筆者在最近經(jīng)常被問到的一個(gè)問題:高倍聚光CPV 技術(shù)的成本是多少?這個(gè)問題還有其他幾個(gè)提法:現(xiàn)在成本是多少?在將來規(guī)模化生產(chǎn)以后是多少?多長時(shí)間可以達(dá)到平價(jià)上網(wǎng)的水平?
CPV技術(shù)早在1976年已經(jīng)出現(xiàn),砷化鎵芯片及隨后出現(xiàn)的多結(jié)太陽能芯片也已經(jīng)取代硅材料,被廣泛應(yīng)用于空間領(lǐng)域。其主要思想是采用相對(duì)廉價(jià)的光學(xué)系統(tǒng)和追日系統(tǒng)來收集陽光,同時(shí)在高倍率聚光條件下,使用極少量的半導(dǎo)體材料以達(dá)到降低成本的目的。所以,無論是哪一種光伏技術(shù),不管是提高光電轉(zhuǎn)換效率也好,采用薄膜技術(shù)也好(薄膜即意味著減少半導(dǎo)體材料的用量),都是追求在系統(tǒng)水平上降低成本,以達(dá)到廉價(jià)的提供電力的目的,最終可以替代傳統(tǒng)的能源形式。光伏產(chǎn)業(yè)的圣杯是“平價(jià)上網(wǎng)”,也就是達(dá)到跟傳統(tǒng)能源一樣的發(fā)電成本。
對(duì)于高倍聚光從業(yè)者而言,模組和系統(tǒng)的技術(shù)成熟度是一個(gè)長期困擾的問題,成本更是一個(gè)揮之不去的惡夢(mèng)。二者相互糾結(jié)在一起:一方面,技術(shù)不成熟難以進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn);另一方面,不規(guī);a(chǎn)又難以降低成本。眼看晶硅、薄膜、光熱發(fā)電等太陽能技術(shù)成本不斷在下降,市場規(guī)模一天天在擴(kuò)大,CPV技術(shù)真的會(huì)在春天到來之前就被凍死了嗎?
美國政府能源部在2009年發(fā)表的白皮書,提出光伏技術(shù)的安裝成本在2017年達(dá)到$1/W的目標(biāo),這個(gè)1美元包含了光伏組件、光伏逆變器及BOS(即低壓電器等輔助系統(tǒng)和安裝的統(tǒng)稱)。這個(gè)目標(biāo)看起來有些不可思議,因?yàn)楝F(xiàn)在的多晶硅組件價(jià)格大約為11-12元/瓦,電站安裝成本也在每瓦18元-20元之間,合 $3/W。意味著再過5、6年,在目前的水平上,每瓦成本還要再降低2美元才可達(dá)到$1/W的目標(biāo)。但是從另一個(gè)角度看,2004年這個(gè)數(shù)值是$8/W,比起7年前,現(xiàn)在已經(jīng)下降了$5/W,這說明在光伏行業(yè)里降低成本的能力不是一般的不可思議。本文試圖探討CPV系統(tǒng)的市場價(jià)格是否可以達(dá)到$1/W。
高倍聚光CPV技術(shù)所采用的多結(jié)太陽能芯片是利用生產(chǎn)砷化鎵芯片一樣的設(shè)備,即MOCVD機(jī)臺(tái)來生長的,這個(gè)技術(shù)稱為金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD),目前國內(nèi)蓬勃發(fā)展的LED行業(yè)中的III-V族芯片材料的生長也是采用這個(gè)技術(shù)。所以,要探討CPV技術(shù)的成本,至少在芯片這個(gè)層面上,LED 行業(yè)是個(gè)最理想的參照系。
依照MOCVD設(shè)備廠商VEECO的數(shù)據(jù),去年LED芯片的成本為$1/cm2,VEECO公司預(yù)計(jì)在2014年,這個(gè)數(shù)值會(huì)降低到$0.2/cm2。目前CPV行業(yè)使用的芯片尺寸一般為5.5×5.5 mm2。也就是一個(gè)接收器中所用的外延片的成本為$0.30。如果再加上芯片工藝和接收器封裝,可以把這個(gè)數(shù)值乘以3,也就是一個(gè)接收器的成本約為$0.90(非常寬松量化的結(jié)果)。而一個(gè)接收器功率約為5W(500倍以上聚光條件下),這樣我們得到一個(gè)接收器的成本,折算成每瓦成本就是不到$0.2/W,或者人民幣1.20 元/瓦左右。按接收器占系統(tǒng)成本的比例,這個(gè)數(shù)值一般在10%-30%之間(取決于不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)),我們?nèi)≥^小的數(shù)值10%,那么相應(yīng)的系統(tǒng)成本就是12元/瓦。反過來計(jì)算,假定CPV系統(tǒng)成本30元/瓦,接收器成本按中間值20%比例,就是6元/瓦(這個(gè)價(jià)格就是目前接收器的市場價(jià)),在CPV產(chǎn)品規(guī);慨a(chǎn)(300MW-500MW)的條件下,如果除掉接收器的其他部件成本平均下降60%,接收器取剛才的數(shù)值1.2元/瓦,那么CPV系統(tǒng)成本也應(yīng)在 (30-6)×0.4+1.2=10.8(元/瓦),這兩個(gè)數(shù)值都非常接近目前晶硅的價(jià)格11元/瓦。
注意到CPV系統(tǒng)比固定安裝的晶硅系統(tǒng)發(fā)電能力超過30%(標(biāo)準(zhǔn)日照條件),以及土地面積和相應(yīng)BOS的節(jié)省,這樣CPV 系統(tǒng)相比晶硅系統(tǒng)就有了比較不錯(cuò)的性價(jià)比。
以上的分析僅限于芯片方面的考量,完全沒有提到聚光系統(tǒng)和追日系統(tǒng)等部件。但是一些CPV業(yè)內(nèi)人士指出,基本上以上的判斷跟他們基于學(xué)習(xí)曲線的認(rèn)知沒有太大的出入。成本的下降對(duì)于CPV而言,除了很大一部分是取決于芯片成本的下降和芯片光電轉(zhuǎn)換效率的提高外,系統(tǒng)集成能力也占相當(dāng)重要的部分。比如,聚光倍率的提升不僅帶來芯片用量的減少,也使得芯片尺寸的減小而伴隨的透鏡光學(xué)孔徑的變小,影響到CPV組件設(shè)計(jì)的變化,從而使得整體材料的節(jié)省和重量的減輕,帶動(dòng)總體成本的下降。光學(xué)設(shè)計(jì)的進(jìn)步,將使得系統(tǒng)接受角度變大,這將影響跟蹤器的精度要求降低,也會(huì)降低跟蹤器的成本。適用于CPV系統(tǒng)的高性能且廉價(jià)的光學(xué)材料的出現(xiàn),也將進(jìn)一步壓低系統(tǒng)的成本。
如果CPV外延片到2014年如期達(dá)到$0.2/cm2的成本,即使接收器價(jià)格僅下降一半,即0.6元/瓦,同時(shí)假定接收器在系統(tǒng)中的比例還保持在10%,那么CPV 系統(tǒng)的成本也還應(yīng)該下降到6元/瓦左右。這里沒有把CPV芯片效率的提高對(duì)整個(gè)電站收益的影響考慮進(jìn)去。在晶硅系統(tǒng)中,每1%硅片效率的提高,對(duì)整個(gè)系統(tǒng)成本影響7%。這兩年,CPV多結(jié)太陽能電池的效率每年提升2% 左右。去年的實(shí)驗(yàn)室最好水平是41.6%(德國Fraunhofer實(shí)驗(yàn)室),今年才到4月份,美國 solar junction公司就宣稱達(dá)到43.5%。高倍聚光CPV技術(shù)距離“半個(gè)太陽”(即芯片轉(zhuǎn)換效率50%)的目標(biāo)已經(jīng)為期不遠(yuǎn)了。
綜合上面的分析,筆者認(rèn)為,再過 2-3 年的努力,CPV系統(tǒng)的價(jià)格將在$1/W 左右,或者不到7元/瓦,發(fā)電成本(LCOE)更會(huì)下降到1元/度以內(nèi)。屆時(shí),高倍聚光CPV技術(shù)有望成為大型荒漠并網(wǎng)光伏電站的主要技術(shù)路線之一。