目前太阳能光伏发电技术的核心问题就是如何降低发电成本，使之可以和传统能源相竞争。降低光伏电池发电成本的方法有三种：第一种方法是发展薄膜电池，目前已经取得了很大的进展，使每峰瓦电池的成本降到了1美元以下（如美国First Solar公司），但在技术、设备的国产化方面还有大量的工作要做。第二种方法是降低多晶硅和单晶硅的生产成本，近年来也取得了很大进步。第三种方法是利用聚光跟踪技术，减少光伏电池的使用量，从而降低光伏的发电成本。如果能够找到合适的聚光跟踪技术，这种方法无疑是直接而有效的，可以在短期内大幅度降低光伏技术的发电成本，本文主要是介绍一种可以满足上述要求的太阳能聚光跟踪技术。
已有的聚光跟踪技术都是依靠转动
聚光镜跟踪太阳光，成本高、不耐用
现在应用于太阳能光伏发电领域内的聚光跟踪技术可以分为两类：一类是高倍聚光跟踪技术，如菲涅尔透镜技术，或蝶式聚光技术，通常使用砷化镓多结电池。另一类是低倍聚光跟踪技术，如陈应天教授的光漏斗技术，或转动式线形菲涅尔反射聚光镜技术。这些技术的一个共同特点就是都是通过转动聚光镜来跟踪太阳的，如果我们需要利用一千瓦的电力输出，就需要转动一个五至十平方米的聚光镜，而且跟踪精度一般要求小于1度。由于这类装置都要在室外运行，要承受风雨的侵蚀，所以至少必须能够抵御八级以上的大风。在风中聚光镜上所承受的作用力是很大的，通过杠杆作用原理这种作用力将在支撑点或支撑轴上放大几十倍，具有相当大的破坏作用，要想使整个系统稳定运行数年，其机械支撑转动部分必须十分坚固。因此这样一套有使用价值的机械跟踪装置通常是相当昂贵的，需要一、两万元。再加上其他的配套系统，整个系统的造价通常十分高昂。另外，随着使用时间的延长，这类装置不可避免地出现机械老化和风雨侵蚀、生锈等现象，系统的故障率将会直线上升，维修和保养工作将会消耗大量的人力物力，对生产者和使用者来讲都是难以承受的。所以目前这些装置在降低光伏发电成本上效果并不显著。为了能够大幅度降低聚光光伏技术的发电成本，我们发明了一种新的聚光跟踪方法-----固定镜多焦线联动式太阳能聚光跟踪技术，它不需转动反射聚光镜，而是将聚光镜固定在地上保持不动。
固定镜多焦线联动式太阳能均匀聚光跟踪技术
这种技术方案中所用的聚光镜是线性菲涅耳反射聚光镜，这种反射聚光镜是由许多条细长的平面反射镜组成，每一条平面反射镜的中心都处在同一条抛物线上，并且和这条抛物线相切。
这种技术方案的装置图如图1所示，以北半球为例，将数排相同规格的线形菲涅尓
图1，固定镜多焦线联动式太阳能均匀聚光跟踪技术原理示意图
反射聚光镜面向南方以相同倾角固定在地面上，并一年四季保持不动。倾角的大小应该约等于当地的纬度角，这样一年四季都可以得到较好的聚光效果。前后两排反射聚光镜的距离，以前排反射聚光镜不影响后排反射聚光镜聚光为宜。将相同排数的光伏电池以相同的间隔固定成一个整体框架（即图1中的水平框架）上，与地面平行地放置在倾斜导轨上，由一套传动装置带动沿倾斜导轨上下移动，用以跟踪线形菲涅尓反射聚光镜所形成的光斑，并使光伏电池始终处于光斑的能量最强处。该方案只需要跟踪太阳纬度方向上的变化，而不需要跟踪太阳经度方向的变化，这是因为线形菲涅耳反射聚光镜是东西方向放置的，其长度远远大于其焦距，聚光时，这种反射聚光镜所形成的光斑是长条形的，其长度等于反射聚光镜的长度，其宽度约为整个菲涅耳反射聚光镜宽度的10%左右（具体值由聚光倍数决定）。当太阳的经度角发生变化时，光斑在东西方向上的移动通常可以忽略。当然，为了充分利用光电池的发电能力，可以使线形菲涅耳反射聚光镜的长度比每一排光电池的长度稍长一些，这样在太阳经度角发生变化的时候，每一排光电池两端所接收到的光强可以保持不变。
这种聚光方案的最低聚光倍数（冬至或夏至时）可以在五倍至二十倍之间按需要调整，其它时间的聚光倍数比冬至或夏至时略高。并且光斑的均匀性可以控制在
以内，所以这项技术可以很方便地应用于光电领域，能够充分发挥目前普通太阳能单晶硅或多晶硅电池的发电潜力，（目前的普通硅电池在低倍聚光的条件下，电池的发电量与其所接收到的太阳光的能量成正比。）
因为可以用廉价的反光镜代替昂贵的硅电池，所以这一技术可以将目前太阳能的光伏发电成本降低一半，每瓦的制造成本约为5~6元。如果要求8年收回成本，每度电约为0.7元，与工业用电的价格相仿。为了更充分地利用反射聚光镜所收集到的太阳能，同时使光伏电池处于较好的工作温度，这种方案可以用水冷的办法来冷却硅电池，同时产生五十度左右的热水。如果这些热水用于冬季采暖，那么每度电的发电成本可以进一步降到0.35元左右，已经低于脱硫煤电机组的上网标杆电价。
这项技术的优势
从上面原理介绍部分可以看出这种聚光光伏发电技术和传统的聚光光伏发电技术相比具有以下优势：
第一，该技术将庞大而笨重的反射聚光镜固定在地面上保持不动，所以不会为风雨所损坏。而跟踪移动部件不仅重量轻、体积小，而且结构简单、牢固，安装方便，能够抵御十级以上的大风和数十年的风雨侵蚀。
第二，该技术仅用一套跟踪控制装置就完成了对数排或数十排反射聚光镜的同时跟踪，将数百、或数千平方米的太阳光聚集到光伏电池上，从而数十倍地降低了聚光跟踪成本，使聚光跟踪技术的经济合理性得以实现。
第三，该技术用一个坚固框架的整体平移（平移距离小于聚光镜焦距的二倍）代替了数百个反射聚光镜的转动。将运动部件由几百个减少到几个，这样系统出现故障的可能性也相应地减少到原来的约百分之一，从而极大地提高了整个系统的运行稳定性，所以此类装置可以长期稳定运行。
第四，这项技术使用的是线性菲涅耳反射聚光镜，生产这种反射聚光镜所需的支架可以用铸造、冲压等机械方法批量生产，然后将长条形（10cm×200cm）平面反射镜固定在这些支架上面即可。这种反射聚光镜不仅精度高，而且价格便宜。
第五，在太阳能聚光光伏发电领域，光伏电池的温度控制是一个很重要的问题，而在我们这项技术中这不成为问题，因为可以用水冷的方法来控制电池温度，并且在控温的同时产生有使用价值的温水，进一步降低了发电成本。
第六，这一方案不仅能适用于光伏发电而且还能应用于光热领域。该方案应用于光热领域时，只需将光伏电池换成真空管。那么，即使在冬季也能产生100度至200度之间的热水和热蒸汽，能够用于冬季采暖、夏季空调、食品加工等日常生活和工农业生产的各个领域， 而价格仅相当于普通真空管热水器的一半，所以其市场前景也相当可观。
作者：王瑞锋 北京交通大学物理系
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