HCPVT高聚光太阳能光伏发电及光热系统技术简介.doc

HCPVT高聚光太阳能光伏发电及光热系统技术简介.txt43风帆，不挂在桅杆上，是一块无用的布；桅杆，不挂上风帆，是一根平常的柱；理想，不付诸行动是虚无缥缈的雾；行动，而没有理想，是徒走没有尽头的路。44成功的门往往虚掩着，只要你勇敢去推，它就会豁然洞开。 本文由lnsolyp贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 HCPVT 高聚光太阳能光伏发电及光热系统技术预可研报告 背景资料: 背景资料: 随着全球化石能源的日渐枯竭和人类环保意识的逐步增强,以光伏为核心的 太阳能发电事业近年来有了快速发展. 但光伏电力比传统火电价格高达 4-6 倍以 上,完全市场化运营特别是为普通老百姓所接受还有一定困难.根据最近刚刚结 束的京都议定书修改,未来高耗能产品输出将受到严格限制.生产过程须高耗能 的单,多晶硅太阳能电池将面临严苛挑战.而具环保低耗能且发电转换效率更高 的砷化镓太阳能电池,估计将逐渐取代晶硅太阳能电池市场.目前市场上量产的 单晶与多晶硅的太阳电池平均效率约在 15%上下,为了提炼晶硅原料,需要花 费极高的能源, 所以严格地说, 现今的晶硅太阳电池, 也是某种型式的浪费能源. 而砷化镓太阳能电池,由于原料取得不需使用太多能源,而且光电转换效率高达 38%以上,比传统晶硅原料高出许多,符合修改后的京都议定书规范,估计未来 将成市场主流. 最近美国道康宁公司与德国瓦克公司拟在江苏省张家港地区申请大片良田 建立有机硅厂.这一项目如果上马,将耗费我大量宝贵的金属硅资源,其产品市 场却主要在国外.这一项目对于我资源的就地开采,加工,也将造成四川,山西 等其他生产基地电力等资源的巨大消耗,同时还会大量砍伐树木,排放超标的温 室气体,造成严重的生态污染.据有关专家粗略计算,仅为上述张家港地区拟建 的有机硅厂提供一年 10 万吨的硅,就需要纯净木炭数万吨,折合成木材就远不 止几万吨了.此外,每炼 1 吨硅仅电炉的电耗就是 1.4 万度,生产过程还将释放 大量二氧化碳,存在着大量的粉尘污染,尤其对半径 10 公里以内生活的人群来 说,其健康会受到影响,严重的会造成矽肺病.数年前,在我国对高耗能产业和 温室气体排放问题还不太注意的时候, 美国道康宁公司就投资在大连建立硅块的 采购,分拣和加工中心,将他们生产的有机硅和单晶硅所需要的硅产业逐渐转移 到中国. 今年 2 月京都议定书已正式生效.从长远看,我国减排二氧化碳 的压力是巨大的,应及早防止高耗能,高排放,高污染型企业的引进,以及高耗 能低产值产品的出口.为此,专家建议,国家应采取措施遏制跨国公司向我转移 高耗能产业的趋势. 为了解决这一问题,人们不得不把眼光盯向薄膜电池,使近年薄膜电池异军 突起,引起投资者的极大兴趣.但薄膜电池光电转换效率相对较低,特别是砷化 镓薄膜电池价格昂贵,目前仅在空间领域应用,给光伏产业的大规模发展带来一 定制约. 而采用砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统即所谓 HCPV 系统,却能实现光 热与光伏的综合利用,并充分降低生产成本,提高转换效率,为光伏产业更大发 展开辟新的市场空间. 一,砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统的基本构想 在光伏发电产业中,单晶硅和多晶硅等硅基光伏电池几乎占到全部产量的 94%以上.由于近年太阳能级硅材料供不应求,且持续大幅度涨价,在一定程度 上制约了硅基光伏电池的发展.因此,如何提高光伏电池的转换效率和降低光伏 电池的生产成本,成为目前光伏产业必须研究和解决的核心问题.人们一方面在 研究和扩大太阳能级硅材料的生产, 另一方面又在研究和推广不用或少用硅材料 来生产新的光伏电池.在这样一种背景下,非晶硅,硫化镉,碲化镉及铜铟硒等 1 薄膜电池应运而生,乘势发展.上述光伏电池中,非晶硅电池效率低下,且稳定 性有待提高.尽管硫化镉,碲化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜电池效率高,成 本较晶体硅电池低, 且易于大规模生产, 但是镉有剧毒, 会对环境造成严重污染, 硒和铟是储量很少的稀有元素,因此大规模发展必将受到材料制约.而砷化镓化 合物材料具有十分理想的禁带宽度以及较高的光吸收效率,适合于制造高效电 池.此外,还可以通过叠层技术做成多结砷化镓基电池,以进一步提高转换效率. 但是, 由于砷化镓基材料价格昂贵, 砷化镓薄膜电池目前只在航天等特殊领域应 用,离地面应用的商业化运行还有很大距离. 为了降低光伏电池的发电成本, 可采取的有效途径之一就是研发和应用砷化 镓薄膜电池聚光发电系统.在获得同样输出功率情况下,可以大大减少所需的砷 化钾薄膜电池面积.相当于用比较便宜的普通金属,玻璃材料做成聚光器和支撑 系统,来代替部分昂贵的砷化镓薄膜电池.在这种聚光系统中,如果聚光率超过 10 倍以上,则系统只能利用直射阳光,因而必须采用跟踪系统相互配合,才能 充分发挥效能.在固定温度下,光伏电池效率随聚光率变化的一般趋势是,在低 聚光率时,电池效率随聚光率的增加而增加,在高聚光率时,则随聚光率的增加 而降低.光伏电池在高聚光大电流下,其工作温度的升高将导致效率的下降,因 此,聚光跟踪系统还需要配备有效的散热设备.考虑到系统的整体经济性,可以 通过主动制冷方式,在对光伏电池快速散热的同时,充分利用热能生产热水,最 终实现实现太阳能光热和光伏的综合利用,以充分发挥整体效能. 二,砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统的组成部件 一 电池片 1. 砷化镓(GaAs)的发展潜力 砷化镓 (GaAs) 半导体材料与传统的硅材料相比, 它具有很高的电子迁移率, 宽禁带, 直接带隙, 消耗功率低的特性, 电子迁移率约为硅材料的 5.7 倍. 因此, 广泛应用于高频及无线通讯中制做 IC 器件.所制出的这种高频,高速,防辐射 的高温器件,通常应用于激光器,无线通信,光纤通信,移动通信,GPS 全球导 航等领域.砷化镓除在 I C 产品应用以外,也可加入其它元素改变能带隙及其产 生光电反应,达到所对应的光波波长,制作成光电元件.还可与太阳能结合制备 砷化镓太阳能电池. 作为通信,微电子以及光电子的基础材料 GaAs 材料,世界上其晶体生长技 术和器件制作技术已较成熟,其应用领域不断扩大.其中,砷化镓在 WiMAX 和 WLAN 应用市场上,将有明显增幅,预计到 2010 年,市场需求近 10 亿美元,增 长 23%.在砷化镓太阳能电池上,也有部分要量产的企业.在砷化镓微波元件需 求上,可望再倍增,用于蜂窝回程通信的 GaAs 芯片市场 2007 年达到了峰期.未 来砷化镓发展势必将与 Si,GaN 以及 SiGe 一同参与市场竞争. 砷化镓集成电路,用半导体砷化镓(GaAs)器件构成的集成电路.构成 GaAs 集成电路的器件主要有肖特基势垒栅场效应管, 高电子迁移率晶体管和异质结双 极晶体管.20 世纪 70 年代初,由于高质量的 GaAs 外延材料和精细光刻工艺的 突破,使 GaAs 集成电路的制作得到突破性进展.同硅材料相比,GaAs 材料具备 载流子迁移率高,衬底半绝缘以及禁带较宽等特征,因此用它制成的集成电路具 有频率高,速度快,抗辐射能力强等优点.它的缺点是材料缺陷较多,集成规模 受到限制,成本较高.GaAs 集成电路可分为模拟集成电路如单片微波集成电路 2 和数字集成电路两类.前者主要用于雷达,卫星电视广播,微波及毫米波通信等 领域,后者主要用于超高速计算机及光纤通信等系统. 2. GaAs 电池片技术特点 市场上的聚光光伏电池系统组件大部分仍采用单晶硅太阳能电池, 基于砷化 镓基多结太阳能电池的产品在国际市场上刚刚崭露头角,尚未进入国内市场.高 效太阳能电池是聚光光伏,光热综合利用系统的核心部件.在 500-1000 倍的高 倍聚光条件下,其芯片和模组制作工艺都与低倍聚光下不同,需要重新设计工艺 条件.在适合高倍聚光的光伏电池工艺中应充分借鉴激光器,发光二极管等器件 的先进设计方法.采用低成本,高热稳定性的不含金的合金作为 III-V 聚光光伏 电池顶部网格电极材料,通过优化电极结构和制作工艺,在不改变电池外延结构 的条件下,开发出 500 至 1000 倍聚光下高效多结光伏电池低成本产业化生产工 艺,使光电转换效率达到 30%,并获得较高的工作稳定性. 二 聚光器 由于高效砷化镓光伏电池的生产成本较高,因此提高聚光器的聚光倍数,聚 光效率和均匀性成为充分发挥砷化镓光伏电池效率优势,降低聚光光伏,光热综 合利用系统成本的关键之一. 光伏聚光器是利用透镜或反射镜将太阳光聚焦到光 伏电池上.按光学类型划分,常用的聚光系统通常分为折射聚光系统和反射聚光 系统.对于实际应用来说,菲涅尔透镜成为理想之选.它的聚焦方式可以是点聚 焦,也可以是线聚焦.点聚焦时,将太阳光聚焦在一个光伏电池片上;线聚焦时, 将太阳光聚焦在光伏电池组成的线列阵上. 反射式聚光系统也可以分为点聚焦结 构和线聚焦结构.但是传统菲涅尔透镜存在难以实现的高接收角,聚光后光强分 布不均匀和易老化变形等问题.而反射式聚光器聚光倍数较低,难以大幅度降低 发电成本. 三 跟踪器 对于砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统来说,对日跟踪器必不可少.这主要 是由于随着聚光比的提高,聚光光伏系统所接收到光线的角度范围就越小,为了 更加充分地利用太阳光,聚光光伏系统必须辅以对日跟踪装置.因此,通过对聚 光光伏系统跟踪信号的产生,自动控制的机理,驱动执行部分的实现以及保护应 急措施的考虑,研究出跟踪精度高,运行安全可靠,抗干扰能力强,制造和运用 成本低,用户操作界面友好的太阳能跟踪器,对于成功开发砷化镓薄膜电池聚光 跟踪发电系统是至为重要的.目前,对日跟踪器的设计方案众多,形式不拘一格. 点聚光结构的聚光器一般要求双轴跟踪,线聚光结构的聚光器仅需单轴跟踪.由 于砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统不得不经受安装地区恶劣的气候条件,如 风,沙,冰雹,雨,雪等的侵蚀和损坏,因此,跟踪系统的可靠性仍需进一步的提 高. (四)散热器 温度是影响太阳能电池光电转换效率的重要因素之一. 聚光太阳电池在运行 过程中,未被利用的太阳辐射能除一部分被反射外,其余大部分被电池吸收转化 为热能.如果这些吸收的热量不能及时排除,电池温度就会逐渐升高,发电效率 降低,而且电池长期在高温下工作还会因迅速老化而缩短使用寿命.因此,为了 实现对电池组件的温度控制,可采用无机超导热管技术.即以多种无机元素组合 而成的传热介质,加入到管腔或夹壁腔内,经真空处理且密封后形成具有高效传 3 热特性的元件.该元件将热量由一端向另一端快速传导的过程中,表面呈现出无 热阻快速波状导热特性.它既可保证聚光光伏电池的光电转换效率,同时又能获 得相当可观的光热收益,实现对太阳能的电热联用,以满足普通用户日常生活用 电和热水. 三,砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统的开发意义 在各国政府的大力支持下,以及光伏市场的需求和聚光光伏技术迅猛提高的 趋势下,高效,低廉,可靠,稳定的聚光光伏发电系统正在逐步走向产业化.在 国际光伏市场巨大潜力的推动下,中国作为世界能源消耗第二大国,对于高效, 低 成本的光伏发电系统的需求更为迫切.与国际上蓬勃发展的光伏发电相比,国内 平板式光伏发电系统技术已经比较成熟,而聚光光伏发电系统还处于技术开发阶 段. 只要我们抓住有利时机,瞄准国际光伏电池新材料及器件研究的前沿,积极引 进和开发成熟砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统, 就能在聚光光伏技术及应用方 面取得原创性的,突破性的进展. 砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统是一个技术水平高,涉及学科多,带动作 用强的综合产业.在这个产业链上,包括了研制系统所需要的钢材,玻璃,塑胶 材料等产业;包括了与聚光器,跟踪器所密切相关的精密仪器加工和自动控制等 产业;包括了与高效太阳能电池相关的关键设备制造,III-V 族半导体材料外 延和器件制作等产业, 包括了与太阳能光热利用相关的传热, 水箱, 管道等产业, 还有相关的蓄电池,逆变器和控制器等产业.因此,通过研发砷化镓薄膜电池聚 光跟踪发电系统, 能够带动相关产业的迅速发展, 提高相关产业的整体研发水平, 同时创造更多的就业岗位. 发展砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统,具有良好的节能减排,环境保护和 推广应用等社会效益.以年产聚光砷化镓薄膜电池产量 1MW 计算,比同等产量的 晶体硅光伏电池每年可减少耗电 800 万千瓦时, 节约标煤 0.30 万吨,减排二氧化 碳 0.58 万吨,二氧化硫 40.78 吨,二氧化氮 34.40 吨.此外,这些光伏光热系统 推广应用后每年能够生产电力 200 万千瓦时,利用热能 266 万千瓦时,基本满足 1400 多个普通家庭的日常能源需求,由此又可节省标煤 0.18 万吨,减排二氧化 碳 0.34 万吨,二氧化硫 23.40 吨,二氧化氮 19.70 吨.同时,砷化镓薄膜电池聚 光跟踪发电系统的研发和推广,必将对普及太阳能知识,增强全社会对新能源的 认识,加快新能源的推广,应用和普及步伐,产生积极而又深远的影响.同时会 得到当地政府相关部门的大力支持. 四,目前商业化砷化镓电池及组件技术参数: 目前商业化砷化镓电池及组件技术参数: 及组件技术参数 1. 砷化镓电池技术参数 砷化镓电池晶圆 砷化镓电池封装基片 Triple Junction Solar Cell Energy Conversion 三结结构太阳能电池 cell area 电池面积:0.3025 cm2 ( 5.5mm * 5.5mm ) 4 Concentrator solar cell chip size 集中器电池片尺寸 - 0.4125cm2 (5.5mm*6mm), efficiency 效率 35% 400X conc.在 400 倍聚焦 2.HCPV 组件参数 名称 Cell Type 电池类型 每个组件电池片子数量 几何聚焦倍率 外形尺寸 (LWH)长宽高 Weight 重量 跟踪精度 内容描述 - 多结砷化镓电池 48 个 476 1680 570 247 mm 22 Kg 0.5 deg. Remark 砷化镓电池组件图片(12*4 电池片产生 120V 峰值电压) 组件电气参数 Item 组件效率 输出功率 Voc Isc Vmpp 最大电压 Impp 最大电流 Fill Factor 填充因数 Description 23.5% 140W 140 V 1.28A 120 V 1.17A 78% DNI 850 W/m2 DNI 净输入 太阳能 Remark 备注 3.子阵列技术参数 组件组成, 功率. 一个子阵列由 8 个组件组成,在太阳光下产生大于 1kW 功率. 5 子阵列图片( 个电池片, 组件组成一个子阵列 组成一个子阵列) 子阵列图片(每个组件 48 个电池片,共 2*4 组件组成一个子阵列) 4.跟踪器技术参数 跟踪方法: 跟踪方法: 控制: Control 控制: Accuracygen 跟踪精度: Tracking Accuracygen 跟踪精度: km/hr: 没有太阳及风速大于 45 km/hr: Azimuthal Traction 方 位 牵 引 力 : 度牵引力: Elevational Traction 高度牵引力: 载重量: Loading Capacity 载重量: 集光器面积: Collecting Surface 集光器面积: 跟踪器重量: Tracker weight 跟踪器重量 : 轴跟踪水平和垂直. 水平和垂直 2-axes 2 轴跟踪水平和垂直. GPS 技术 0.5 or better. 自动复位和返回 15 cm rolling pin bearing with 360rotation. Single telescopic. Linear Actuator. 700kg. 700kg. form up to 16 m2, (plat form may be specified customer) by customer) Approximately 500 kg (including pole 00kg(含支撑杆重量 含支撑杆重量) weight). 大约 500kg(含支撑杆重量) 五,原理图 (蓝色代表产生的热水系统,紫红色代表产生的电力,粉色代表控制系统) 6 2kWp 示范系统(2 个子阵列组成) 六,成本优势 参数 【单多晶硅】PV panel 太阳能集中倍率 1x 太阳能照射功率/c 0.1w 电池面积 / 10,000/c 电池效率 15% 直流瓦数 / 150w 电池成本 / ￥2250 15.00 人民币 /瓦 ￥15.00 对准太阳角度 0 90 Solar 封装温度 180 Generation profile triangle 炎热夏日午后电池效率损失: 30% 发电表现 poor ￥ 2