吸热塔上安装聚光光伏电池 或可实现10%的额外电力输出

 日前，隶属于美国能源部的桑迪亚国家实验室表示已找到利用塔式光热电站吸热塔区域内散布且未被利用的的太阳辐射通量的最佳方案。

据桑迪亚科学家Cliff Ho介绍，在塔式光热电站中，可在吸热塔（包含吸热器）的隔热防护层以及塔身上覆盖光伏面板以收集利用多余的太阳辐射通量，以此生产更多额外的电力。Cliff发现，在吸热塔上覆盖光伏面板初步估计可产生约10MW的电力，相当于一个装机100MW塔式光热电站的10%。如果这一设想变为现实，则光热电站自身的厂用电问题或可得到有效解决。

以Ivanpah塔式光热电站为例，其水工质塔且无储热的设计意味着电站必须多加利用白天的日照，通过定日镜将更多的太阳辐射聚集至吸热塔。据估计，在Ivanpah光热电站设有的三个吸热塔中，每个吸热塔上有1000平方米的隔热防护层区域（如图中吸热器上下方的白色区域）可供覆盖光伏面板。


这种通过光伏产生的额外电量可供电厂自身使用，也就是俗称的“厂用电”，供主要耗电设备包括泵类以及与定日跟踪类相关的用电设备所用。光热电站的用电率一般最高可达到15%（我国首批光热发电示范项目在申报时，厂用电率一般控制在10%左右）。

Cliff表示，在定日镜不直接聚焦于吸热器时可采用该方案利用多余的太阳辐射通量。由于定日镜镜面磨损、失配以及跟踪误差的存在，即使是对准吸热器的定日镜也会不可避免地出现误差。在电站待机状态，将定日镜聚焦于吸热塔的防护层位置来利用光伏发电，因该位置靠近吸热器，可在需要发电时迅速调整角度，将太阳辐射聚集至吸热器。

“事实上，每平方米的吸热器溢出（由聚光器反射或透射但没有到达吸热器吸热面的能量）大约为10-100千瓦。”Cliff补充道，“桑迪亚国家实验室开展此项研究的目的就在使用光伏组件将吸热器溢出浪费的能量转化为可利用的电能。”

在当前的商业化塔式光热发电项目中，可覆盖光伏组件的面主要是由高温耐火材料组成的隔热层，这一隔热层普遍用于保护吸热器以及其他基础设施组件，一般在吸热器上下都有。而Cliff的想法正是在这一隔热层或者吸热塔上其他可用表面安装光伏组件。

光热电站高温工况对光伏组件的选择

然而，该方案也面临一个关键的技术挑战。在高温以及高太阳辐射通量条件下，传统硅电池的效率将大打折扣。聚光型太阳辐射导致接触点温度极高，这对聚光型光热发电而言是必备条件，然而对于太阳能光伏组件而言则造成了极大的挑战。

“电池效率与温度以及太阳辐射存在一定的函数关系，一定条件下，温度与电池效率成反比。对光伏晶体硅电池而言，太阳辐射超过100 suns时（sun表示入射在垂直于太阳的单位面积上的能量，一个sun大约1000瓦特/平方米），电池基本失效。”Cliff解释道，“因此，我们还对比了三结太阳能电池与硅电池的效用，结果表明，在一定太阳辐射下三结电池的效用比硅电池更高。”因此，更为适宜的选择是采用聚光光伏电池。

对LCOE评估研究后得出的最佳方案

此外，桑迪亚科学家小组还进一步分析了该方案的平准化电力成本（LCOE），以明确覆盖光伏组件的额外创收是否高于额外的成本，从而评估其经济性。

上文提到的三结电池为SolAero CTJ电池，可应用于1500suns聚光太阳能辐射条件，效率可达39%（约在400suns条件下）。三结电池的价格远高于硅基光伏电池，但辅以强制冷却后，进一步提高了原有的高效率，从而有效降低LCOE。


对此，基于槽式和塔式不同技术路线，有无冷却系统等多种结构，桑迪亚与美国其他国家实验室共同合作，对两组不同类型光伏组件的LCOE进行了深度评估。

在塔式光热电站中，利用传统光伏硅电池与三结电池的结合，可以较低的LCOE获得可观的发电量增长。配备的光伏组件可额外增加10%的电厂装机容量，在装机100MW的塔式光热电站中，以低于5美分/kWh的LCOE增加10MW以上的电力。

然而，这一想法基于槽式光热电站的研究则不尽如人意。在集热管端部的保护套管上覆盖三结电池确实可以大幅度提高发电量（生产电力约可增加光热装机的15%），但LCOE过高（约为15美分/kWh）。相比之下，若是采用成本相对较低的硅电池，虽LCOE仅5美分/kWh，但因此增加的发电量却不可与前者相提并论。

经研究，桑迪亚团队发现了一套LCOE最低的方案：在太阳辐射能量较低的位置（约10-50千瓦/平方米）使用成本较低的光伏硅电池；在太阳辐射能量较高的地区采用多结电池+冷却装置的方式。

Cliff表示，辅以强制式冷却系统后，在中央吸热器上安装光伏组件的成本可降低至1美分/kWh至2美分/kWh。