光伏電力降本的造夢者——解析李傑吾教授「非對稱聚光跟蹤光伏...

2021-01-08 索比光伏網

今年的兩會期間,「能源革命」的話題格外火熱,不少代表委員積極發聲:「以創新機制推動光伏產業長效發展」、「加大政策支持力度,助推分布式光伏快速發展」、「建議國家專項扶持光伏建築一體化」……李克強總理在作2015年政府工作報告中指出,「能源生產和消費革命,關乎發展與民生。要大力發展風電、光伏發電、生物質能。」有媒體分析,「全國兩會釋放強烈改革信號——能源革命要動真格的!」

就目前來看,光伏發電產業領域不斷傳來利好消息,這其中最引人注目的當屬隨著光伏新政的實施國家給予的電價補貼和財政支持。而這背後,是「降本增效」大課題下遭遇到的重重障礙與瓶頸。有光伏發電從業者表示了現狀的無奈——「光伏發電降本技術已突破至臨界點」、「打破成本的魔障難上加難」、「光伏發電『投必虧損』的定勢究竟如何才能改變。」

擺在眼前的似乎是一道複雜而難解的方程。但在中國能源學會常務理事、包頭市傑華太陽能研究所所長

李傑吾

教授看來,關鍵是技術的變革和觀念的解放。前者是需要真正過硬、經得起「實戰」檢驗的技術產品,後者是需要真正去推動實施的政策通道及行業中人。

李傑吾教授及其科研團隊,遵循「簡明鑄就經典」的宗旨,發明了一種「非對稱聚光跟蹤光伏系統」。該系統經過幾年來的實際運行與併網發電對比實測,證明了可使現有的固定式晶體矽光伏組件的年發電能力提高一倍,產業化成本再降低20%,為實現光伏電價平價上網、逐步取消政府能源補貼的目標,提供了可行的新技術層面的支撐之一。

愛因斯坦的「複雜源於簡單」成為指路明燈

眾所周知,太陽能是全球共享的取之不盡的巨大能源,關鍵是用何種高新技術才能最有效的利用它,提高光電轉換效率。

人類進入21世紀以來,幾乎世界各國的一切有識之士都逐漸認識到一個真理:要想維護地球這個綠色家園,推動人類沿著一條可持續發展的道路前行,太陽能的充分應用尤其是

光伏的

應用,已經成為各國政府和人民作為重大的戰略產業來考慮的問題了。

李傑吾教授指出,經過科技界半個世紀的努力,當前在美國和歐洲一些國家,因其市電電價高於1.5元/度電,光伏電價已略低於市電電價了,而在中國,因市電電價一般在0.5元/度電左右,而光伏約為0.8元/度電上下,必須獲得政府的電價補貼才能大量推廣,故進一步降低光伏成本仍然是關鍵的關鍵。

早在1979年美國亞特蘭大召開的世界太陽能大會上,就有人提出採用聚光跟蹤高新技術來大幅度降低光伏系統成本。為此,美國建造了多座高倍聚光光伏電站,近年來,中國也同樣建了幾座,遺憾的是,這些高倍聚光光伏電站卻沒能降低光伏成本 ,反而比固定式光伏電站成本高兩三倍。

李傑吾教授對「非對稱聚光跟蹤光伏系統」的發明,在基礎理論研究方面,遵循物理學與愛因斯坦的「複雜源於簡單」的自然唯物主義。首先是二維主動同步對日跟蹤理論的突破。提出了一個地球上的代表點的新概念,這個「點」所在地點的二維精確跟蹤的實現可以推廣到地球上億億萬萬個地點,而這個代表點的《日軸》跟蹤是一個標準的勻速圓周運動,季軸跟蹤是一個簡單的三角函數規律(以前專家學者認為季軸跟蹤的理論極為複雜,只能用光電傳感來解決,而光電傳感受多種氣候條件影響,存在較多不確定因素,使人們對跟蹤不放心)。

李傑吾教授依照日地運行的精細自然規律,建立一套二維同步自動跟蹤理論及其數學方程,使之在地球上的任何地點,都可以避免一般氣候條件的影響,免維護而如向日葵一樣數年如一日的精確主動跟蹤太陽,並為聚光的實施打下可靠基礎。

對聚光理論的逐步深入研究,李傑吾教授經歷了漫長的歲月。他1982年-87年完成了菲涅爾條紋式五倍聚光玻璃透鏡的研究與生產;1992-96年完成了《雙面正交條紋透鏡的理論分析》,為製造中高倍聚光而照度均勻的透鏡,奠定了理論基礎,文章發表在1996年「太陽能學報」後,迅速被美國學術團體翻譯成英文,在全世界廣泛介紹。

2007年後,為減少聚光中散射陽光的損失並提高抗風能力,提出了非對稱均勻聚光理論及其光學設計公式。「關於何種聚光系統更有利於降低光伏成本的研究」,苦苦求索,終有所獲。

四項核心技術為降本增效「破冰」

李傑吾教授的「非對稱聚光跟蹤光伏系統」獲得國家發明專利(專利號:200910002758.8),包含四項核心技術。

一是獨特的二維對日自動跟蹤技術。李傑吾教授表示,與世界各國以電子技術為主的所有二維跟蹤技術不同,我們找到了最簡潔的二維對日精確跟蹤理論,發明成功只需要一個電機,一個簡單的電子控制器,一套機械裝置就能使聚光光伏組件隨時精確正對太陽的二維同步跟蹤系統。

二是非對稱二倍聚光技術。據了解,對光伏組件進行二倍聚光,有三項優勢:一是以各大光伏企業都在生產的大型光伏組件為聚光對象,既保證了組件的質量過硬與低成本優勢,又可進一步提高其發電能力而降低系統成本;二是二倍聚光下組件的溫升很少,可不加散熱器而保證組件仍有25年的工作壽命;三是二倍聚光使用的聚光鏡就是市場上到處都有的平面

鏡,質好價廉使用壽命很長。聚光鏡的成本只是光伏組件的六分之一,而增加的發電量卻是光伏組件的一半多。

後來,李傑吾教授進一步將對稱聚光改進為非對稱聚光,又增添了三項功能:一是增大了對正面風的分流,使整機抗風能力增強,在十級大風下,整機自動跟蹤仍可繼續進行,而機架不必過分粗笨;二是整機所佔空間比對稱聚光時要小,相對節省土地面積;三是可獲得較多的散射陽光。

三是電機轉動角的精密控制技術。已有的步進電機當然可以對電機的轉動角進行精密控制,但成本較高,而且自耗電量過多。李傑吾教授發明的微電機步進式控制系統耗電量只有其十分之一,成本約為三分之一。

四是可調式固定支架技術。為確保在地球上任何地點架設起來都能實現準確的聚光跟蹤,我們研製成了傾角可調的立柱式固定支架,確保一個有初級文化的成人在架設一臺新的聚光光伏系統時,根據說明書的安裝步驟只要定好這個傾角,就可安裝成功,順利進行長期穩定的聚光跟蹤發電狀態,十分便捷。

產業化成本 一筆「明白帳」

李傑吾教授表示,以當前市售的大型光伏組件300Wp兩件為基礎製成的非對稱聚光跟蹤光伏系統為例,其單臺年發電量應與峰功率為300Wp*2*2.03=1218Wp的固定式光伏系統相同。根據2014年對國內企業調查的結果,單臺非對稱聚光跟蹤光伏系統的批量生產成本為4440元。而年發電量相同的固定光伏系統的成本為5542元。相比之下,聚光光伏系統比固定光伏系統的成本下降率為 20%。當生產規模小於100臺時,單臺成本可能高不少。

那麼,隨著晶矽光伏與薄膜光伏的光電轉換效率的逐年提高與成本進一步降低,非對稱聚光跟蹤光伏系統還會有成本優勢嗎?答案是:不但有,而且會更增大其優勢。當世界各種先進光伏電池組件的光電轉換效率越來越高時,這種非對稱聚光跟蹤光伏系統會如同光電倍增器一樣,使先進光伏組件,包括薄膜光伏組件的太陽發電優勢進一步加倍擴大,使聚光光伏系統比固定式光伏系統的降本優勢大到30%,成為最早達到 0.5元/度電電價的光伏系統,不是夢。」李傑吾語氣堅實地說。

李傑吾教授算了一筆帳,按目前政府的優惠政策,一個企業只需投資一千萬元,貸款建聚光光伏併網電站,發電二十年可獲得約3.2億的回報,現金折現後的回報也為自有資金的六倍多。而國家可得稅收10725萬元,利息1800萬元,被供電的企業可獲得20年以上的廉價環保綠色電力,並且城市減少大量二氧化碳與霧霾,淨化了大氣環境,利國利民利環境。

上述聚光光伏電站的經濟分析,是在目前有政府補貼的情況下做到的。而大規模推廣的目的是爭取不用政府補貼也能與火電相比,並有競爭優勢。

不久前,國家能源局公開表示,「十三五」期間,要大幅提高可再生能源比重。到2020年光伏發電裝機要達到1億千瓦以上,光伏電價與電網銷售電價相當。

李傑吾教授認為,國家的規劃告訴人們,要不了多少年,不要政府補貼,光伏發電也可以理直氣壯的進入世界常規能源的大舞臺,並逐漸成為能源主體。

李傑吾教授指出,我們的新發明擁有完全獨立自主的智慧財產權,真誠邀請有遠見的國內外金融、財團和企業家一起合作開發。形成一個新型的國際光伏產業,促進全球環保與可持續發展的偉大事業。

為光伏電力降本造夢,李傑吾教授全力以赴,無怨無悔,守望明天。

[人物小傳]

李傑吾,湖南新化人,烈士之子,1958年新化一中高15班畢業,1962年從湖南師範大學物理系畢業,分配到內蒙支持邊疆,1979年以優秀論文「液體薄膜的力學規律與微分幾何」考取清華大學物理系研究生。1982年開始聚光跟蹤光伏研究。內蒙古科技大學物理學教授,包頭傑華太陽能研究所所長,中國能源學會常務理事。1996年發表「雙面正交條紋透鏡理論分析」,1996——99年將「聚光跟蹤太陽發電機」技術轉讓給軍工與西藏華冠、擁有「室內太陽灶」等多項專利與技術,解決了二維主動同步跟蹤的理論及其核心技術創造,最新發明專利是「非對稱聚光跟蹤光伏系統」。

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