——解析“非对称聚光跟踪光伏系统”发明成果及应用价值

今年的两会期间，“能源革命”的话题格外火热，不少代表委员积极发声：“以创新机制推动光伏产业长效发展”、“加大政策支持力度，助推分布式光伏快速发展”、“建议国家专项扶持光伏建筑一体化”……李克强总理在作2015年政府工作报告中指出，“能源生产和消费革命，关乎发展与民生。要大力发展风电、光伏发电、生物质能。”有媒体分析，“全国两会释放强烈改革信号——能源革命要动真格的!”

就目前来看，光伏发电产业领域不断传来利好消息，这其中最引人注目的当属随着光伏新政的实施国家给予的电价补贴和财政支持。而这背后，是“降本增效”大课题下遭遇到的重重障碍与瓶颈。有光伏发电从业者表示了现状的无奈——“光伏发电降本技术已突破至临界点”、“打破成本的魔障难上加难”、“光伏发电‘投必亏损’的定势究竟如何才能改变。”

(李杰吾教授和他的创新成果)

摆在眼前的似乎是一道复杂而难解的方程。但在中国能源学会常务理事、包头市杰华太阳能研究所所长李杰吾教授看来，关键是技术的变革和观念的解放。前者是需要真正过硬、经得起“实战”检验的技术产品，后者是需要真正去推动实施的政策通道及行业中人。

李杰吾教授及其科研团队，遵循“简明铸就经典”的宗旨，发明了一种“非对称聚光跟踪光伏系统”。该系统经过几年来的实际运行与并网发电对比实测，证明了可使现有的固定式晶体硅光伏组件的年发电能力提高一倍，产业化成本再降低20%，为实现光伏电价平价上网、逐步取消政府能源补贴的目标，提供了可行的新技术层面的支撑之一。

爱因斯坦的“复杂源于简单”成为指路明灯

众所周知，太阳能是全球共享的取之不尽的巨大能源，关键是用何种高新技术才能最有效的利用它，提高光电转换效率。

人类进入21世纪以来，几乎世界各国的一切有识之士都逐渐认识到一个真理：要想维护地球这个绿色家园，推动人类沿着一条可持续发展的道路前行，太阳能的充分应用尤其是光伏的应用，已经成为各国政府和人民作为重大的战略产业来考虑的问题了。

李杰吾教授指出，经过科技界半个世纪的努力，当前在美国和欧洲一些国家，因其市电电价高于1.5元/度电，光伏电价已略低于市电电价了，而在中国，因市电电价一般在0.5元/度电左右，而光伏约为0.8元/度电上下，必须获得政府的电价补贴才能大量推广，故进一步降低光伏成本仍然是关键的关键。

早在1979年美国亚特兰大召开的世界太阳能大会上，就有人提出采用聚光跟踪高新技术来大幅度降低光伏系统成本。为此，美国建造了多座高倍聚光光伏电站，近年来，中国也同样建了几座，遗憾的是，这些高倍聚光光伏电站却没能降低光伏成本 ，反而比固定式光伏电站成本高两三倍。

李杰吾教授对“非对称聚光跟踪光伏系统”的发明，在基础理论研究方面，遵循物理学与爱因斯坦的“复杂源于简单”的自然唯物主义。首先是二维主动同步对日跟踪理论的突破。提出了一个地球上的代表点的新概念，这个“点”所在地点的二维精确跟踪的实现可以推广到地球上亿亿万万个地点，而这个代表点的《日轴》跟踪是一个标准的匀速圆周运动，季轴跟踪是一个简单的三角函数规律(以前专家学者认为季轴跟踪的理论极为复杂，只能用光电传感来解决，而光电传感受多种气候条件影响，存在较多不确定因素，使人们对跟踪不放心)。

李杰吾教授依照日地运行的精细自然规律，建立一套二维同步自动跟踪理论及其数学方程，使之在地球上的任何地点，都可以避免一般气候条件的影响，免维护而如向日葵一样数年如一日的精确主动跟踪太阳，并为聚光的实施打下可靠基础。

对聚光理论的逐步深入研究，李杰吾教授经历了漫长的岁月。他1982年-87年完成了菲涅尔条纹式五倍聚光玻璃透镜的研究与生产;1992-96年完成了《双面正交条纹透镜的理论分析》，为制造中高倍聚光而照度均匀的透镜，奠定了理论基础，文章发表在1996年“太阳能学报”后，迅速被美国学术团体翻译成英文，在全世界广泛介绍。

2007年后，为减少聚光中散射阳光的损失并提高抗风能力，提出了非对称均匀聚光理论及其光学设计公式。“关于何种聚光系统更有利于降低光伏成本的研究”，苦苦求索，终有所获。

四项核心技术为降本增效“破冰”

李杰吾教授的“非对称聚光跟踪光伏系统”获得国家发明专利(专利号：200910002758.8)，包含四项核心技术。

一是独特的二维对日自动跟踪技术。李杰吾教授表示，与世界各国以电子技术为主的所有二维跟踪技术不同，我们找到了最简洁的二维对日精确跟踪理论，发明成功只需要一个电机，一个简单的电子控制器，一套机械装置就能使聚光光伏组件随时精确正对太阳的二维同步跟踪系统。

二是非对称二倍聚光技术。据了解，对光伏组件进行二倍聚光，有三项优势：一是以各大光伏企业都在生产的大型光伏组件为聚光对象，既保证了组件的质量过硬与低成本优势，又可进一步提高其发电能力而降低系统成本;二是二倍聚光下组件的温升很少，可不加散热器而保证组件仍有25年的工作寿命;三是二倍聚光使用的聚光镜就是市场上到处都有的平面镜，质好价廉使用寿命很长。聚光镜的成本只是光伏组件的六分之一，而增加的发电量却是光伏组件的一半多。

后来，李杰吾教授进一步将对称聚光改进为非对称聚光，又增添了三项功能：一是增大了对正面风的分流，使整机抗风能力增强，在十级大风下，整机自动跟踪仍可继续进行，而机架不必过分粗笨;二是整机所占空间比对称聚光时要小，相对节省土地面积;三是可获得较多的散射阳光。

三是电机转动角的精密控制技术。已有的步进电机当然可以对电机的转动角进行精密控制，但成本较高，而且自耗电量过多。李杰吾教授发明的微电机步进式控制系统耗电量只有其十分之一，成本约为三分之一。

四是可调式固定支架技术。为确保在地球上任何地点架设起来都能实现准确的聚光跟踪，我们研制成了倾角可调的立柱式固定支架，确保一个有初级文化的成人在架设一台新的聚光光伏系统时，根据说明书的安装步骤只要定好这个倾角，就可安装成功，顺利进行长期稳定的聚光跟踪发电状态，十分便捷。

产业化成本 一笔“明白账”

李杰吾教授表示，以当前市售的大型光伏组件300Wp两件为基础制成的非对称聚光跟踪光伏系统为例，其单台年发电量应与峰功率为300Wp*2*2.03=1218Wp的固定式光伏系统相同。根据2014年对国内企业调查的结果，单台非对称聚光跟踪光伏系统的批量生产成本为4440元。而年发电量相同的固定光伏系统的成本为5542元。相比之下，聚光光伏系统比固定光伏系统的成本下降率为 20%。当生产规模小于100台时，单台成本可能高不少。

那么，随着晶硅光伏与薄膜光伏的光电转换效率的逐年提高与成本进一步降低，非对称聚光跟踪光伏系统还会有成本优势吗?答案是：不但有，而且会更增大其优势。当世界各种先进光伏电池组件的光电转换效率越来越高时，这种非对称聚光跟踪光伏系统会如同光电倍增器一样，使先进光伏组件，包括薄膜光伏组件的太阳发电优势进一步加倍扩大，使聚光光伏系统比固定式光伏系统的降本优势大到30%，成为最早达到 0.5元/度电电价的光伏系统，不是梦。”李杰吾语气坚实地说。

李杰吾教授算了一笔账，按目前政府的优惠政策，一个企业只需投资一千万元，贷款建聚光光伏并网电站，发电二十年可获得约3.2亿的回报，现金折现后的回报也为自有资金的六倍多。而国家可得税收10725万元，利息1800万元，被供电的企业可获得20年以上的廉价环保绿色电力，并且城市减少大量二氧化碳与雾霾，净化了大气环境，利国利民利环境。

不久前，国家能源局公开表示，“十三五”期间，要大幅提高可再生能源比重。到2020年光伏发电装机要达到1亿千瓦以上，光伏电价与电网销售电价相当。

李杰吾教授认为，国家的规划告诉人们，要不了多少年，不要政府补贴，光伏发电也可以理直气壮的进入世界常规能源的大舞台，并逐渐成为能源主体。

李杰吾教授指出，我们的新发明拥有完全独立自主的知识产权，真诚邀请有远见的国内外金融、财团和企业家一起合作开发。形成一个新型的国际光伏产业，促进全球环保与可持续发展的伟大事业。

为光伏电力降本造梦，李杰吾教授全力以赴，无怨无悔，守望明天。(林梦河)

[人物介绍]

李杰吾，湖南新化人，烈士之子，1958年新化一中高15班毕业，1962年从湖南师范大学物理系毕业，分配到内蒙支持边疆，1979年以优秀论文“液体薄膜的力学规律与微分几何”考取清华大学物理系研究生。1982年开始聚光跟踪光伏研究。内蒙古科技大学物理学教授，包头杰华太阳能研究所所长，中国能源学会常务理事。1996年发表“双面正交条纹透镜理论分析”，1996——99年将“聚光跟踪太阳发电机”技术转让给军工与西藏华冠、拥有“室内太阳灶”等多项专利与技术，解决了二维主动同步跟踪的理论及其核心技术创造，最新发明专利是“非对称聚光跟踪光伏系统”。