笔者在最近经常被问到的一个问题:高倍聚光CPV 技术的成本是多少?这个问题还有其他几个提法:现在成本是多少?在将来规模化生产以后是多少?多长时间可以达到平价上网的水平?
CPV技术早在1976年已经出现,砷化镓芯片及随后出现的多结太阳能芯片也已经取代硅材料,被广泛应用于空间领域。其主要思想是采用相对廉价的光学系统和追日系统来收集阳光,同时在高倍率聚光条件下,使用极少量的半导体材料以达到降低成本的目的。所以,无论是哪一种光伏技术,不管是提高光电转换效率也好,采用薄膜技术也好(薄膜即意味着减少半导体材料的用量),都是追求在系统水平上降低成本,以达到廉价的提供电力的目的,最终可以替代传统的能源形式。光伏产业的圣杯是“平价上网”,也就是达到跟传统能源一样的发电成本。
对于高倍聚光从业者而言,模组和系统的技术成熟度是一个长期困扰的问题,成本更是一个挥之不去的恶梦。二者相互纠结在一起:一方面,技术不成熟难以进行规模化生产;另一方面,不规模化生产又难以降低成本。眼看晶硅、薄膜、光热发电等太阳能技术成本不断在下降,市场规模一天天在扩大,CPV技术真的会在春天到来之前就被冻死了吗?
美国政府能源部在2009年发表的白皮书,提出光伏技术的安装成本在2017年达到$1/W的目标,这个1美元包含了光伏组件、光伏逆变器及BOS(即低压电器等辅助系统和安装的统称)。这个目标看起来有些不可思议,因为现在的多晶硅组件价格大约为11-12元/瓦,电站安装成本也在每瓦18元-20元之间,合 $3/W。意味着再过5、6年,在目前的水平上,每瓦成本还要再降低2美元才可达到$1/W的目标。但是从另一个角度看,2004年这个数值是$8/W,比起7年前,现在已经下降了$5/W,这说明在光伏行业里降低成本的能力不是一般的不可思议。本文试图探讨CPV系统的市场价格是否可以达到$1/W。
高倍聚光CPV技术所采用的多结太阳能芯片是利用生产砷化镓芯片一样的设备,即MOCVD机台来生长的,这个技术称为金属有机物化学气相沉积(MOCVD),目前国内蓬勃发展的LED行业中的III-V族芯片材料的生长也是采用这个技术。所以,要探讨CPV技术的成本,至少在芯片这个层面上,LED 行业是个最理想的参照系。
依照MOCVD设备厂商VEECO的数据,去年LED芯片的成本为$1/cm2,VEECO公司预计在2014年,这个数值会降低到$0.2/cm2。目前CPV行业使用的芯片尺寸一般为5.5×5.5 mm2。也就是一个接收器中所用的外延片的成本为$0.30。如果再加上芯片工艺和接收器封装,可以把这个数值乘以3,也就是一个接收器的成本约为$0.90(非常宽松量化的结果)。而一个接收器功率约为5W(500倍以上聚光条件下),这样我们得到一个接收器的成本,折算成每瓦成本就是不到$0.2/W,或者人民币1.20 元/瓦左右。按接收器占系统成本的比例,这个数值一般在10%-30%之间(取决于不同的系统设计),我们取较小的数值10%,那么相应的系统成本就是12元/瓦。反过来计算,假定CPV系统成本30元/瓦,接收器成本按中间值20%比例,就是6元/瓦(这个价格就是目前接收器的市场价),在CPV产品规模化量产(300MW-500MW)的条件下,如果除掉接收器的其他部件成本平均下降60%,接收器取刚才的数值1.2元/瓦,那么CPV系统成本也应在 (30-6)×0.4+1.2=10.8(元/瓦),这两个数值都非常接近目前晶硅的价格11元/瓦。
注意到CPV系统比固定安装的晶硅系统发电能力超过30%(标准日照条件),以及土地面积和相应BOS的节省,这样CPV 系统相比晶硅系统就有了比较不错的性价比。
以上的分析仅限于芯片方面的考量,完全没有提到聚光系统和追日系统等部件。但是一些CPV业内人士指出,基本上以上的判断跟他们基于学习曲线的认知没有太大的出入。成本的下降对于CPV而言,除了很大一部分是取决于芯片成本的下降和芯片光电转换效率的提高外,系统集成能力也占相当重要的部分。比如,聚光倍率的提升不仅带来芯片用量的减少,也使得芯片尺寸的减小而伴随的透镜光学孔径的变小,影响到CPV组件设计的变化,从而使得整体材料的节省和重量的减轻,带动总体成本的下降。光学设计的进步,将使得系统接受角度变大,这将影响跟踪器的精度要求降低,也会降低跟踪器的成本。适用于CPV系统的高性能且廉价的光学材料的出现,也将进一步压低系统的成本。
如果CPV外延片到2014年如期达到$0.2/cm2的成本,即使接收器价格仅下降一半,即0.6元/瓦,同时假定接收器在系统中的比例还保持在10%,那么CPV 系统的成本也还应该下降到6元/瓦左右。这里没有把CPV芯片效率的提高对整个电站收益的影响考虑进去。在晶硅系统中,每1%硅片效率的提高,对整个系统成本影响7%。这两年,CPV多结太阳能电池的效率每年提升2% 左右。去年的实验室最好水平是41.6%(德国Fraunhofer实验室),今年才到4月份,美国 solar junction公司就宣称达到43.5%。高倍聚光CPV技术距离“半个太阳”(即芯片转换效率50%)的目标已经为期不远了。
综合上面的分析,笔者认为,再过 2-3 年的努力,CPV系统的价格将在$1/W 左右,或者不到7元/瓦,发电成本(LCOE)更会下降到1元/度以内。届时,高倍聚光CPV技术有望成为大型荒漠并网光伏电站的主要技术路线之一。