ch8-聚光光伏系统

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。
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。
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。
➢透镜聚焦面光斑应均匀； ➢光透过率高； ➢聚光效率高； ➢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。
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。
成本上无优势聚光光伏系统的成本构成安装费用3逆变器16追踪系统21组件装配11电池芯片22电池装配19透镜8cpv系统成本及效率情况项目2007年水平2009年水平2015年目标建造成本美元wp710wp32wp度电成本美元kwh03kwhna007kwhiiiv族电池成本美元cm21015cm2710cm235cm2系统寿命na20商用系统综合效率1725最高292936实验室电池效率4070416048商用电池效率35373942聚光系统效率7585808590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
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。
1.聚光太阳能接收器
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100～1000 倍 ,称为中 高倍聚光。
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7—9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。
系统寿命 商用系统综合效率 实验室电池效率
商用电池效率 聚光系统效率
CPV系统成本及效率情况
2007年水平
2009年水平
$7 ~ $10/Wp
$3 ~ $5/Wp
> $0.3/kWh
NA
$10 ~ $15/cm2
$7 ~ $10/cm2
5年
NA
17%
25% (最高29%)
40.70%
41.60%
35% ~ 37%
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。
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
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。
39%
75年目标
< $2/Wp < $0.07/kWh $3 ~ $5/cm2
20 年 29%~36%
48% 42% 90%
电池装配 19%
透镜 安装费用
8%
3%
逆变器 16%
电池芯片 22%
追踪系统 21%
组件装配 11%
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.热设计
• 该模块多选择III-V 族元素化合物多结电池； • 该电池能够转换更宽光谱范围内的太阳光，达到更高的光电转
换效率，并且聚光程度越高，电池转换效率越高； • Solar Junction公司示范性生产线上所生产的多结电池样品的转
换率已达到了43.5%。
CPV系统的选址要求
CPV 系统建设地区对太阳光照条件有较高的要求： • 太阳直射时间较长的地区 • 全年太阳辐射强度达到1800 kWh/m² 以上
CPV系统的结构——太阳追踪模块
• CPV 系统对太阳光的入射角度要求极高： • 要求太阳光相对于聚光系统垂直入射； • 聚光倍率越高，CPV 系统对太阳光入射角度的精度要求也越
高； • 确保聚光光斑准确落在光伏电池上，获得最大的光转换效率。
CPV系统的结构——光电转换模块
• 在CPV 系统对光伏电池的转换效率和耐高温性能都有较高的要 求；
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：
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。
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0.5º，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
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。
为降低太阳能电池的电阻，建议采取以下措施： 1.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； 2.使扩散得到的顶层薄层电阻尽可能小； 3.采用细副栅线图案的上电极，以减少横向电流引起的损耗 ； 4.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。
适合区域： • 美国西南部、以西班牙等地中海沿岸国家为代表的欧洲南部、
非洲北部和南部、中东地区以及澳大利亚，我国西北部
聚光光伏系统的优势与缺点
优势：
• 占地面积小 • 耗水量极低 • 极高的规模化潜力
缺点：
• 技术和规模化进度存在不确定性 • 成本上无优势
聚光光伏系统的成本构成
项目
建造成本(美元/Wp) 度电成本(美元/kWh) III-V族电池成本(美元/cm2)
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：
另一种工作原理为折射效应，菲涅尔透镜不仅起聚光作用， 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。
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。