聚光型太阳能电池技术及现状

1、太阳能光电工程学院太阳能电池及其应用课程设计报告书题 目：聚光型太阳能电池技术及现状姓 名：设计成绩：指导教师：摘要本文概述了目前全球能源现状，以及聚光型太阳能电池的市场背景，表 明了太阳能发电的重要性和前景，详细介绍了聚光型太阳能电池的技术、现状以 及与普通太阳能电池的区别，并对普通太阳能电池与聚光型太阳能电池发电所需 发电成本进行比较。详细介绍了塔式、槽式、碟式太阳能发电的原理及优缺点。指出电池冷却技术的必要性和冷却技术。同时指出聚光型太阳能电池发展面临的 困难和解决措施，以及今后的发展方向。通过改造电池制造工艺、提高转换效率、 聚焦技术的应用等手段，可以有效降低光伏发电成本，也是国内外本

2、领域研究的 热点。其中采用聚焦技术是一个有效地方法。对常规太阳能电池进行聚光，使太 阳电池工作在几倍乃至几百倍的光强条件下，一定程度上克服了太阳能量的分散 性，可以提高单位面积太阳电池的输出功率，大大降低光伏发电成本，具有很好 应用前景。关键词：聚光型太阳能电池 技术 措施目 录绪言2聚光型太阳能原理及技术3 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 1.1聚光型太阳能电池的原理3 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 1.2聚光型太阳能电池的关键技术4 HYPERLINK l

3、bookmark33 o Current Document 1.3塔式太阳能发电技术5 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 1.4槽式太阳能发电6 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 1.5碟式太阳能发电7 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 1.6电池的冷却技术7 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 产品的的核心优势10 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document

4、 2.1光电转换效率高10 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 2.2单位面积输出功率高10 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 现状与展望10 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 3.1我国聚光型太阳能电池的现状10 HYPERLINK l bookmark65 o Current Document 3.2展望11 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 参考文献12绪言随着经济的发展，社会的进步，人们对能

5、源提出了越来越高的要求，由于 全球气候变迁、空气污染问题以及资源的日趋短缺之故，传统的燃料能源正在一 天天减少，与此同时全球还有约20亿人得不到正常的能源供应。寻找新能源成 为当前人类的面临的迫切课题。太阳能以其独有的优势成为人们关注的焦点。由 于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛 性、充足性和持久性等优点，太阳能被认为是21世纪最重要的能源。但是目前光伏发电作为社会整体能源结构的组成部分所在占比例尚不足1%，造成这种情况的主要原因是光伏发电成本高。通过改造电池制造工艺、提高 转换效率、聚焦技术的应用等手段，可以有效降低光伏发电成本，也是国内外本 领域研究的热

6、点。其中采用聚焦技术是一个有效地方法。对常规太阳能电池进行聚光，使太阳电池工作在几倍乃至几百倍的光强条件 下，一定程度上克服了太阳能量的分散性，可以提高单位面积太阳电池的输出功 率，大大降低光伏发电成本，具有很好应用前景。聚光型太阳能原理及技术1.1聚光型太阳能电池的原理聚光电池是降低太阳电池利用总成本的一种措施，通过聚光器使较大面积的 阳光聚在一个较小的范围内，形成“焦斑”或“焦带”，并将太阳电池置于“焦 斑”或“焦带”上，以增加光强克服太阳辐射能流密度低的缺陷，从而获得更多 的电能输出。通常聚光器的倍率大于几十，其结构可采用反射式或透镜式。聚光 器的跟踪一般用光电自动跟踪，散热方式可以是气

7、冷或水冷，有的与热水器结合， 既获得电能，又得到热水。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比较特殊。最理想的材料是神化镓，其次是单晶硅 材料。在电池结构方面，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10%，以适应大电流密度需要。适合于聚光用的太阳能电池有两种：单晶硅的背接触电池和神化镓多结电 池，以后者的光转化效率为最高（目前实验室达41%，量产高于35%）。这些

8、电池 过去用于非聚光的航天航空的高端应用。目前为止，国际上生产厂家很少也很低。图1聚光太阳电池的原理1.2聚光型太阳能电池的关键技术聚光太阳能电池是由跟日器、聚光电池组件和聚光器及相关动力和降温装置 构成，采用聚焦的方式将太阳光的光能密度大大提高（400倍以上），可使太阳 能电池转换效率提高，在小面积的单晶硅片上获得大的电流。太阳光的聚焦可采 用费涅尔透镜或抛物面反射镜，太阳能聚光电池的散热采用大面积的散热片自然 冷却，或者是采用循环水冷将热量二次利用。太阳能自动跟踪聚焦式光伏发电系统的关键技术是精确跟踪太阳，其聚光比 越大跟踪精度要求就越高，聚光比为400小时跟踪精度要求小于0.2度。在一般

9、 情况下跟踪精度越高其结构就越复杂，造价就越高，甚至造价高于光伏发电系统 的光电池的总造价。聚光电池及发电系统的广泛应用的成功与否，关键在于技术上实现聚光发电 系统的高跟踪度、可靠性、耐侯性，确保能否在恶劣自然环境下的长期使用。一 般商用太阳电池的光电转换效率为6%15%,在运行的过程中，未被利用的太阳 辐射能除了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（据统计电池组件温度 每降低1K输出电量增加0.2%0.5%）,太阳电池长期在高温下工作还会因迅速老 化而缩短使用寿命。1.3塔式太阳能发电技术塔式太阳能发电主要有大量的

10、跟踪太阳的定向反射镜和装在中央塔上的热 接收器这两大部分组成，成千上万面定日镜将太阳光聚焦到中央接收器上，接收 器将太阳辐射能转换成热能。然后再将热能传递给热力循环工具，驱动热机做工 发电。随着镜场中定日镜的增加，塔式聚光系统的聚光比也随之上升，最高可达 1500，运行温度为1000C1500C。它因其聚光倍数高、能量集中过程简单、 热转化效率高等特点，极适合大规模并网发电，图1为塔式太阳能发电的系统图。从图2中可以看出，他是太阳能发电系统包括：跟踪太阳能的定日镜、接收 器、工质加热器、储能系统以及汽轮机组等部分。收集装置由多面定日镜、跟踪 装置支撑结构等构成。系统通过对收集装置的控制，实现对

11、太阳的最佳跟踪，从 而将太阳的反射光准确聚焦到中央接收器内的吸热器中，使传热介质受热升温， 进入蒸汽发生器产生蒸汽，最终驱动汽轮机组进行发电。此外，为了保证持续供电需要储热装置将高峰时段的热量进行存储以备早晚和阴雨间隙使用。图2塔式太阳能结构示意图1.4槽式太阳能发电槽式太阳能发电采用多个槽型抛物面式聚光器，将太阳光聚集到接收装置的 集热管上，加热工质，产生高温蒸汽后推动汽轮机发电。收集装置的几何特性决 定了槽式太阳能发电的聚光比要低于塔式，通常在10*00之间，运行温度达 400 C。如图3所示，槽式太阳能发电包括聚光集热部分、换热部分、发电储能部分 等。聚光集热是整个槽式发电系统的核心，它

12、由聚光阵列、集热器和跟踪装置组 成。在此部分，集热器大多采用串、并联排列的方式可按南北、东西和极轴3 个方向对太阳光进行一维跟踪。在换热部分，预热器、蒸汽发生器、过热器和再 热器4组件实现了工质加热、换热、产生蒸汽、进行发电的过程。由于槽式发电 系统结构相对紧凑，其收集装置的占地面积比起塔式和碟式来说，相对较小，因而为槽式太阳能发电向产业化发展奠定了基础。蒸汽发生器预热器冷凝器I图3槽式太阳能发电示意图1.5碟式太阳能发电作为目前热发电效率最高的方式，碟式太阳能发电整合多个反射镜组成抛物 面碟形聚光镜，通过对其的旋转，将太阳光聚集到接收器中，经接收器吸热后加 热工质，进一步驱动发电机组发电。旋

13、转抛物面碟形聚光镜的应用使得碟式太阳 能发电的聚光比达到3000以上，这一方面有效地提高了光热转换的效率，但是 另一方面也由于其较高的接受温度，对接收器的材料和工艺提出更高的要求。1.6电池的冷却技术聚光型光伏发电技术采用低成本的反射镜或者透镜可以减少使用部分昂贵 的太阳电池，太阳电池工作在低倍甚至高倍的光强照射下，单位面积的有效输出 功率大幅增加发电成本大幅下降，但是随着单位面积的电池板辐射光强的增加吸 收的热量也增加，电池的温度控制和散热问题也更为突出。空气冷却技术是指在太阳电池背面通过空气自然或强制对流带走热量，可以 达到降温目的。采用自然对流冷却时把铜、铝等高导热材料作为电池背板，并安

14、 装肋片，可以加强自然对流换热。采用强制对流换热，组件背面被制成通风流道， 流道的入口（或同时在出入口）设置风机增强空气流动，但风机的使用会额外消耗 一部分电能。通常，采用空气冷却，换热性能与空气的流速和流道长度高度等有关, 优化这些参数可以达到最佳的换热效果。Araki等实验研究了 500倍日照聚光条 件下单个太阳电池的自然对流冷却问题,研究结果表明，电池与铝板间良好的热 接触是保持电池低温的关键因素。水冷却方式可分为自然循环冷却和强制循环冷却;水冷却系统的设计关键是 保证太阳电池与换热器表面间良好的热传导和电绝缘。典型的水冷却系统由换热 器、水箱、若干连接阀门等部件组成，换热器的结构通常有

15、管板式、流道式和水 箱底座式等。管板式结构是参照传统的平板太阳能集热板发展而来的，能很好解 决工质的渗漏和电池的绝缘;流道式结构则同空气流道散热相似，换热工质与电 池接触面积大换热效果高,但存在工质的渗漏和电池的绝缘等问题;水箱底座式 将太阳电池直接粘接到具有斜面的水箱上，水箱作为工质容器和系统底座。Solar Systems公司报道了一种应用于抛物型聚光式光伏发电系统的水冷却系统，电池 的背面设置了平行的水流窄通道，试验结果表明在340倍的聚光条件下,当水流 量为0.56kg/（m2s）和泵功率为86W时，太阳电池的平均温度为38.52C，电池效 率为24.0%;如果能够充分利用冷却水的热量

16、，系统的综合能量利用率可超过 70%。表1列举了一些研究者关于空气和水在自然对流或强制对流冷却时系统热 阻的比较。表1空气和水在自然对流或强制对流冷却时系统热阻比较拎却占式换也而捌，D1-(kg in - - T L)(m-K顷】）藉日燃*惭厂0.1521.1 X1Q-卒L强讪对怵L0.152。一 3952.6 XL03水臼然循环10.1523.034.3 KL04水目然苗环？0. 1130.3451.3 XLQ3水强羽循环33.60 ：1033.512.3 X1Q4卒气E然H寸疏4-2.0-2.6 XL03水既圳徒沽（籽流）4-2.7 101. FloT&hueEz 归岂论隹句 口. Cov

17、enrryFj 芯验早门；3. Verb ode b的试股值Srfa闻的理晶值 I热管冷却技术是指在聚光型光伏发电系统利用菲涅耳透镜或者抛物面反射 镜来聚光时，由于阳光不能均匀地投射在电池组件表面，将引起电池间的电阻不 均匀导致电池效率降低James和Williams指出，在1000倍日照的聚光条件下照 射度的不均匀将会造成4%以上的效率损失。热管是一种高效传热元件，同时具有 很好的均温性能,非常适用于聚光条件下的电池冷却。采用热管冷却热管的蒸发 端紧贴太阳电池的背面，冷凝段暴露在大气中与周围空气进行自然对流换热，安 装翅片增加散热面积可以提高冷凝段的换热效果。由于冷却元件的温度一般要求 在2

18、0100C内，热管的设计可选择R-11或R-22以及水作为工作液体。采用水 作为工作液体，在温度不超过140C时,热管的散热热流可达到2501000kW/m2。 Akbarzadeh和Wadowski报道了一种带扁平状铜热管蒸发端的热管冷却系统，太 阳电池垂直粘贴扁平的铜热管蒸发端;研究表明:在有太阳的天气情况下,该系统 的聚光率是20倍，采用热管冷却系统后电池的温度上升不会超过46C;不用热管 冷却电池的温度超过84C。微通道冷却技术原理是因为微通道冷却器的体积小，可以直接对毫米甚至微 米级的热源进行冷却;但是冷却器的温度梯度和压力损失较大，因此泵或风机耗 功较大。微通道冷却器水冷却系统的设

19、计关键是保证太阳电池与换热器表面间良 好的热传导和电绝缘。如果能在太阳电池的生产过程中直接在电池背面灼刻微通 道，那么无论从冷却效果还是经济上来说都是一种很好的方法。Vicenza等人采 用这种方案制成了面积为30X30cm2光电池，测试结果表明，工作在120倍的日照 聚光强度下,系统的热阻为0.4cm2 K/W。今后的研究工作重点将是改进微通道的 结构，使用岐管式微通道或相变微通道作为冷却方法等。液体射流冲击冷却技术是指液体射流冲击冷却技术可以获得很低的热阻 （通常只有0.010.1cm2K/W）,目前已广泛用于金属的热处理、内燃机及燃气涡轮 的冷却以及高功率电子设备的温度控制。该技术应当也

20、能应用于太阳电池冷却， 当然，喷嘴应设计成阵列形式。不过在运行中，从一个喷嘴出来的水流往往会影响 到邻近的喷嘴出来的水流，导致射流流体间的干扰增加总体的换热系数下降。射 流冲击阵列的流体流态和换热特性，与喷嘴到冷却表面的距离、喷嘴形状及倾斜 度、普朗特数和雷诺数等有很大关系。Anja.Royne等人在实验研究的基础上提 出了一种用于聚光条件下太阳电池矩阵的射流冲击冷却模型，并对冷却系统的各 项参数进行了优化设计。产品的的核心优势2.1光电转换效率高传统太阳能电池的转换率只有15%左右，而新的这种集中器电池(聚光电池) 利用成本相对较低的反射镜和棱镜将阳光集中到电池上更为昂贵的镓神化合物 部分来

21、提高转换效率。国际上已经试验研制多结太阳能电池技术，以期望获得 37%以上的理论极限。在现有太阳能光电池的发电模式中，多数采用方位固定的大面积的平板式光 电转化模式。通过应用高转化率的聚光光电池，不仅在通常太阳光的辐照下能维 持25%35%的光电转化率，而且能在聚光条件下，如将太阳光聚光300700倍， 将能期望用较少量的聚光电池，获得较大的光伏电能。目前国际上聚光电池的转 换率可以稳定实现30%的转换率。2.2单位面积输出功率高聚光电池在标准光强下输出功率达6W以上，而同等面积的平板式太阳电池 输出功率仅12-14mW，相差几百倍。1厘米见方的神化镓聚光太阳能电池在500倍聚光下等效于7张1

22、2.5厘米见 方的硅光电池。一个直径为3厘米的圆形常规电池，在光强为1kW/m2的辐照下, 输出功率约为70mW。同样面积的聚光电池，在光强为100kW/m2的辐照下，可输 出约7W，通常来讲聚光电池的短路电流基本上与光强成正比例增加现状与展望3.1我国聚光型太阳能电池的现状聚光型神化镓太阳能电池逐渐受到重视,主因台湾在神化镓半导体这一领域 过去已经培养相当多人才，同时近年国内相关LED厂的营运实力颇佳，有足够的 资源投入III-V族太阳能电池领域。在聚光型III-V太阳电池领域，国内目前已逐步发展成几个小Groups,包括 台达电在2007年与Spectral技术合作，开发完成聚光型III-V太阳能电池(CPV) 下游接收器模组.被波音饼购的Spectral生产的神化镓半导体太阳能晶片，市 场率全球市估率接近70%.但是,最近美国政府管制神化镓半导体太阳能晶片出 口，使得国内厂商想要采购相关晶片困难度提高。还有海德威与禧通，两家公司申请了具有微共振腔之太阳能电池美国与 台湾专利，主要原理是企图利用微共振腔,让光束在微共振腔内震荡，使得光可在 微共振腔内被有效吸收及转换成电子。这个概念与目前核研所等发展的高聚光型 III-IV太阳电池有非常明显的区隔，目标市场锁定在可携带型太阳电池.目前 禧通的生