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1 第五章聚光太阳电池 2 目录一 聚光光伏发电的特点二 聚光光伏部件三 聚光光伏系统四 聚光光伏发电前景 什么是聚光光伏 与其他光伏发电技术路线一样 聚光光伏也是通过光电转换材料的光伏效应实现发电 其所使用光电转换材料 可以是晶硅材料 也可以是其他光电材料 这一技术的要点在于 利用光学聚焦装置把太阳光集中到一小片光电材料上 以此节省昂贵的半导体材料 达到同样的阳光利用效率 与一般直觉认识所不同的是 聚光技术仅仅是增大了光的能量密度 并不意味着能量的放大 聚光光伏与一般光伏不太一样的情况 首先 因为光学系统一般只能对直射光或者平行光进行聚焦 尽管太阳光照射到地球时可以认为是平行光 但到达地面的阳光 却有一部分是经过散射 反射或者漫反射到达的 这部分阳光就无法为聚光系统所利用 通常情况下 直射阳光成分占总辐射的85 因不同地区而异 其次 因为要保持聚光系统正对着太阳 跟踪系统就成为聚光光伏必不可少的重要部件 传统上 光伏发电设备不带转动部件一度被认为是光伏发电的一大亮点 但随着跟踪系统技术的进步和成本下降 更最重要的是可靠的增加 因此其他光伏技术带跟踪器的方案也慢慢的被行业接受 5 再者 在使用的光电材料上 早期的聚光光伏仍然使用晶硅材料 但随着其他更高光电转换效率材料的发展和聚光比的提高 III V族砷化镓系列的半导体多结材料慢慢成为聚光光伏使用的主流材料 而晶硅材料在聚光比提高以后无法承受高密度的光照 仅停留在低倍聚光上应用 因此 聚光光伏又分为低倍聚光 LCPV 和高倍聚光 HCPV 一 聚光光伏发电的特点 高效太阳能聚光光伏发电系统的优势相对硅基太阳电池主要体现在高效 低成本 环保三个方面 高效 世界上聚光光伏发电系统模组的转换效率约在20 28 最高的达到了30 是目前其它太阳电池发电技术难以达到的 低成本 规模化电站建设高效太阳能聚光光伏系统模组在2009年有望达到2美元 W以下 约低于硅基太阳电池的20 环保 制造高效聚光太阳电池模组耗费的电能约运行后半年可以收回 且制造环节不产生任何污染 运行20 25年后所有部件可回收再生 光伏电站对环境的影响 太阳光能量密度低 1kW m2影响一 占用土地3kW太阳电池阵列面积20 30m210MW光伏电站占地约30万m2 450亩 影响二 废弃物镉 Cd 铅 Pb 砷 As 8 聚光太阳电池的优越性成本低转换效率高抗辐照能力强聚光太阳电池在深空探测中意义重大重量比功率大探月飞行器火星探测飞行器 不同太阳电池转换效率的增长趋势 聚光光伏发电的电价将率先低于传统电价 光伏发电成本分析 11 Citedfrom NasserH Karam etal SolarEnergyMaterials SolarCells66 2001 453 466 资料来源 FhG ISE 建设环境友好型光伏电站 成本低500倍聚光电池用量500分之一占地面积小高倍聚光10kW机组50m2实际占地4m210MW电站用地30万m2 450亩 实际占地4000m2 6亩 缺点 对阳光要求较高 需要在直射阳光条件好的地区建设电站 聚光光伏系统 特别是高倍聚光系统 不能吸收太阳散射光 太阳直射光稍有偏离电池 就会使得发电量急剧下降 因此往往需要配备高精度太阳跟踪器 聚光太阳电池在工作时温度会升高 因此有时需要配置散热器 由于真正进入实际应用的时间不长 还缺乏统一标准和认证 二 聚光光伏部件 聚光系统 聚光器 聚光元件 光伏转换系统聚光太阳电池组件 散热器系统平衡部分 BOS 太阳自动跟踪系统 控制器及支架等 16 聚光光伏结构 聚光光伏发电系统由太阳能接收器 聚光镜 太阳跟踪机构组成 聚光太阳能接收器包括聚光太阳能电池 旁路二极管和散热系统等 传统的聚光太阳能电池主要组成包括 太阳能电池 聚光器 跟踪系统 18 1聚光太阳电池 用于聚光太阳电池的单体 与普通太阳电池略有不同 因需耐高倍率的太阳辐射 特别是在较高温度下的光电转换性能要得到保证 故在半导体材料选择 电池结构和栅线设计等方面都要进行一些特殊考虑 最理想的制造聚光太阳电池的材料为砷化镓 因为它的禁带宽度和载流子浓度均适合于在强光下工作 其次是单晶硅材料 在电池结构方面 聚光电池的 结构要求较深 普通太阳电池多用平面结构 而聚光太阳电池常采用垂直结构 以减少串联电阻的影响 同时 聚光电池的栅线也较密 典型的聚光电池的栅线约占电池面积的 19 1 让单晶硅承受较高倍聚光虽然砷化镓可以承受1000倍的光强 但是现在砷化镓价格昂贵 并且砷化镓中的砷是剧毒物质 不可能大幅度的降低制造成本 另外在以环保为主题的国际环境下也不可能大量使用 最后只能是单晶硅 但是单晶硅一般只能承受3到5倍的光强 在CPV领域3到5倍的聚光几乎不怎么能降低成本 要想大幅度降低成本必须达到10左右 为了达到10倍的聚光必须用特制的单晶硅 20 2 散热 普通的硅光电池板在夏日中午时温度能到75度以上 普通的硅电池板在两倍太阳光强下时间一长就会起泡 在5倍太阳光强下10分钟就会就会起泡 在10倍太阳光强下5分钟就会起泡 起泡后太阳能电池片就会被氧化 在很短的时间内就会大幅降低效率 另外起泡后由于受热不均匀 常常有电池片炸裂的 这样系统就完全不可用 如果太阳能电池板使用铝或者铜制的散热片进行自然散热 需要大量的散热片 造价特别贵 贵到比硅光片还要贵 如果使用强制风冷 就要使用大量的电能 得不偿失 并且风扇的寿命与可靠性不高 要想达到高可靠性必须有错误检查与冗余设置 这样就会成几倍增加造价 如果在夏天的中午风扇坏了 整个硅光电池板有可能被彻底烧坏 如果使用水冷除了要使用电力外 造价也不便宜 水冷由于管路多 连接点多 还需要水泵 故障点必然多 可靠性还不如风冷 当然水冷的效率要高于风冷 但是在故障率决定一票否决制的太阳能系统中不可用 21 3 反光板 普通的镜子 塑料反光板由于反射层与骨架层 比如玻璃 热胀冷缩系数不一样在室外2 4年反射面就会脱落 在沙漠高温差地方可能几个月就完全不能使用了 并且反光率会慢慢下降 另外国内外也有用高反射率的薄铝板 但是这种铝板不能经受冰雹 并且不能擦洗 如果擦洗会产生永久性损伤 这种铝板使用期限为8年左右 并且反光率逐年降低 8年就基本只有40 的反光率了 远远不能达到太阳能系统要求的25年 铝板有贴保护膜的 但是保护膜造价高 也不防冰雹 不能解决所有问题 另外为了降低成本铝板一般都为0 3毫米左右 这样加工特别困难 加工成本特别高 22 4 跟踪器 光伏电池只有在聚光器的焦点才能工作 因为地球阳每时每刻都在转动 所以必须使用跟踪器才能保证光伏电池处于聚光器的焦点 跟踪器是CPV系统的主要系统之一 没有跟踪器系统就不能运行 跟踪器除了保证系统能运行外还能比不带跟踪的系统平均多30 40 的电 但是跟踪器是机械结构 长年累月的运行会出故障 并且会有磨损 跟踪器如果出现故障系统就不能运行 发不出电 如果有磨损了跟踪精度就会降低 由于CPV系统对跟踪精度是有要求的 如果精度降低整个发电系统就不能正常运行 23 高倍聚光电池具有代表性的是砷化镓 GaAs 太阳电池 1 光电转化率 砷化镓的禁带较硅为宽 使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好 目前 硅电池的理论效率大概为23 而单结的砷化镓电池理论效率达到27 而多结的砷化镓电池理论效率更超过50 2 耐温性 常规上 砷化镓电池的耐温性要好于硅电池 有实验数据表明 砷化镓电池在250 的条件下仍可以正常工作 但是硅电池在200 就已经无法正常运行 3 机械强度和比重 砷化镓较硅质在物理性质上要更脆 这一点使得其加工时比容易碎裂 所以 目前常把其制成薄膜 并使用衬底 常为Ge 锗 来对抗其在这一方面的不利 但是也增加了技术的复杂度 24 砷化镓电池产业发展遇到的问题 第一 是制备费用高居不下 第二 是砷化镓的另一个组分砷有毒 对于环境安全和生产工人自身身体安全都是一个不小的威胁 在没有得到有力技术保证的前提下 一般的企业也不愿往这方面投产 第三 目前的砷化镓电池由于自身物理因素的限制 脆性 一般制成带衬底的薄膜电池 需要构造隧道结和防止形成寄生的p n结 这增加了技术的难度 第四 对于产业化来说 民众认可是很重要的 这些年来 对于砷化镓光伏电池 民众认知度不够 媒介和研究机构的宣传推广工作有些不力 第五 是国家政策 政府政策支持在光伏产业方面比较宏观 目前还没有做到对光伏电池行业进行分类别对待 支持产业发展 在成本竞争不具备优势的情况下 政策支持的不力使砷化镓产业化推进缓慢 25 2聚光器 根据光学原理 聚光器可以分为折射聚光器 反射聚光器 混合聚光器 荧光聚光器 热光伏聚光器和全息聚光器等 其中 折射聚光器和反射聚光器是应用最广泛的两种聚光器 根据聚光形式 聚光器可分为线聚光器和点聚光器 线聚光器通常包括条形透镜 抛物槽或线聚光组合抛物面 聚光倍数通常较低 也有的线聚光器采用二级聚光器设计 可以达刭较高 300 的聚光率 线聚光器采用单轴跟踪器既可满足对太阳跟踪的要求 点聚光器也叫轴向聚光器 在点聚光器中 用以聚光的透镜或反射镜和太阳能电池处于同一条光学轴线上 聚光倍数通常比较高 点聚光器通常采用双轴跟踪器对太阳进行跟踪 26 根据几何聚光率 聚光器可以分为低倍聚光 1 5 10 中倍聚光 10 100 和高倍聚光 100 器 低于10倍的聚光器可以不需跟踪太阳或者对跟踪精度要求相对较低 而且可以在一定程度上利用太阳辐射中的散射光 适用于太阳直射辐射条件不太好的地区 大于10倍的聚光器可以节约90 面积的电池 能更好地降低成本 但是只能利用太阳辐射中约直射光部分 而且聚光倍数越高 对太阳跟踪精度的要求也越高 27 折射聚光器包括菲涅尔透镜和普通透镜 其中菲涅尔透镜是平面化的聚光镜 与普通透镜相比 菲涅尔透镜具有质量轻 成本低 应用结构简单等优点 菲涅尔透镜没有光学元件所定义的焦平面 可以产生远好于传统成像光学的光强度增益 菲涅尔透镜包括弓形和平面形两种 其中弓形菲涅尔透镜具有更好的光学性能 但是加工难度相对较高 折射聚光器的透光效率受到透镜材料 加工工艺 厚度以及太阳照射时间的影响 一般在80 93 之间 另外 使用折射聚光器存在不同程度的色散现象 即波长不同 光的聚焦位置不同 28 反射聚光器包括抛面镜 平板 抛物槽 组合抛物面 cpc 等几种类型 反射材料主要是镀银或镀铝玻璃 或在高分子材料的表面制备高反射率薄膜作为反射面 反射式聚光器不存在色散现象 光斑辐照分布均匀 反射效率可以接近100 但是 太阳能电池要安装在反射面的上方 因此太阳能电池及其固定装置会在反射面上产生投影 进而在太阳能电池表面产生投影 此外 如果反射面受到污损 反射率会急剧下降 从而导致光伏系统的输出下降 29 二十一世纪初聚光器的发展 点聚焦菲涅耳透镜 线聚焦菲涅耳透镜 抛物面槽式 混合式光学器件 抛物面碟式 30 点聚焦菲涅耳透镜 31 32 紧凑型双聚焦菲涅耳透镜模块 其模块壁为玻璃材质 FISE与Ioffe研究院开发 33 线聚焦菲涅耳透镜 34 光伏国际公司30kW公用联网屋顶式线性聚焦系统 聚焦比为10X 加州萨克拉门托的萨克拉门托市政公用区安装 35 太阳系统有限公司聚焦比为500倍的抛物面碟 将要在澳大利亚被用于两个聚光系统 抛物面碟式 36 静态聚光器 新南威尔士大学已开发了一种4倍聚光的静态聚光镜 东京大学一直在研究二维和三维折射式静态聚光镜 二维透镜的聚光率为1 65倍 而三维透镜的聚光率为大约2倍 UPM和ISOFOTON正在开发带双面电池的静态聚光镜 37 混合式光学器件 RXI聚光镜的方案 RXI光学聚光器Heatsink散热片GaAssolarcellGaAs太阳电池 38 UPM 马德里技术大学 设计的RXI微型聚光镜原型 典型的折射聚光是利用菲涅尔透镜 将太阳能电池放置在菲尼尔透镜的焦点上 40 二 聚光太阳电池技术 41 太阳电池空间应用 第一代空间太阳电池 单晶Si转换效率 15 18 第二代空间太阳电池 GaAs GaAs Ge转换效率 18 21 第三代空间太阳电池 GaInP GaAs Ge转换效率 25 29 第四代空间太阳电池 GaInP GaAs Ge聚光 主要太阳电池技术单晶硅太阳电池砷化镓太阳电池多晶硅太阳电池非晶硅太阳电池GaAs InGaP二结太阳电池Ge InGaAs InGaP三结太阳电池a Si Si二结太阳电池CdTe太阳电池CuInGaSe太阳电池染料敏化太阳电池概念太阳电池 卫星上的聚光电池系统 44 ENTECH scurrentspaceconcentratormoduleusesasmallsiliconeFresnellens 8 5cmwide tofocussunlightat8 5Xconcentrationontoradiation cooledtriple junctionphotovoltaiccells 1 0cmwide 45 FourSolarRowArrays 46 Amonix USA 35kWtotal 反射式CPV EfficiencyversusconcentrationfortheGaAs 1 topcellandGaSb 2 bottomcellwithprismaticcover Curve 3 issummarizedefficiencyforthesespacecells AM0 Eff 29 8 100suns Eff 32 33 AM1 5d 50 200suns 51 美国Spectrolab公司效率为40 7 的聚光太阳电池阵列 200倍聚光条件下 40 7 的超高效率 光伏产业的发展前景 52 美国特拉华大学牵头效率为42 8 的聚光太阳电池阵列 42 4 HCPV电池 电能输出稳定 CPV日发电曲线 工业硅的生产 ProspectofCPVS CPS Tracker SolarcellchipMJ Fresnellens Connectionprotection 57 三 聚光太阳电池产业 发展趋势提高转换效率降低制造成本扩大应用领域 58 国外早期聚光太阳电池研究机构美国NREL和Spectrolab Tecstar Entech公司已在航天器上采用聚光太阳电池作为辅助电源特拉华大学等十几所研究机构俄国约菲所德国弗朗霍夫太阳能研究所日本夏普国内早期聚光太阳电池研究机构中国科学院半导体研究所航天集团上海811所中电集团十八所 资料来源 招商证券 海外从事CPV电池的企业 国内研发生产CPV的机构 一 国内研发生产CPV的机构 二 台湾CPV应用发展 台湾是LED重镇 在III V族太阳能电池及CPV系统的发展上也不遗余力 而主力的研发机构为原子能委员会核能研究所 核研所 该机构从2003年开始深入研究GaAs太阳能 到07年底已经取得台湾地区专利仅10项 在高聚光型III V太阳电池领域 台湾目前已逐步发展出多个富成效的团队 核研所为核心 包括上游的全新光电 中有的太聚能源以及下游的华旭环能 台达电与Spectrolab合作开发下游接收器模组 后者为波音公司子公司 全球最大的GaAs太阳能芯片供应商 佰鸿与砷化镓磊晶大厂kopin合作 发展III V族聚光型太阳能晶片 台湾核研所CPV发电系统 64 半导体所研制的第一代聚光太阳电池 S F tg IfF 60mm 1 S 1mm 1 departure1mmshift AccuracyoftrackerBetterthan1 HighEfficiencyConcentratedPhotovoltaicSystem Usefulcomponent Photofunnel lightguider Fresnellens Solarcellchip Photofunnel HighEfficiencyConcentratedPhotovoltaicSystem maxfrom1 to5 HighEfficiencyConcentratedPhotovoltaicSystem Heatsink Unitofconcentratedsolarcell HighEfficiencyConcentratedPhotovoltaicSystem 69 高效聚光光伏发电系统原型样机 光伏产业的发展前景 70 相对输出功率随接收角的变化 光伏产业的发展前景 71 中澳可再生能源研讨会留影 72 目前 太阳能发电已经进入技术成熟 能够大规模推广的阶段 日本已成为世界光伏发电的先导 2003年底总计安装887兆瓦 是年该国光伏组件生产占世界的50 世界前10大厂商有4家在日本 2004年 德国新安装的并网光伏发电系统大约200兆瓦 总销售额超过10亿欧元 就业人数约15000人 四 聚光太阳电池应用 73 世界光伏发电从1998年的154 9兆瓦增加到2003年的742 28兆瓦 年平均增长率为36 8 2004年 全球的光伏组件产量是7年前的10倍 如今 无论是日本 德国 还是美国 意大利 光伏发电都已实现了并网发电 数以千计的办公大楼 实验室和数以万计的居民 在享用着稳定可靠 无污染 无噪音 无任何废料排出的太阳能电力 74 世界电池产量发展概况 MWp 75 中国太阳能的发展历程 1981年建立太阳能光电实验室 20世纪80年代中后期在太阳光伏发电领域已经初具规模 20世纪90年代以来进入快速发展时期 在国际市场快速发展的支撑下 2003 2004年我国太阳电池 组件的生产有了大幅度增长 2003年达到12兆瓦 约占世界的2 2 2004年估计达到35兆瓦 约占世界份额的3 76 尽管在光伏发电技术上我国并不逊色 但该技术和产品在本国的实际利用却让人汗颜 我国生产的太阳电池 组件中 90 以上都出口到了国外 我国自己应用的少得可怜 原因所在 政策不到位 77 德国太阳电池发电鼓励政策 太阳电池发电并入电网企业 居民 安装太阳电池发电系统国家补贴一半太阳能发电输入电网价 0 5欧元 kWh民用电网电价 0 27欧元 kWh太阳电池发电系统从业利润 8 78 Predictedsolarelectricalcapacitiestill2030year 资料来源 招商证券 国