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1、Ch8 聚光光伏发电系统,当今最常用的太阳能电池，比如为家庭和建筑提供辅助电力的太阳能电池，都是独靠太阳的单晶硅太阳能电池。这些太阳能电池只能利用太阳自然产生的光亮度，且其最佳效率限定于一个相对狭窄的光子能量范围中。聚光太阳电池是降低太阳电池利用总成本的一种措施。它通过聚光器而使较大面积的阳光会聚在一个较小的范围内，形成“焦斑”或“焦带”，并将太阳电池置于这种“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。 首先要考虑聚光器的结构、跟踪装置和散热措施。 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。反射式有槽形平面聚光器和抛物面聚光器；透镜式则多

2、选用菲涅耳透镜。聚光器的跟踪一般用光电自动跟踪。散热方式可以是气冷或水冷，有的与热水器结合，既获得电能，又得到热水。,聚光光伏（CPV-concentrated photovoltaic）类型： 透射式 反射式,一.聚光光伏发电系统的组成,聚光光伏发电系统由聚光太阳能接收器、聚光器、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。聚光太阳能电池是将光能转换为电能的器件 ,与普通的太阳能电池相比,聚光太阳能电池接收到的电流密度是普通太阳能电池的几十到几百倍 ,这就需要聚光电池的电阻尽量小 ,以减少功率损耗 ,同时要设计适合采集高电流密度的电池栅线。最理想的制造聚光

3、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。 硅聚光电池价格便宜 ,效率稍低 ,但聚光倍率低 ,一般不超过 300 倍; 砷化镓多结聚光电池价格昂贵 ,效率高 ,聚光倍率通常在 200 倍以上。聚光倍率在 2 100 倍 , 称为低倍聚光; 聚光倍率在1001000 倍 ,称为中高倍聚光。,1.聚光太阳能接收器,和普通太阳能电池一样 ,聚光太阳能电池的峰值功率会随着温度的升高而降低 ,而聚光太阳能电池又是在高光强、大电流下工作 ,一套设计合理的散热系统对提高发电效率 ,延长使用寿命起到十分重要的作用。,散热系统分为主动式冷却和被动式冷却二种。主动

4、式冷却是指用流动的水或其它介质将聚光组件工作时产生的热量带走 ,以达到冷却太阳电池的目的;被动式冷却是指太阳能电池方阵产生的热量通过散热器直接散发到大气中。,主动式冷却可以更好地降低太阳能电池的温度. 但这种方法存在可靠性的问题 ,如果冷却系统出现问题 ,太阳能电池组件可能由于过高的温度而烧毁。被动式冷却有较高的可靠性 ,在聚光倍率小于1000倍的情况下 ,都可以考虑使用被动冷却方式。,2.聚光器,聚光器依光学原理可分为折射聚光器、反射聚光器和荧光聚光器等。在聚光技术中 ,折射透镜主要使用菲涅耳透镜,这种透镜具有质量轻、厚度薄的特点,更适合大面积使用。,透镜聚焦面光斑应均匀； 光透过率高； 聚

5、光效率高； 耐候性好。,3M公司透镜透过率曲线,反射聚光器主要是镜面反光板 ,根据聚光倍数的不同制作成长条状或圆盘状。随着聚光倍数的提高 ,各类新型聚光系统不断推出 ,这类聚光系统通常在聚光器下增加一个二次聚光器 ,以达到使射入电池表面光谱更均匀、减少光损失、缩减聚光器到电池距离等目的。,二次聚光镜如漏斗形状，采用反射效果非常好的金属箔，根据透镜焦距与透镜边长的比例，设计其角度。,金属箔在不同入射角度下的反射曲线,理想的聚光器,聚光比的定义： （1）几何聚光比：采光面积与电池有效面积比； （2）光学聚光比：吸收体上的辐射强度与采光面上的辐射强度的比。,对一个将接受角范围内来自各个方向的光线进行

6、等量会聚的系统而言，二维或者线性聚光器的最大聚光率为：,二维或者线性聚光器的最大聚光率为：,由于太阳本身的大小，直射日光的角度范围约为0.5，这决定了点聚焦型聚光系统可能得到的最大聚光率为45000。,第一个被认为性能与理想极限值相当的聚光器是非成像复合式抛物面聚光器（CPC），它由两个抛物面反射器构成。,不同吸收体的反射面,可见：反光面的形状取决于吸收体的形状,理想聚光器的光学和几何特性,1：反光面的形状取决于吸收体的形状； 2：反光面在靠近采光面处的斜率为90度； 3：反光面与吸收体相接触； 4: 在接收角范围内的入射光，反射后全部到达吸收面； 5：吸收面上的光强度分布不均匀，且分布与入射

7、角有关。,固定式和定期调整式聚光器,对固定式聚光器和每天或季节性调整方向的聚光器，显然希望得到尽可能大的接受角以提高聚光效果。举例而言，考虑纵轴呈东西向的槽式聚光器。由于太阳高度的变化，太阳射线的方向会发生根大的改变。如果把聚光器设计成可以周期性调整倾斜度的，则可能获得较高的聚光率。,美国阿贡(Argonne)国家实验室在1976年制造了小型的CPC光伏组件。一组组件采用抛物面反射器；第二组组件是利用在一个CPC形状的固体压克力块中的全内反射。两者都需要季节性调整，以得到79的聚光率。,固定式聚光器达到的聚光率是相当低的(远低于3)，而定期调节可使聚光率增大到12左右。采用纯固定式聚光器，尽管

8、不必借助于复杂的外部设备，但所得到的聚光水平似乎十分勉强。然而，它们存在一个优点，尤其是对非对称聚光器而言，就是可以用来提高大阳能系统的冬季输山，使冬夏季输出相对平衡。对独立型系统来说，这样一个聚光器不仅能够减少所需的电池面积，而且能够减少所需储能装置的数量和减少储能装置周期泄放的困难。 低聚光率系统(5)的个优点是能够利用大量生产的非聚光用电池，获得双重经济效果。聚光率较高的系统则需要改变电池设计。,荧光式(Luminescent)聚光器是无跟踪聚光器的一种新形式。其结构如图所示，在一个玻璃或塑料薄板中掺入一种荧光物质，将太阳能电池安装在平板的一个侧面上，其他三个侧面都做成反射面。入射的阳光

9、被添加剂吸收，然后以一窄波长范围的荧光形式放射出来。大部分的放射光，或由于全内反射，或由于侧面反射而被限制在平板内，直到它们到达太阳能电池上为止。这种系统可达到的聚光率不受前面所述的极限约束。各个角度的入射光都可接受，最大聚光率受到放射光在平板中的吸收等实际因素的限制。,跟踪式聚光器,聚光光伏系统的主流还是聚光率在20以上并能跟踪太阳的系统。这种系统已经有几种不同的设计方式。,第一种方法利用抛物面槽(主反射面)将阳光会聚到次级聚光器上，然后再会聚到太阳能电池，总几何聚光率为25。此设计放宽了对主聚光器的精度要求，在电池上安装有散热器，以确保电池的被动冷却。,另一种工作原理为折射效应，菲涅尔透镜

10、不仅起聚光作用，而且也为电池提供了外罩。图中的系统采用四路透镜将阳光会聚到安装在散热器上的电池上。在这种系统中，散热片面积可以做得和系统口径面积一样大，这样即使在聚光率高达40的情况下，也能保证电池得到合理冷却。,聚光电池的设计,在温度恒定的情况下，电池的理想效率随聚光率的增加而提高，这是因为短路电流随光强呈线性增加，开路电压随光强呈对数增加，而填充因子随开路电压增加而上升。实现上述效率提升所遇到的主要困难在于：在高电流密度下，串联电阻损耗的影响变得更加重要。,为降低太阳能电池的电阻，建议采取以下措施： 为降低体电阻和接触电阻损耗，采用具有背表面场的低阻衬底； 使扩散得到的顶层薄层电阻尽可能小

11、； 采用细副栅线图案的上电极，以减少横向电流引起的损耗； 采用厚的金属接触层，以减少在副栅线和主栅线上的电阻损耗。,以上措施在现代聚光电池生产中部被采用了。这些电池采用较低电阻率的衬底。扩散层的薄层电阻也适当降低，但是，太低的簿层电阻值会导致电池性能降低。制备上电极的每种工艺都面临一个电极的栅线究竟能做到多细的问题。这一极限还取决于所需要的上电极金属厚度。根据经验，栅线的厚度只能做到其宽度的一半左有。一般做法是使用真空蒸镀法沉积电极金属，再用光刻法加工成所需图形，然后电镀银，使栅线尽可能加厚。,3.太阳跟踪器,由于聚光光伏组件直射光才能发电 ,因此必须安装在太阳跟踪机构上。通常来说 ,点聚焦的

12、聚光组件需要二维跟踪机构 ,线聚焦组件只需要一维跟踪机构。目前跟踪太阳的方法主要有以下几种:,(1) 利用四象限光敏传感器判断太阳的位置。这种跟踪方式精度很高 ,并且能自我修正 ,使用最为广泛。 (2) 根据跟踪机构所在地的经纬度计算太阳的位置。这种技术也可配合 GPS 全球定位来获得更精确的位置信息。 (3) 根据预置的太阳位置数据库或移动轨迹来跟踪太阳。这种跟踪方式比较刻板,换个地点就要更新数据库 ,跟踪精度也比较低。 (4) 对电池阵的输出功率进行监测 ,使电池阵的输出功率保持最大。,组件设计技术,与晶硅或薄膜组件相比，高倍聚光光伏组件结构更为复杂。在设计过程中需要考虑以下几点： 1.热

13、设计 高倍聚光使得太阳电池本身温度很高，因此如何降低太阳电池的工作温度是非常重要的。 2.聚光均匀性 采用特别的透镜设计及二次聚光乃至三次聚光是获得均匀光斑的关键。 3.结构稳定性及密封性 聚光光伏组件为具有一定高度结构的组件，这一点不同于一般的晶硅或薄膜光伏组件。并要求聚光光斑要准确地落在电池的有效面积上，如何获得支撑稳定的结构就显得非常重要。组件必须是密封的，不透水，同时还必须能够呼吸，在热胀冷缩过程中不变形。 4.环境适应性 使用的所有材料耐候性要好，寿命长。,其基本组成包括： 高效聚光三结砷化镓太阳电池； 热沉及散热部件； 聚光透镜； 二次聚光镜； 连接电缆； 接线盒； 支撑结构； 其

14、它附件。,组件支撑结构,支撑结构就像人体的骨架，必须是稳定的且有耐久性。 采用的材料耐候性要好，热胀系数与透镜等材料相匹配。 结构加工尺寸应严格 控制在误差范围内。 质量轻。,组件制造技术,太阳电池一般采用MOCVD设备制作功能层。然后采用真空蒸镀的方法制作上下电极及减反射膜。菲涅耳透镜采用模具进行加工。 电池与热沉的焊接一般采用真空焊接方式。根据电池电极形式的不同，上电极可采用金带焊接，也可以采用银箔焊接方式。 支撑结构可以采用机械加工方式，也可以采用其它方式。,超高效率系统,聚光型系统光伏元件的能量转换效率是决定系统成本的关键参数。它决定了给定输出条件下的系统口径面积。接下来将探讨几个可得

15、到超高能量转换率的概念。这种达到超高效率的能力是聚光型系统的一个特点，它使得聚光型系统完全区别于平板式组件。,多带隙电池,太阳能电弛材料的最佳禁带宽度必须折中选择，即所选的禁带宽度不能大宽，以免太多光子因其能量不足以产生电子-空穴对而被损失掉，但也不能太窄，以免因所产生的电子-空穴对能量远超过禁带宽度而造成光子能量的过多浪费。 如果阳光中的低能量光子照射到由窄禁带半导体制造的电池上(在这种电池中，低能光子被利用)，而高能光子照射到宽禁带电池上，则可以得到一种更加有效的系统。,将光照射到禁带宽度合适的电池上的两个设计方案。第一种方案称为“光谱分离”，使用光谱感光镜将光投射到适当的电池上。第二种方

16、案称“层叠型电池”，利用一系列层叠在一起的电池，宽禁带材料电池位于最上层，低能量光子将穿过上面的电池，直至到达一个其禁带宽度窄到可以利用这个光子的电池为止。因为这两种技术较传统单结电池复杂得多，所以多带隙电池设计方案最适用于高聚光率的系统。,采用这种多带隙电池设计方案所能获得的最大效率取决于所使用的不同禁带宽度的电池数量。多带隙电池系统与单电池系统相比，理想极限效率提高一倍。实际上，这样的系统会比单电池系统产生更多不可避免的光学损失，考虑到这些损失，效率将降低到如图中所示的较保守数值，即多电池系统的总效率将减小至20一50。,在多带隙电池系统中，不同禁带宽度电池的电压输出不同，其电流输出一般也

17、不同。可以对每一种电池设置独立的电路，但增加了复杂性。另一种方法是将电池串联，但是串联电池组的电流输出等于其中最差电池的电流。为保持多电池结构的效率，需要将不同类型的电池设计成具有相同的短路电流。因此，选择适当的电池禁带宽度被认为是获得最大效率的项基本前提。在这方面，一个有趣的想法是在同一衬底上构建出互相串联的“层叠”电池。,对串联的多带隙电池来说，一个重要的问题是，当电池在正常条件下工作时，阳光的光谱成分是否有大的变化。这种变化使电池电流输出的相对值发生变化，因而对系统的效率有明显的影响。,热光伏转换,在太阳能电池中的一项重要损失是由于具有远超禁带宽度能量的光于只能产生一个电子-空穴对。因而

18、，这种高能光子对电池输出的贡献与一个能量低得多的光子是一样的。 如果用一个温度较低(2000)的黑体照射太阳能电池，则结果修改为图b中的情况。在能量超过禁带宽度的光子中有较多的能量可被利用。事实上，电池的效率将会降低，因为能量越过禁带宽度的光子数目相对减少了。但是，如果大部分无效光子能够辐射回黑体并被黑体吸收以保持黑体的温度，那么情况就不同了。这些光子不再是无用的了，它们提供以保持黑体温度所需的部分能量。,在热光伏太阳能转换中，太阳把一个辐射器加热到高温，然后辐射器再发出辐射到太阳能电池上。电池不能利用的长波辐射重新辐射间辐射器。热光伏转换器的主要部件如图所示。电池的背面做成高反射率的表面，以

19、便通过电池的长波辐射能够被反射回辐射器。虽然这种设计的理论效率上限非常高，但因涉及许多制作过程，其实验效率就会略为降低。,1 .美国 Spectrolab 公司多年来一直保持着 III-V族多结电池转换效率的最高纪录, 2007 年其研制的异质结 GaInP/GaInAs/Ge 三结电池在240倍聚光率下测得40.7 %的效率。图2为240 倍聚光和非聚光状态下, Spectrolab 公司研制的异质结、同质结三结电池的 I-V 曲线。2008 年在采用了一种新的光学结构后,效率进一步提升到了42.7%。,Emcore 公司是全球化合物半导体器件和光纤的主要供应商 ,其高效 GaAs 半导体电

20、池主要应用于卫星和聚光光伏发电系统, Emcore 公司已成为全球最大的多结GaAs 聚光太阳电池供货商,聚光电池订单已超过2.8亿美元。生产的三结(InGaP /InGaAs/Ge) 聚光电池最高效率达到 39 %,目前已具备年产 50 MW 三结 GaA s 聚光电池的能力。,Amonix 公司是美国一家专门研究、开发和生产集成高效率聚光硅太阳能电池发电系统(以下简称 IHCPV 系统) 的公司,该系统采用菲涅耳透镜聚光 250 倍,使 10 mm2 点接触背栅硅太阳能电池的光电转换效率高达 25 %27 % ,居世界领先水平。成功地建造了输出功率高达 5 kWp的聚光硅太阳能电池组件单元

21、和单机功率为 25kWp 的集成光伏发电系统单元。经美国阿里桑那州电力公司( APS) 长达12a的野外运行和严格的测试,Amonix 公司生产的新一代的聚光发电系统,性能比较稳定。在组件的设计中, 丙烯酸塑料透镜的聚光倍数为 250 倍 ,其焦点上安装高性能的硅太阳 能电池 ,24 块透镜和 24 片太阳能 电池封装成一个“扁盒”,而 48 个 “扁盒”组成“Mega”聚光太阳能 电池组件功率约为 5.6 kWp。在功 率相同的情况下,聚光太阳电池组件 所需的硅材料只有平板太阳能电池组件的1/250 。,2. 德国,弗朗霍夫太阳能研究所与德国 RWE 公司合作开发多结GaAs太阳能电池。以

22、Ge 作为底电池 ,生长晶格失配的双结电池( Ga0.35In0.65P/ Ga0.83In0.17As)。这种异质结的三结电池与AM1.5的光谱匹配得很好。根据光谱响应计算得到的顶、中、底电池的电流密度分别为13.8、13.4、13.7 mA/cm2。这种电池在400600倍聚光下的光电转换效率最高达到了35.2%(AM1.5)。2006 年弗朗霍夫太阳能研究所成立了一家名为 Concent rix 的公司,推广Flatcon聚光组件。Flatcon 聚光组件使用的聚光镜是在超白玻璃上复合一层硅胶,在硅胶上压制螺纹制成菲涅耳透镜。这种透镜具有机械强度高、抗腐蚀、耐老化等特点,并且光学效率大于

23、85 %。Flatcon 聚光组件采用“全玻璃”结构,如图所示该组件除了透镜是超白玻璃外,整个框架和底板也都使用玻璃材料,散热方式主要靠电池下的铜片作为热沉的被动散热方式。,该组件使用效率 35 % (500 倍,AM1.5)的三结GaAs聚光电池, 在户外实测的组件效率为23.9%,修正到标准状态的效率为26.14%。主要的损耗是透镜的光学效率和聚光后光谱与电池的匹配不佳造成的。,3.日本夏普公司 夏普公司与日本大岛钢铁自2001起合作开发聚光电池组件。由夏普公司研制的三结 GaAs聚光电池效率达到了39.2 %(200倍聚光)和38.9%(400倍聚光)。组件方面开发了400 倍和550倍

24、两种聚光倍数的组件,组件采用小圆顶式的菲涅耳透镜,透镜材料为有机玻璃,如图所示。在标准状下,400 倍聚光组件效率为 27.6%,550倍聚光组件效率为 31.5%。,4.西班牙 ISOFOTON 公司 Isofoton太阳能公司是西班牙著名的太阳能电池及组件制造商,是欧洲排名第一、世界排名第七的光伏生产企业。Isofoton 公司的聚光组件使用了独特的TIR2R(Total Internal Reflection 2 Reflection) 二次聚光系统。这种光学系统的优点是: (1) 具有很大的接收角度,即便阳光倾斜 5 度射入 ,通过两个透镜的折射后光线仍能照射到电池上。 (2) 能保证

25、极高的聚光倍数(大于1000倍)。 (3) 组件的深度极大的减小,仅18mm。 但是,这种形式的组件也存在着光学效率低(仅71%),散热不佳,装配困难等一系列问题。,5.澳大利亚 Green and Gold Energy 公司 澳大利亚 Green and Gold Energy 公司(以下简称 GGE) 开发的 SunCube 聚光组件,采用平板菲涅耳透镜和三结 GaAs 聚光电池,聚光倍数高达1000倍。组件的外框和底板全部为铝合金材料,既便于散热,又有很好的结构强度。目前GGE公司正在印度建造一座年产100MW SunCube 组件的工厂,预计 23 个月后可以开始运行。,6.韩国 ES System 公司 韩国 ES System 公司一直从事太阳跟踪机构的开发 ,直到最近才推出其 SunRyder 聚光组件, 由于组件技术是与澳大利亚GGE公司合作 ,因此很明显能看到 SunCube 的2008年5月ES System 公司宣布从美国Emcore 公司购买 2800 万美元的 GaAs 聚光电池,拟在韩国建设一个 70 MW 的太阳能