聚光光伏电池及系统的研究现状

聚光电池的光伏系统发电效率将有望达到３３％，光 伏系统的售价将会下降到１．００￥／ＷｐＨＪ。本文主要
介绍了近几年国内外从事聚光光伏技术研究的公司 和机构及其研究成果以及聚光光伏技术存在的问 题，并综述了聚光太阳电池的最新研究进展。
ｌ聚光光伏系统
聚光光伏发电技术的研究起始于２０世纪７０年
收稿目期：２００８．１２．１２
９｜。
ＧａＡｓ电池是发展较快的聚光电池，其禁带宽度
为１．４ｅＶ，是一种带隙对光伏能量转换来说接近理想
的半导体材料。２００５年ＮＲＥＬ（Ｎａｔｉｏｎａｌ
Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ
西安交通大学的肖遵林等汹１提出了一种低倍 聚光的抛物面槽式聚光光伏发电方式。合肥工业大 学聚光型太阳能光伏系统的研究采用９个平面镜构 成抛物面聚光器，太阳电池接收光源达到额定光强 的约５ｘ，在太阳电池标准配置下很大地提高了光伏 系统的输出功率怛１ｊ。 天津大学的王一平等池３设计开发了一套７２矗 条形平面镜聚光系统，聚光倍数为２０Ｘ，预测发电成 本低于１￥／ｋＷｈ。该聚光系统可应用到大规模发电 项目，如果在城镇内应用，还可实现电热联用。 台湾的核能研究所（ＩＮＥＲ—Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
Ｏ
引
言
代的石油危机，随着技术的日趋进步，近几年取得了 较大发展，目前全球已开展了很多研究项目，并建成 了许多示范工程。 １．１国外 １．１．１澳洲 澳大利亚的Ｓｏｌａｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ公司主要致力于５００Ｘ 的碟式聚光光伏发电系统（ＣＳ５００）的研发，采用的是 高效聚光硅太阳电池，是反射式ＣＰＶ技术的主要开 发者之一［５］。该公司分别在Ｕｍｕｗａ、Ｈｅｒｍａｎｎｓｂｕｒｇ、 Ｙｕｅｎｄｕｍｕ和Ｌａｊａｍａｎｕ使用了４０个ＣＳ５００单元，建成 了功率近ｌＭＷ的碟式发电系统。近期该公司计划 投资４．２０亿美元建造１５４ＭＷ超大规模的ＣＰＶ系 统，该系统利用传统热发电系统中的定日镜实现光 线的汇集，采用Ｓｐｅｃｔｒｏｌａｂ的高效多结砷化镓（ＧａＡｓ） 太阳电池，实现聚光光伏系统的经济性。 澳大利亚国立大学ＡＮＵ（Ａｕｓｔｒａｌｉａｎ
第３２卷第３期
２０１１年３月
太阳能学报
ＡｃｌＡ ＥＮＥＲＧＬＡＥ ＳＯＩＡＲＩｓ ＳＩＮＩＣＡ
、ｋ１．３２．Ｎｏ．３ Ｍａｒ．，２０１１
聚光光伏电池及系统的研究现状
王一平１’２，李文波１，朱 丽２，韩新月１，方振雷１
（１．天津大学化工学院，天津３０００７２；２．天津大学建筑学院，天津３０００７２）
摘要：首先总结了国内外在聚光光伏发电方面的权威研究机构及公司情况，介绍了目前聚光光伏发电技术及系 统的最新研究进展情况及存在的技术难点；其次综述了近几年国内外在聚光太阳电池方面的最新研究进展，并介 绍了聚光光伏中的冷却问题；最后对聚光光伏发电技术的发展前景进行了展望。 关键词：聚光光伏系统；硅聚光电池；多结聚光电池；ＣＰＶ冷却 中图分类号：ＴＭ９１４．４ 文献标识码：Ａ
ｖｅｒｓｉｔｙ）从１９９５年开始对槽式聚光光伏系统进行研
究，也建成了数个聚光光伏项目。第一个商业化的
规模化示范项目是一个３００ｍ２的单轴跟踪的ＣＨＡＰＳ 系统，为ＡＮＵ的一栋住宿楼Ｂｒｕｃｅ ｈａｌｌ提供电和热 水。Ｂｒｕｃｅ ｈａｌｌ系统由８个长为２４ｍ的槽式聚光镜组 成。聚光镜、接收器及太阳电池的宽度分别为１．５５、 ０．０８和０．０４ｍ。除去接收器的阴影面积几何聚光比 为３７Ｘ［刮。 １．１．２欧美 美国的Ａｍｏｎｉｘ公司是一家专门研究、开发和生
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｏ
ｄｅ Ｅｎｅｒｇｉａ
Ｓｏｌａｒ）已接受财政支持，用于建设
一个２．７ＭＷ的聚光型光伏电池示范项目［１４Ｉ。 西班牙的Ｍａｒｔｉｎ和Ｒｕｉｚ对Ｖ型槽式聚光器的光 学性能进行了分析，研究表明光学损失取决于槽腔 的角度，镜子反色号光谱和角度反射和表面污垢。 最后有效聚光比和相对成本应考虑所有这些分析因 素。这将有助于在每种情况下寻求最有效的解决方 案‘１别。
Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｏｌａｒ
ｓｖｓｔｅＩ璐），其系统运行效率高达２６．８％［１１｜。德
并网电站及关键设备研制”课题。高倍兆瓦级聚光
型（ＣＰＶ）并网电站项目包括建设一座发电功率为 ＩＯＭＷ的太阳能示范电站和聚光器、聚光电池、太阳 跟踪系统等关键设备的研制，占地１０４ｋ矗，总投资 ６０００万元，将于２００９年年底完成，建成后将成为全 国最大的聚光光伏（ＣＰＶ）太阳能电站。２００７年１２ 月底，这个由科技部与四川省合作共建的国家“十一 五”、“８６３”计划重点科技攻关项目一期工程主体在 西昌顺利建成【１７ｌ。 由内蒙古伊泰集团与中科院理论物理研究所陈 应天合作建设而成的内蒙古伊泰聚光光伏电站，成 为国家发改委首家核准的全国最大规模的太阳能光 伏示范电站。该项目由伊泰集团投资２１００万元建 设。２００６年１０月份开工建设，现已圆满完成。采用 数倍聚光光伏发电系统，总装机容量２０５ｋＷ，安装了 ２００ｋＷ太阳能聚光光伏电池和５ｋＷ常规平板太阳 能光伏电池，进行太阳能聚光光伏发电和常规平板 太阳能光伏发电的对比试验。其年发电量不小于 ５９．８６万ｋＷｈ【墙Ｊ。 张耀明太阳能项目科研启动基金研制了一种自
ｏｆ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｅｎ．
Ｒｅｓｅａｒｃｈ）于２００７年建成了一套１００ｋＷ的ＨＣＰＶ
系统。该系统在几何聚光比为４７６Ｘ，８５０Ｗ／ｍ２辐照 度下，冷却方式为被动式冷却，其最大模块效率约为 ２６．１％。系统包括１４套５ｋＷ立柱系统和２ｌ套 １．５ｋＷ屋顶系统。每个５ｋＷ立柱系统和１．５ｋＷ屋
顶系统又各自包括４０个模块和１２个模块。每一个
基金项目：亚太清洁发展与气候变化合作计划ＡＰＰ项目；国际科技合作项目（２００９ＤＦＡ６２５７０） 通讯作者：朱丽（１９ｒ７８一），女，副教授、博士，主要从事太阳能利用技术和太阳能建筑一体化方面的研究。ｚｌｙ－ｔｊ＠１６３．００ｍ
万方数据
４３４
太
阳
能
学
报
３２卷
产集成高效率聚光硅太阳电池（ｍｃＰ、ｒ）发电系统的 公司，是透射式ＣＰＶ技术的主要开发者之一【７］。主 要利用价格低廉的塑料透镜，将阳光聚焦２５０Ｘ后照 射到很小面积的太阳电池上发电。内华达州立大学 太阳能试验场装有一套Ａｍｏｎｉｘ公司最新一代 ２５ｋＷｐ的ＨＣＰＶ系统，与前几代产品相比，该系统不
１．２
国
内
国内聚光光伏发展相对国外较晚，但随着世界 能源短缺及国内外光伏发电的迅速发展，国内聚光 光伏发电已成为研究热点和国家支持重点。 ２００６年成都钟顺科技发展有限公司承担了国家 高技术研究发展计划（８６３计划）先进能源领域重点 项目“ＭＷ级并网光伏电站”中“ＭＷ级聚光型（ＣＰＶ）
ＩＳＥ（‰Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ
国的ＳｏｌＦｏｃｕｓ电池板是由主级镜和次级镜、非成像 光学元件和三结太阳电池组成的发电单元。主级镜
和次级镜把太阳能聚集５００Ｘ于光学棒上，再把光引
导至高效率的太阳电池上，该电池效率比一般的硅 电池效率高２ｘ以上。ＳｏｌＦｏｃｕｓ于２００８年与西班牙 聚能光伏系统研究院（ＩｓＦｏＣ）合作，将在Ｃａｓｔｉｌｌａ－Ｌａ． Ｍａｎｃｈａ建设ＩＳＦＯＣ的３ＭＷ项目中第一次安装ＣＰＶ 阵列。 意大利Ｆｅｒｍｒａ大学的碟式ＣＰＶ系统是欧盟Ⅲ． ＥＯＣＯＮＴＥ的一部分，该系统包括１３０个平面镜组成 碟式聚光器，聚光比为１１５Ｘ，采用聚光硅太阳电 池ｎ引。２００８年夏天３．９ｋＷ和４．８ｋＷ的Ｒｏｎｄｉｎ系统 分别在意大利的Ｆｅｒｒａｒａ附近和Ｃａｔａｎｉａ附近安装，该 系统采用一种新的Ｒｏｎｄｉｎｅ聚光器，该聚光器是一种 非成像聚光器，具有较大的接受角，聚光模块是在中 倍聚光进行（２５ｘ），并采用硅太阳电池［１引。
模块是由４０个Ｓｐｅｃｔｒｏｌａｂ公司生产的转换效率为 ３５％太阳电池组成旧Ｊ。
ｅｒｇｙ
Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）的三结太阳电池效率达到３７．９％
（１０Ｘ）汹］。２００５年Ｓｐｅｃｔｒｏｌａｂ公司的多结砷化镓太 阳电池效率达到３９％（２３６Ｘ）啪Ｊ。２００６年其多结太 阳电池效率达到４０．７％【３１Ｉ。目前出售的地面用ＣＰＶ
电池为Ｃｌ砌型，并正在开发Ｃ２ＭＪ型。Ｃｌ砌型在
２５０Ｃ，５００Ｘ下效率为３７．５％。ＮＲＥＬ于２００８年１０月 １日宣布开发出光电转换效率为４０．８％的太阳电 池［笠］。ＥＭＣＯＲＥ公司生产的聚光产品主要有ＣｒＪ太 阳电池（在聚光下效率可达到３９％）和ＣＴＪ组件（在 聚光下效率可达到３５％）。德国ＡＺＵＲＳｐａｃｅ公司生 产的ＧａＡｓ电池既可用于空间又可用于地面聚光系 统，电池可用于的聚光比高达１０００Ｘ。２００８年９月 其多结电池效率达到３９．７％，聚光比为３００Ｘ，创下 新的欧洲纪录。日本Ｓｈａｒｐ公司也在开发砷Fra Baidu bibliotek镓多 结聚光电池，其效率大于３７％，已在欧洲等地的ＣＰＶ 系统使用。 Ｓａｒａｈ等㈨比较了单结和多结太阳电池的理论 和实验的效率，给出了特定带隙组合下的理论效率 极限，指出目前最高效率为４０％的三结电池的理论 效率大于６０％。Ｏｌｉｖａ等阻］介绍了砷化镓电池转换 效率与提高在高功率密度的发展。靠使用金属电极 网格设计和优化的增透膜单色和不均匀激光额外的 提高性能。光照为３６．５Ｗ／ｃＭ下，最大单色（８１０ｎｍ） 的光电力转换效率５４．９％。 国内近年研究聚光太阳电池的机构和单位也在 逐渐增多，并取得一定进展。成都奥鑫科技有限公 司主要从事ＣＰＶ技术，目前销售聚光硅电池和多结 电池，但是效率较低。另外，中电电气南京光伏有限 公司、天津电源研究所等单位也在进行聚光太阳电 池的研制，但距离国际水平还有较大差距。
论在外观上还是在性能上都有较大提高。该系统是
美国能源部立项，对Ａｍｏｎｉｘ公司ＨＣＰＶ系统进行测 试的装置，测试期限为１ａ，运行十分稳定，最高输出 达２６ｋＷ，超过设计值，同时系统能经受时速达 ５６ｋｎｄｈ的大风。Ａｒｉｚｏｎａ电力公司目前在Ａｒｉｚｏｎａ安 装了６套２５ｋＷｐ的系统，平均上网功率达１８ｋＷｐ。 Ａｍｏｎｉｘ已于２００４年同北京先腾科技有限公司携手 开发中国市场旧Ｊ。 欧洲各国对聚光光伏的研究也一直处于世界前 沿，并建成了很多示范项目。德国的ＦＬＡＴＣＯＮ．型 ＣＰＶ系统使用的是ＦＬＡＴＣＯＮ．型组件技术，文献［９］ 对这项技术进行了详细描述。由于使用的ⅡＩ—Ｖ双 结聚光电池有较高的转化效率和经济性（１ ０｜，２００５年 ２月，Ｃｏｎｃｅｎｔｒｉｘ ｓｏｌａｒ公司将ＦＬＡＴＣＯＮ型技术进行商 业化。第一个完全并网的ＦＬＡＴＣＯＮ ＣＰＶ系统被安 装在Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ
Ｅｎｅｒｇｙ
１．１．３其它
以色列Ｂｅｎ．Ｇｕｒｉｏｎ大学的碟式ＣＰＶ系统中的碟 式聚光器面积达４０（Ｏ＇１２、焦距接近１３ｍ，在２００６年利 用此碟式系统对ＧａＡｓ密排电池组件进行了户外测
试。Ｆａｉｍａｎ教授［１５］认为基于此抛物碟的ＣＰＶ系统，
发电投资成本约１￥／Ｗｐ，所发电的价格低于每度１０ 美分。
西班牙的Ｉｓｏ嗍Ｎ公司从２００１年开始进军
ＣＰＶ产业，它是西班牙最大且最具代表性的光伏电 池生产厂家。另外西班牙一所新的研发机构ＩＥＳ
万方数据
３期
ＹＥ－－平等：聚光光伏电池及系统的研究现状
４３５
动跟踪太阳的蝶式光伏发电聚光器。该聚光器的外 形像蝴蝶，聚光倍数可达到２～１２Ｘ，平面镜的利用 率高达８５％以上ｕ
Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉ．
太阳能光伏发电作为太阳能利用中最具发展前 景的技术已被广泛应用，然而光伏发电成本太高使 其在整个能源结构中所占比例很低。如何降低光伏 发电成本成为各国竞相研究的重要课题。其中，聚 光光伏ＣＰＶ（Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ）发电技术具有 降低光伏发电成本的潜力，从而引起极大关注，近期 已成为研究热点，并建立了多处规模化的示范项 目…。 聚光光伏发电系统主要由聚光器、聚光电池和 跟踪系统等几部分组成。利用聚光器将太阳光汇聚 到小面积的聚光电池上，用低廉的聚光器取代了昂 贵的光伏电池，同时聚光太阳电池的高效率可大大 减少昂贵硅材料的使用，因此可以在很大程度上降 低光伏发电成本她ｊ。聚光光伏系统与常规平板太阳 电池组件相比，发电量提高４０％，组件成本降低 ４０％，系统的发电成本可降低６０％以上［３】。ＭｃＣｏｎ． ｎｅｌｌ预计到２０２０年，使用效率超过４１％的ＩＩＩ—Ｖ多结