求 单轴倾斜(直射/漫射) 双轴(仅直射) 水平单轴(直射/漫射) 固定倾角(直射/漫射) 水平固定(直射/漫射)III-V多结电池：600x时 可达$3-$5/cm2种较高的容量要求。由于半导体只是元件成本中的一小部分，因此，生产制造的资本成本即被降低，从而实现了该领域的快速增产和实地应用。
“CPV的一个附加益处就是其电池电 压随光照强度的增长而呈指数型增长，这就是为什么电池效率可随聚光程度的增长而增长的原因”电池效率[%]槽式(湿法，无储能) 塔式(干法，无储能) 多晶，固定倾角固定倾角 单晶，单轴Gas CC (based on MPR) 高聚光光伏(镜式)。能量，以及较高的III-V多结电池成本。
经济效益
在传统光伏领域内，大型的半导体材料板同时起到了光收集和能量转换的作用。而CPV的基本前提即是不使用半 导体来进行光收集，而是用低成本材料来进行这一工作。 使用塑料、硅料或光学玻璃来取代半导体的使用可将光的收集过程与能量转换过程分隔开来，从而从根本上改变了 光伏系统的成本分布。目前，全球效率最高的太阳能电池 已经可以投产使用，而精密的跟踪系统也在全球各阳光充 沛的地区具有了较大的经济效益。CPV的一个附加益处就 是其电池电压随光照强度的增长而呈指数型增长，这就是 为什么电池效率可随聚光程度的增长而增长的原因。
凭借目前逾25%的交流系统效率，其所组成的CPV电站能够在全 年各时间段内实现较高的产能，并满足电力客户所需的各在量产规模下[1]对平板和双轴跟踪系统进行成本假设时，使用了 效率在40%及以上的电池的CPV系统预计可将其前期系统成 本降至与使用了单晶硅电池的平板系统成本相似的水平。 效率在CPV系统中所起到的巨大作用同时也为创新发展留出了很大的空间——其在性能和耐久性方面所取得的改善在其他仅能自给自足的低效率CPV系统中可能会更为昂贵。这些优势可为CPV电站的扩张提供动力。一旦CPV的发展规模 达到了其他技术的水准，即可成为平准化能源成本最低的技术(见图三)。
CPV的系统经济模式可维持最高水平的效率，因此能源的低成本可通过III-V多结太阳能电池来实现。CPV电厂 的核心组成部分——电池——目前已具有最大程度地利用 通过聚光形式传输至电池内部的能源的能力。可实现商业运营的电池目前已经在标准测试环境下(25℃, 1000W/m2,AM1.5 spectrum)实现了40%的效率。III-V多结产品的温度系数相较于其他半导体产品(如碲化铬和硅)来说，其负面影 响较小，并且该系数也会随着聚光程度增加而出现衰减现象[3]。在与适当的光学设计相结合后，聚光程度在500x以 上的被动冷却组件的直流效率可达到30%以上(见图四(a))，同时，多个CPV公司也展示了超过25%的交流系统效率。
等级划分
用于对电池、组件和系统效率等领域内进行等级划分 的各种不同方法鱼龙混杂。电池的标准测试条件(STC)为25℃、每平米1000W，而同样的条件并不适用于组件测试。由于CPV的光学特质需要户外(即阳光下)测试，因此， 通常会在组件和系统的运行环境内对其进行测试，而这种 环 境 的 温 度 通 常 被 默 认 为 2 0 ℃ ， 并 且 电 池 密 度 为 每 平 米850W(PVUSA标准)或900W(IEC 62670标准，草稿)。但是 许多安装商却习惯于将光伏组件置于其等级(以STC为标准)下 的实地环境进行测试，而CPV系统的性能在这些直接正常日照辐射(DNI)较高的地方更为优越。标准测试环境与实地运行 环境之间的差异将导致对CPV电池和CPV系统的效率等级划 分出现7%的相对效率(3%的绝对效率)差异。其他的效率丢失是由于能源传输、光学零件的反射损耗，以及电池串不匹配和逆变器损耗而造成的。而现实环境中，各相关环境变量的变化也会导致额外的损耗。为了将高电池效率转换为较高的系统年均产能量，必须平衡电池温度、日照辐射强度、日照均衡性和光照频谱变化等变量之间的关系。为STC下的效率 峰值而设计的电池很难在聚光光学零件损坏、高温并长时间 (整天或整年)的条件下优化至最大产能。
产能预测与结果
为实现在实地条件下对CPV系统进行优化，产业制定出 了 可 预 测 的 产 能 模 型 ， 而 这 一 模 型 已 在 预 测 每 日 功 率 峰值和现有系统累计产能量两方面获得成功应用。 由国家美国国家可再生能源实验室(NREL)建立的Typical Meteorological Year 3(典型气象年度，TMY3)数据库 通常会被用来作为大气和环境条件(包括空气浑浊度、降水 量、环境温度、现场压力等)的资料来源，而这些因素均对 III-V多结产品的运转有着一定的影响。这些输入数据通常通过使用SMARTS辐射传输模型来生成不同的光谱。在将III-V多结电池的光谱响应与光学零件所导致的耗损相结合后，即可得出每个组成电池所分配得的电流。 对于强度变化、电压及其他填充因子温度，和不同配置误 差损耗等所带来的影响进行进一步调整可实现对TMY3数据 库中任意地点的CPV系统的产能进行全面、精确至小时的预 测。尽管这一模型本质上是一款预测模型，但基于清洁机制的污染校正仍是进行日常能源峰值预期的必要因素。对 于累计能源产出来说，污染率的平均值就足以满足其预测需要，进而使得整个模型具有可预测性。
这一模型已在现有设备上进行应用。首个使用III-V多结产品的Amonix发电设备位于美国的拉斯维加斯，并已于2009年一月起开始运转。显示出该模型在预测这一发电装置时的效用。尽管天气和季节变化无常，但是功率峰 值的涨落却与预期值相差无几。在拉斯维加斯，这类发电 设备通常在其38kWac-PTC等级下运行。在逾三年的运行时间内，即使用寿命保障的12%，对于累计产能的预测误差在1%之内。因此，任何降解作用均小于可测得的最小范围。
