（工程热物理专业论文）新型太阳能光伏楔形聚光器的研究.pdf

中山大学硕士学位论文 新型光伏楔形聚光器的研究 专业：工程热物理 硕士生：陈美园 导师：舒碧芬教授 摘要 聚光光伏( c p v ) 技术通过聚光手段使单位面积的太阳电池上获得较大的能量输入， 以此提高太阳电池的利用率，降低光伏应用的成本。近年来c p v 发展迅速，发电成本 不断降低，就目前而言发电成本已与大规模应用的平板光伏技术的成本不相上下。随着 c p v 技术的进一步完善，规模的进一步增加，c p v 必将有更好的发展前景，成为推动 光伏技术的大规模应用的重要技术手段。 高倍聚光光伏( h c p v ) 技术虽然已经有许多的应用案例，达到了m w 级的应用， 但是其技术难度较大，适用范围比较有限，规模化应用还有一定距离：而低倍聚光光伏 ( l c p v ) 技术相对简单，应用方便，适用范围广，成本较低，因此发展l c p v 应用无 疑是一个比较好的选择。 本文在简单介绍了光伏( p v ) 应用的发展形式及l c p v 应用的特点之后，主要对 以下几个方面进行了研究： 首先，通过对文献及网络信息的广泛调研，归纳总结，提出了三种基本的低倍聚光 技术形式，即几何光学元件聚光、l u m i n e s c e n ts o l a rc o n c e n t r a t o r ( l s c ) 技术以及适用于 聚光应用的太阳电池结构，对了解低倍聚光的技术发展具有实在的价值，为静态低倍聚 光应用的研究构筑了必要的基础。 然后，对其中一种几何光学元件聚光形式楔形聚光器作了优化改进，并对普通 楔形聚光器与改进型楔形聚光器的聚光特性进行了详尽的理论计算，比较了几何聚光比、 光线接收范围、对散射辐射及直射辐射的能量聚光比、聚光的均匀性等性能。结果表明， 楔形聚光器的聚光性能主要与电解质的折射率及楔形顶角相关，顶角越小，能量收集范 围越小，但聚光比越大；改进型楔形聚光器的聚光比相对于普通楔形聚光器有较大幅度 的提升，但是聚光均匀性有所恶化；理论计算与模型模拟计算的结果非常吻合，证明两 种方法都正确，但理论计算能够一次处理多种折射率及楔形项角，而不需要绘制模型， 新型太阳能光伏聚光器的研究 应用方便。计算结果较全面地展示了楔形聚光器的聚光性能，为实际应用提供了足够的 理论支持；且计算过程与考虑因素对其他低倍聚光器的聚光性能的研究具有很好的参考 价值。 最后，制作了一个普通楔形聚光器以及楔形聚光光伏组件，对理论结果进行实验验 证。通过与普通平板组件在三种测试条件( 标准测试条件、室内稳态光源下、户外的实 际工作条件) 下的性能对比测试，楔形聚光光伏组件的表现与理论计算的结果非常吻合。 确定楔形聚光器及楔形聚光光伏组件具有较好的聚光性能及电性能，是一种比较好的光 伏应用技术，而改进型楔形聚光器的实际表现应该会比这个更好一些。 关键词：光伏；低倍聚光；楔形聚光器；聚光性能 h 中山大学硕士学位论文 t h es t u d yo fan o v e lw e d g ec o n c e n t r a t o rf o r p h o t o v o l t a i ca p p l i c a t i o n m a j o r ：e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i t s n a m e ：c h e nm e i y u a n s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs h ub i f e n a b s t r a c t c o n c e n t r a t o rp h o t o v o l t a i c ( c p v ) t e c h n o l o g yg a i n sg r e a t e re n e r g yi n p u to n t oac e r t a i n s o l a rc e l l ，i m p r o v e st h eu t i l i z a t i o no fs o l a rc e l l s ，a n dr e d u c e st h ec o s to fp h o t o v o l t a i c ( p v ) a p p l i c a t i o n s i nr e c e n ty e a r s ，c p vh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l y ，a n di t sc o s tr e d u c e da l s o a t p r e s e n t , i t sc o s ti sa l m o s tt h es a m ea st h a to fc u r r e n tp v ，w h i c hi si nl a r g e s c a l ea p p l i c a t i o n a si t st e c h n o l o g yi m p r o v i n ga n di t sc o m m e r c i a ls c a l ee x p a n d i n g ，c p vp r o m i s e sab r i g h t e r f u t u r e ，m a yp u s hs o l a re n e r g yu t i l i z a t i o n sg of u r t h e ra n dm o r ea m a z i n g h i g hc o n c e n t r a t e dp h o t o v o l t a i c ( h c p v ) t e c h n o l o g yi sc o m p l i c a t e d ，a n d r e s t r i c t e di n m a n ya p p l i c a t i o n ，s oi th a sal o n gw a yt og o ，a l t h o u g hi t sa p p l i c a t i o nr e a c h e dm w - s c a l e a l r e a d y w h i l el o wc o n c e n t r a t e dp h o t o v o l t a i c ( l c p v ) t e c h n o l o g yi sr e l a t i v e l ys i m p l e ， c o n v e n i e n t ，c h e a p ，a n da l m o s tu n r e s t r i c t e di na p p l i c a t i o n ，t h e r e f o r ed e v e l o p m e n to fl c p vi s u n d o u b t e d l yab e t t e rc h o i c e a f t e rt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fp va p p l i c a t i o na n dt h ef e a t u r e so fl c p va p p l i c a t i o nh a d b e e ni n t r o d u c e d ，s o m em a i na s p e c t so fr e s e a r c hh a db e e nc o n d u c t e da sf o l l o w i n g f i r s t ，t h r e ek i n d so fb a s i cs t a t i cc o n c e n t r a t i n gt e c h n o l o g yf o r m sh a db e e ns u m m a r i z e d ： t h eg e o m e t r i co p t i c sc o n c e n t r a t o r ，l u m i n e s c e n ts o l a rc o n c e n t r a t o r ( l s c ) t e c h n o l o g ya n d s o l a rc e l ls t r u c t u r es u i t a b l ef o rc p v a p p l i c a t i o n i ti sa ni m p o r t a n tb a s i cf o ru n d e r s t a n d i n ga n d f u r t h e rr e s e a r c h i n go nl c p vt e c h n o l o g y s e c o n d ，an o v e lw e d g ec o n c e n t r a t o r ( n w c ) ，ag e o m i t r i co p t i cc o n c e n t r a t o r ，h a db e e n p r o p o s e d ，a n dt h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o no ft h en w c a n do r d i n a r yw e d g ec o n c e n t r a t o r ( o w c ) h a db e e nc a r r i e do u ti nd e t a i l n l ec o n c e n t r a t i n gp e r f o r m a n c e ，i n c l u d i n gr e c e i v i n gs c o p e ， g e o m e t r i cc o n c e n t r a t i n gr a t i o ，c o n c e n t r a t i n gu n i f o r m i t y ，u n d e rs c a t t e r e dr a d i a t i o na n db e a m r a d i a t i o n ，o ft h et w ot y p e s ，h a db e e nm a i n l yd e r i v e d ，c a l c u l a t e da n dc o m p a r e d a n dd r a w n s o m er e s u l t s ：t h ep e r f o r m a n c eo fw e d g ec o n c e n t r a t o ri sd e t e r m i n e db yt h er e f r a c t i o ni n d e xo f t h et r a n s p a r e n tm a t e r i a la n dt h ep r i s ma n g l eo ft h ec o n c e n t r a t o r t h er e c e i v i n gs c o p ei ss m a l l e r a n dt h ec o n c e n t r a t i o nf a c t o r ( c f ) i sb i g g e ra st h ea n g l ei ss h a r p e r ；t h ec fo ft h en w ci s b i g g e rt h a nt h a to ft h eo w c ，b u ti t sr e c e i v i n gs c o p ei ss m a l l e ra n dt h ec o n c e n t r a t i n g u n i f o r m i t yi sw o r s e ；t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o na n dt h e r o t i c a lc a c u l a t i o ni sa l m o s ti d e n t i c a l i t m e a n tt h a tt h et w om e t h o di sc o r r e c t a n dt h e r o t i c a lc a c u l a t i o ni sa b l et oh a n d l eas e to f i i i 新型太阳能光伏聚光器的研究 g e o m e t r i ct y p e si no n et i m e ，w i t h o u tc r e a t i n gal o to fg e o m e t r i cm o d e l s ，i sm o r ec o n v e n i e n t t h i sp a r td r a w nac o m p r e h e n s i v eu n d e r s t a n d i n go fc o n c e n t r a t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ea c t u a l w e d g ec o n c e n t r a t o r p r o v e d e ds h m c i e n tt h e o r e t i c a lb a s i cf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n 1 1 1 e c o m p u t a t i o nm e t h o di sag o o dr e f e r e n c et ou n d e r s t a n do t h e rl o wc o n c e n t r a t i n gc o n c e n t r a t o r f i n a l l y ，a n0 w c a n dw e d g ec o n c e n t r a t o rp h o t o v o l t a i cm o d u l e ( w c p v ) w a sf a b r i c a t e d ， e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no ft h et h e o r e t i c a lr e s u l t sw a sc o n d u c t e d b yc o m p a r e dw i t ht h e o r d i n a r yf l a ts o l a rc e l lm o d u l e ，t h ee l e c t r i c a lp r o p e r t i e sa n dt h ea c t u a lo p e r a t i n gp e r f o r m a n c e o ft h ew c p vh a db e e nm e a s u e da n ds t u d i e di nt h r e es i t u a t i o n ( s t a n dt e s tc o n d i t i o n s t e a d y i r r a d i a t i o ni n d o o r a n dt h er e a lo p e r a t i o nc o n d i t i o no u t d o o r ) t h er e s u l ts h o w nt h a t ，t h e e x p e r i m e n t a lr s u l t sm e tt h et h e o r e t i c a lr e s u l t sc l o s e l y i ts h o w nt h a tw e d g ec o n c e n t r a t o ri s e x c e l l e n tf o rl c p v a p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：p h o t o v o l t a i c ：l c p v ；w e d g ec o n c e n t r a t o r ；c o n c e n t r a t i n gp e r f o r m a n c e 论文原创性声明内容 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：e 妻蝈 日期s 蚜戽 月2 仁目 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文 的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论 文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他 方法保存学位论文。 学位论文作者签名：薄益圈导师签名：溯兹妥一 _ 日期文纠啤多月啪日期：函砗夕月2 q - 日 新型太阳能光伏楔形聚光器的研究 第一章绪论弟一早珀比 在全球性的能源与环境问题日益突出的今天，太阳能应用，尤其是太阳能光伏应用 被寄予厚望，光伏行业发展迅猛。 太阳能光伏应用的核心元件为太阳电池，太阳电池工作的基本原理为光伏效应( 也 即光生伏打效应) 用内建电场( 如p n 结) 将被器件吸收的太阳光所激发产生的正 负电荷( 如电子空穴对) 分离，从而在器件两端产生一个电势差，此电势差可以为负 载提供电源。 1 1 太阳能光伏应用的优点及行业发展情况 目前人类应用的能源主要是化石能源，而化石能源可资利用的时间已经很有限，必 须发展可再生能源，同时化石能源等在使用过程中经常会对环境产生不良影响，甚至导 致诸如全球变暖、海平面上升等等灾难性后果，2 0 0 8 年春天的那场大雪以及今年春天仍 在继续的西南大旱，都与生态破坏与环境恶化有深刻的关系，所以清洁的可再生能源是 我们缓解能源与环境压力的必然选择。 太阳能光伏发电的能源来源于太阳，持续时间够长，能量流足够太阳的寿命据 估计至少还有5 0 亿年，太阳辐射到地球表面的能量多达8 0 0 0 0 0 亿k w ，照射一小时可 供全球用一年，资源可谓无限；同时太阳能光伏发电过程中无排放、无辐射、无噪音， 环境友好，这两点使得其成为我们的理想选择。此外太阳能分布广泛，能源转换材料丰 富，转换技术基本成熟，安装、扩容、使用均很方便，技术形式多样，适用范围宽广。 光伏应用目前尚处于形成生长期，但即将进入发展期，作为电能供应，将在2 0 2 0 年左右具有( 一般认为会早于2 0 2 0 年，而在部分光照资源好的地方已经具备) 与化石 能源竞争的能力，2 0 2 0 - - - 2 0 3 0 年作为补充能源，2 0 3 0 - - 2 0 4 0 年作为替代能源，2 0 4 0 年 以后作为主导能源，2 1 0 0 年后，光伏发电有望成为人类最主要的电能供应来源。 因为太阳能光伏应用固有的优秀品质，其被社会广泛重视，各国纷纷出台光伏产业 的促进政策，主导了光伏产业在过去十余年里飞速发展。随着产业规模的不断扩大，社 会投入的不断增加，光伏器件及设备技术的不断突破，光伏应用的成本正迅速降低，其 发展正从政策驱动向经济驱动转变，2 0 1 0 年被喻为政策主导的“末班车 以及经济性主 导的“头班车 ，光伏应用即将进入一个新的时代，一个平价上网的时代。 太阳能光伏行业的发展以太阳电池为代表，电池产量在1 9 9 9 2 0 0 9 年里平均年增长 率接近5 0 ，而最近五年( 2 0 0 5 2 0 0 9 年) 的平均增长率为6 0 5 ，光伏产业可算是最近 中山大学硕士研究生学位论文 十年内产业规模增长最快的产业之一，具体一些的数据见表l 一1 与图1 - 1 。根据e u r o p e a n p h o t o v o l t a i ci n d u s t r ya s s o c i a t i o n ( e p i a ) 2 0 1 0 年的报告，截止2 0 0 9 年，p v 的全球安装量 已经达到2 2 9 g w 。 图1 - 1 全球太阳电池产量变化的变化 表1 - 1 全球太阳电池产量变化 年份 电池产量( m w )年增长率 1 9 9 9202 2 0 0 0 2 8 74 2 1 2 0 0 14 0 13 9 7 2 0 0 25 6 03 9 7 2 0 0 37 5 03 3 9 2 0 0 41 2 5 66 7 5 2 0 0 51 8 1 54 4 5 2 0 0 62 5 3 63 9 7 2 0 0 74 2 7 96 8 7 2 0 0 87 9 1 08 4 9 2 0 0 91 0 9 5 03 8 4 0 0 1 1 年内的平均增长拟合y = 1 7 6 9 6 ( 1 也堕必) ”1 ，从9 9 年开始计算 最近5 年内的平均增长拟合 y = 1 7 1 8 7 4 ( 1 + 查q ：量丛) 巾1 ，从0 5 年开始计算 数据来源：p h o t o ni n t e r n a t i o n a l ，3 2 0 0 9 以及工业与信息化部i i 世界光伏产业的飞速发展，光伏应用成本的不断降低，中国在其中起到了重要作用， 作出了突出贡献! 中国正不断发展，现己成为全球的光伏产品制造基地，单是中国大陆， 2 0 0 7 年太阳电池产量就占全球的2 8 1 ( 此外台湾占1 0 8 ) ，2 0 0 8 年占3 2 7 ( 台湾： 1 1 8 ) ，2 0 0 9 年占4 0 ( 台湾数据尚缺) ，中国的确已经成为一个光伏制造业的大国， 未来还将成为光伏应用的大国。2 0 0 9 年底，中国最大的太阳能发电站徐州2 0 m w p 2 新型太阳能光伏楔形聚光器的研究 光伏电站建成投产；今年早些时候( 2 0 1 0 年1 月1 6 日) ，宁夏回族自治区的4 0 m w p ( 中国节能投资公司太阳山1 0 m w p 、宁夏发电集团太阳山1 0 m w p 、正泰集团石嘴山 1 0 m w p 、华电宁夏分公司宁东5 m w p 1 0 m w p 、宁夏电投集团太阳山5 m w p 1 0 m w p ) 大型太阳能光伏电站的一次性成功并网，给2 0 1 0 年光伏行业一个很积极的信号。 这两年，中国的光伏产业发展迅猛，甚至一度被有所限制，要求谨慎，基本情况见 表l 一2 。2 0 0 9 年我国的光伏行业发展得非常好，在全球性金融危机下太阳电池产量仍然 大幅上升，太阳电池的产能更是上升到约1 4 g w p ，国内光伏产业链趋于完整，多晶硅 材料供应紧张局面得到一定程度的缓解，光伏产品整体价格水平比2 0 0 8 年大幅下降， 国内光伏市场开始启动，2 0 0 9 年的装机容量( 1 6 0 m w p ) 比历年的累积装机容量( 1 4 0 m w p ) 还大，并网发电成为主体( 当年份额约8 5 ，累积份额超过5 0 ) ，可称为“我国光伏 市场启动之年1 2 1 。 表1 - 2 近两年中国大陆光伏产业基本情况 2 0 0 8 年基本情况 2 0 0 9 年基本情况年增长率 多晶硅产量( t ) 太阳电池产量( m w p ) 光伏组件产量( m w p ) 4 7 2 9 2 6 3 4 3 5 0 0 1 7 0 0 0 4 3 0 0 2 5 9 5 6 3 2 大陆装机容量( m w p ) 4 0 3 1 6 0 2 9 7 0 1 2 聚光光伏技术的特点及行业发展情况 太阳能光伏应用技术形式多样，常见的主要有三种：晶体硅平板组件( m o n o s i 、 m u l t i s i ) 、薄膜组件( c d t e 、a s i 、c i g s 等) 以及聚光组件( 应用聚光器汇聚太阳光， 投射到小面积的高效率的太阳电池上) 。其中晶体硅平板组件技术成熟，系统能量转换 效率为1 2 2 0 t 引，产业规模成熟，市场占有率最大，并可预见在未来很长一段时间里 都将是市场的主流；薄膜组件技术发展较晚，但这几年随着镀膜技术与设备的进步，薄 膜组件的效率得到较大的提升，己达到7 1 2 ，更随着c d t e 组件价格的不断降低( 甚 至降到接近$ 0 8 w p ) ，薄膜组件产业呈现更快的发展势头，市场份额不断增加；聚光 光伏( c p v ) 发电系统的研究和平板光伏组件差不多都始于7 0 年代，但整体的发展规 模与平板p v 产业的增长形成了强烈的反差，但随着i i i - v 族化合物聚光电池效率的不断 增加( 超过4 0 ) ，成本的不断降低，以及聚光系统的平衡部件技术的发展与成本的降 低，系统能量转换效率已高达3 1 , - - - 4 0 7 ，聚光光伏应用的每瓦成本已经基本与现在降 中山大学硕士研究生学位论文 价后的平板组件技术相持平。考虑到目前薄膜组件技术，尤其是聚光光伏技术的产业规 模还很小，中国聚光光伏系统供应商的技术力量还很单薄的现状，我们有理由相信这两 者相对而言还有很大的发展余地。 c p v 技术的系统效率很高，而且相对于效率较低的平板p v 技术，对地表的破坏很 少，且系统9 5 的材料可回收利用，但是市场规模还比较小，是因为其对于使用场合有 比较严格的要求：太阳辐照资源丰富( 一般要求年辐照量大于2 3 0 0k w t d m 2 ，我国只有 西藏的一部分地区能达到这个要求) ，尤其是直射辐射资源丰富( 聚光主要是针对直射 辐射) ，地势开阔( 不被遮挡或相互遮挡，跟踪机构的活动范围等) ，要求较大规模( 适 用于1 0 0 k w 1 0 0 m w 规模，安装与维护成本较低) ，所以目前聚光光伏应用主要集中 表现为荒漠电站等。 2 0 0 8 年9 月，世界上首个3 m w 的聚光光伏发电系统在西班牙建成发电，标志着聚 光光伏发电系统的发展进入m w 级时代，表1 3 为2 0 0 9 年以前的大型聚光光伏系统发 展过程。 表1 3 大型聚光光伏电站 数据来源：i s f o c c o m ，s e m i ( s e m i c o n d u c t o re q u i p m e n ta n dm a t e r i a l si n t e r n a t i o n a l ) 1 3 静态低倍聚光光伏技术的特点及发展情况 静态低倍聚光光伏技术是通过低倍聚光元件( 1 + 1 0 ) ，将太阳光略微汇聚， 照射到较小的电池上，以达到减少太阳电池面积，或者换过来说就是让同样多的太阳电 池接收更多的太阳辐照，提高整个组件的经济性，或者达到某种技术上的目标。 同属于聚光光伏范畴的静态低倍聚光光伏技术( l c p v ) 比起通常的大型高倍聚光 光伏系统( h c p v ) ，有以下几个方面的优势： 4 新型太阳能光伏楔形聚光器的研究 ( 1 ) 静态低倍聚光光伏技术一般设计为较大的光线接收范围，基本包括当地太阳在 空中的轨迹，不需要进行太阳跟踪，不需要跟踪装置，直接做成模块化，没有运动部件， 简单，可靠； ( 2 ) 高倍聚光光伏组件由于能量密度很高，散热问题非常突出，可说是聚光光伏应 用需要解决的核心技术问题之一，可能导致器件的损伤，寿命的缩短，而低倍聚光的能 量密度较低，散热问题不突出； ( 3 ) 静态低倍聚光光伏技术与普通平板光伏技术非常接近，性能也比较接近，技术 难度相对于高倍聚光要低很多，可以说基本没有技术壁垒，也没有原料、元件的特殊要 求，易于实现； ( 4 ) 因为是静态系统，占地与平板组件类似，而且便于与建筑相结合，构成b i p v 或b a p v 应用。 l c p v 相对于普通的平板p v 技术而言，主要有三个方面的特点：光线的接收范围 可以更有针对性，减少浪费；增加太阳电池的利用率，同时降低电池成本；满足某些特 殊的结构要求。 静态低倍聚光光伏技术多样，但是目前其应用在市面上所见不多，有很多技术尚不 成熟，或者适用范围尚不明确。低倍聚光技术的发展可能给传统的平板光伏组件带来大 的冲击，或者一些改进，以完善组件的封装技术。 1 4 硕士论文的主要工作 本文的主要工作大致包括三个方面： 1 ) 汇总静态低倍聚光的主要形式。静态低倍聚光光伏系统其关键在于发现、发展 能够提高辐照的能量密度的方法，提高经济性，文章的第一个部分即通过对文 献与市场信息的调研，归纳了三大类低倍聚光技术形式，对整个低倍聚光的技 术路线有一个清晰的把握。 2 ) 楔形聚光器的理论计算以及改进。楔形聚光器结构简单，接收范围较大，与传 统的平板组件较为类似，且技术较为简单，是一种性能优秀的聚光结构。文章 的第二部分提出了一种新型的楔形聚光器，并详细计算了新型楔形聚光器与普 通楔形聚光器的聚光比、接收角度范围、对散射与直射光线的聚光比，聚光均 匀性等，对普通楔形聚光器与新型楔形聚光器的聚光特性有了全面的认识。 3 ) 楔形聚光光伏组件的实验研究。专门定制了一个普通的楔形聚光器，并通过u v 胶进行粘接，实际制作了一个低倍聚光光伏组件；并与一个平板组件进行了对 比测试，比较了针对直射光线与散射光线分别的作用效果，并测量了电池上的 能量分布( 温度分布) ，验证计算结果，为实际应用提供参考。 中山大学硕士研究生学位论文 第二章静态低倍聚光的主要形式 静态低倍聚光技术是静态低倍聚光光伏应用中的决定性因素与标志性因素，从聚光 的技术形式就能够大致估计系统的构成形式。经过对众多文献与网络信息的调研，总结 归纳，大致可以分成三大类：从几何光学元件入手的形式、从太阳电池结构入手的形式 以及l s c ( l u m i n e s c e n ts o l a rc o n c e n t r a t o r ，冷光太阳聚光器) 技术。 2 1 从几何光学元件入手的低倍聚光形式 从光学元件入手进行聚光指的是遵守菲涅耳定律，通过界面的反射或者折射，将光 线最终汇聚到较小面积上的过程。这种方式最为常见，也最容易实现，基本上都有较长 的发展历史，可说被广泛应用于工业生产与日常应用中，要作为聚光光伏组件的聚光元 件，只需要作一些修改即可。以c p c ( c o m p o u n dp a r a b o l i cc o l l e c t o r ，复合抛物面聚光 器) 、v 形聚光器、凸面透镜、凸面菲涅耳透镜以及楔形聚光器这五种结构较为典型， 而平板聚光器利用漫反射+ 全反射制作，比较特殊，但具有很好的发展前景。 2 1 1c p c ( 反射或全反射) c p c 技术性能优良，接收角大，是经典的静态聚光器件，其形式可以是作线性汇聚 也可以是二维汇聚( 如旋转c p c ) ，其基本原理如图2 1 所示( 此接收角范围为3 0 。) 。 目前c p c 全反射( 内部为介质) 以及镜面反射( 内部为空) 在高倍聚光光伏应用中作为 二次聚光器己经得到广泛应用，比如在德国f r a u n h o f e ri s e 开发的b i c o n 聚光系统中的 电绝缘c p c t 4 。5 】，用来降低聚光器对入射光线方向的敏感性、获得更大的聚光倍数、在出 射面上获得空间分布更为均匀的光线。 单独用c p c 作为静态聚光器件的一般是线性静态聚光光伏，太阳电池可采用普通 太阳电池，也可采用双面电池，双面电池的形式更加常见【6 l ，近期的代表有t k m a l l i c k 与p c e a m e s 等研究的立面非对称c p c 应用p 砌d e 组件( p h o t o v o l t a i cf a c a d e so f r e d u c e dc o s t si n c o r p o r a t i n gd e v i c e sw i t ho p t i c a l l yc o n c e n t r a t i n ge l e m e m s ) 【7 j ，如图2 2 所 示，前后研究了两代产品，具有较好的经济性，是一个很好的c p c 应用范例。 6 新型太阳能光伏楔形聚光器的研究 a l ld i n e n s l o n sd r ei nn n 图2 - 1 复合抛物面聚光示意图图2 - 2p r i d e 组件的横截面示意图【7 】 2 1 2 凸面透镜( 透射) 凸面( 主要是椭圆面) 透镜静态聚光形式的示意图如图2 3 所示，在一定入射角范 围内的光线通过透镜的汇聚都将经过接收面。凸面透镜的主要研究单位为日本的东京农 工大学( t o k y oa & tu n i v e r s i t y ) ，其在1 9 9 4 年1 9 9 8 年之间连续发表过多篇关于 此种聚光器的文章【8 1 2 】，其开发的主要形式如图2 - 4 、图2 5 所示。 此类聚光器件结构简单，几何聚光倍数较小，但是通过观察射到接收面的关系角度， 我们认为可以采用二次聚光元件( 比女e i c p c ) 提高静态聚光比；或者当采用较小形状的 图2 4 ( c ) 所示结构，能够制造平板型静态低倍聚光光伏组件；凸形的形状我们也完全 可以用多段直线或别的类似曲线代替，达到差不多的效果。 图2 - 3 凸形椭圆透镜聚光示意图 7 f a ) 嘞c o - m o l d k il e n se o m l x 燃t lo l l o u t l e n s e s 厂、一、厂、一、 i!，j c ) c r o s s 裂姆岫no lt l 他m a l a h 盯啊曲d b n s 图2 4 线形汇聚的凸形透镜示意图【1 3 】 嗽 岫脚 中山大学硕士研究生学位论文 图2 - 5 二维亍 聚的凸形透镜示意圈嗍 2 1 3 凸面菲涅耳透镜( 透射) 菲涅耳透镜虽然与普通透镜的结构差别较大，但是其聚光原理类似，应用场合也基 本类似，完全可以与2 1 2 节的凸形透镜相类比理解凸面的菲涅耳透镜，其形式如图2 - 6 所示，该类菲涅耳透镜在x z 平面内具有一定的接收角范围，n m i dc h e m i s m 等对其有 过比较系统的研究结果1 1 。凸面也可以采用多块水平菲涅耳透镜近似构成，如 图2 - 7 所示即专门为免跟踪透射式太阳聚光器的设计示意图1 1 日。菲涅耳透镜重量较轻， 适用于线聚焦与点聚焦的应用，其主要材料主要有p m m a 与玻璃，完全的凸面结构加工 起来比较麻烦，应用折线性凸面结构比较方便。 图2 - 6 凸形菲涅耳透镜示意囝图2 - 7 线性菲涅耳透镜聚光阵列示意图 新型太阳能光伏楔形聚光器的研宄 2 1 4v 形聚光器( 反射) v 形聚光器又有两种主要的结构形式，如图2 - 8 所示。v 形聚光结构均较为简单，一 般尺寸较大应用商业电池组件作接收面即可，反射镜可以采用玻璃镜等任意能产生镜 面反射的材料，在一些偏远山区可采用穿衣镜即可增加光伏组件的功率输出简单而有 效 。 碗状结构聚光器也可算作此种聚光类型，相当于是图2 _ 8 ( a ) 的旋转结构，陈应天 教授发明的聚光器即此种类型，实物的照片如图2 - 9 所示。 y 一，n 一 l 斟啪 太阳电池 l a ) 图2 - 8 两种v 形槽聚光示意图 图2 - 9 光漏斗的外形图1 1 7 1 中山大学硕士研究生学位论文 2 1 5 楔形聚光器( 反射+ 全反射) 楔形聚光器有些不同的名字，比如棱镜聚光器，基本原理都是利用反射与全反射将 光线汇聚，如图2 1 0 所示。楔形的聚光器结构简单，接收角宽，非常适用于静态低倍 聚光光伏系统，楔形的聚光器应用于太阳能光伏系统最早可以追溯到1 9 7 8 年d r m i l l s 与j e g i u t r o n i c h 在s o l a re n e r g y ) ) 【l8 】杂志上发表的文章。 楔形聚光器在聚光光伏组件上的应用形式多样，如图2 1 1 所示为采用了两种不同 折射率的电解质实现两段楔形聚光的形式，图2 一1 2 所示为楔形聚光镜阵列光伏组件， 反射面可采用平板或者“v ”形折板，图2 1 3 所示为应用了双面太阳电池的楔形聚光光 伏组件，电池位置在平板上，制作比较方便。在两个相关的国际专利【1 9 - 2 0 3 中所述的聚光 元件也均为楔形的结构的应用。 图2 1 0 楔形聚光器聚光示意图 s e c o n d a r yc o n c e n t r a t o r 图2 1 1 楔形聚光器两段聚光示意图【2 1 】 1 0 s o l a re e l i 新型太阳能光伏楔形聚光器的研究 图2 1 2 楔形聚光光伏组件c a ) 、组件横截面c b ) 以及组件单元c c ) 的示意图【2 2 】 图2 1 3 应用双面太阳电池的楔形聚光光伏组件示意郾2 3 】 2 1 6 平板聚光器( ( 漫) 反射+ 全反射) 平板聚光光伏组件的外观为一平板，与普通光伏组件基本一样，应用方便，而且其 聚光思路对于改善普通平板组件的性能具有很好的参考价值，同时其能够方便地吸收普 通太阳电池性能提升的优势。平板聚光的原理主要为漫反射与全反射相结合，如图2 1 4 所示，图中的电解质一般就是玻璃，也有应用有机玻璃的，反射底面可以是全反射的， 也可以是微型的v 形槽结构( 此时更适合作跟踪系统应用) 。 根据太阳电池位置的不同，平板聚光光伏组件主要有两种形式： c1 ) 太阳电池在 位置1 ：太阳电池平放在底板上，结构与普通光伏组件非常类似，但是电池间隙距离 电池宽度较普通组件大，将太阳电池间隙的光线通过反射与全反射重新入射到太阳电池 表面，电池间隙距离、电池宽度、电解质的厚度以及“v ”形牙的大小与形状需要进行 优化设计 2 4 2 5 ；若采用双面太阳电池，则需要在电池下面存在电解质，此时太阳电池 相当于“三明治”结构的中间层，底面整个为反射面【2 6 】；晶体硅电池正面的栅线也可以 中山大学硕士研究生学位论文 作反射面的漫反射或v 形槽设计。己经应用到部分光伏组件中；( 2 ) 太阳电池在位置2 ： 此种聚光光伏组件的示意图如图2 - 1 5 ，太阳电池平面垂直于入射面，此时从正面不易 看到电池，能够满足一些透光性、美观性方面的要求，在应用时需要优化太阳电池的高 度与反射底板的宽度，文献 2 7 1 中比较了四种类似平板聚光结构的性能，如图2 15 6 所 示；双面电池在位置2 非常合适，刚好两面的受光环境完全一样：球形电池一般算是两 个位置情况的综合，既要考虑垂直面也要考虑水平投影【2 8 】。 太阳电浊位 入射光线 漫反射面 太阳电池位王 硪。v 。形槽反射面 图2 - 1 4 平板聚光光伏组件示意图 。咖智 鲨 出光线 图2 1 5 太阳电池竖放的聚光示意图【z ”图2 1 6 四种平板聚光组件的聚光效率比较t 2 7 1 平板静态低倍聚光光伏组件中值得一提的是美国s o l a r i a 公司的产品，应用了正面的 透射聚光以及平板聚光技术( 位置1 ) ，声称与普通平板组件相比用5 0 的太阳电池 可获得9 0 的能量输出产品结构等如图2 - 1 7 所示，其光伏组件s o l a r i a2 3 0 的组件效率 达到1 39 ，与普通平板组件( 约1 4 ) 相当，而电池数量少一半，是平板聚光应用的 典范。 新型太阳能光伏楔形聚光器的研究 ( c ) 图2 1 7s o l a r i a 公司的平板聚光光伏组件：( a ) 组件结构示意图 ( d ) 组件产品外观及参数 ( d ) b ) 生产设备，( c ) 实物展示 2 2 从电池结构入手的低倍聚光形式 所谓的电池结构主要指的是电池的受光面结构，应用同样多的电池材料能获得更多 的能源输出，而且易于与聚光器相结合的电池结构比如球形电池、双面电池，就连电 池栅线经过特别处理( 做v 形表面、刻槽埋栅，或者干脆将电池作到背面) 也都算得上， 其出发点是一致的，只是具体形式不一样。这一节主要介绍球形电池与双面电池两种结 构的应用，对栅线作特别处理基本已经归结到传统电池的高效制作的范畴。 2 2 1 球形太阳电池 球形电池的结构非常奇特，如图2 1 8 所示，各个方向均可以接受太阳辐射，球形 太阳电池于1 9 8 0 s f h 美国德卅i 仪器公司最先制成，目前在日本发展得很好，已经有球形 电池组件销售。 中山大学硕士研究生学位论文 函 图2 1 8 球形太阳电池示意图 日本京都的c l e a nv e n t u r e2 1c o 公司( 以下以c v 2 1 简称) 是世界上首个大规模生 产球形太阳电池的公司，其生产的球形电池聚光组件结构如图2 1 9 n 示 3 0 1 ，球形电池 位于六边形的碗底能够接收经碗的内表面反射的绝大部分光线，结构精巧性能优良。 其组件单元s s c 0 5 1 5 的结构与参数如图2 2 0 所示，其在光伏组件中可以充当晶体硅太 阳电池片的角色，但是相比较有三个优点：不破碎、柔性、用超声波连接单片组件( 串 联不用涂锡带及热焊接) ，大组件有1 3 0 w ( 由1 8 0 块组件单元连接) ，单个系统安装 规模超过3 0 k w p l 3 r i o 根据c v 2 1 宣传的内容，球形电池聚光组件与传统组件具有相同的性能表现和可靠 性，但是其工艺相对于传统电池有以下优点： 溶融硅，使之球形化，生产率高； 没有硅的切削工序、聚光构造，所需原材料用量少( 每w 电池的硅材料使用量 降到1 5 毗下) ，制造工序中能源消耗量少( 低于1 2 ) ，因而制造成本低( 1 ，5 以下) ： 基板采用铝不会破裂，可弯曲，重量轻。 图2 - 1 9c l e a nv e n t u r e2 1c o 的球形太阳电池组件结构及聚光示意田l a a l 嫂 步 门妙 新型太阳能光伏楔形聚光器的研究 0 2 ) “k t t i ( ”j ( 5 5 0 l = 兰= 土 图2 2 0 c l e a nv e