聚光太阳电池

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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。
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二十一世纪初聚光器的发展
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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。
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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。
4. 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
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。
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）。
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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。
第五章 聚光太阳电池
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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
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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。
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4m2 10MW电站用地30万m2 (450亩) 实际占地4000m2（6亩）
缺点：
1. 对阳光要求较高，需要在直射阳光条件好的地区建 设电站；
2. 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。 3. 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。
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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
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—30m2 – 10MW光伏电站占地约30万m2（450亩）
影响二：废弃物
– 镉（Cd） – 铅（Pb） – 砷（As）
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
不同太阳电池转换效率的增长趋势
光伏发电成本分析
0.6 0.5 Concentrator Thin-Film Crystal Si
0.4
US $/KWh
0.3
0.2
0.1
1995
2000
2005 Year
2010
2015
2020
聚光光伏发电的电价将率先低于传统电价
Cited from: Nasser H. Karam, et al, Solar Energy Materials & Solar Cells 66 (2001) 453-466. 11
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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。
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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
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Ｐ-ｎ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１０％。
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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。
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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。
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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。
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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。
重量比功率大 探月飞行器 火星探测飞行器
8
45 40 35
III-V Concentrator Tandem
30
Efficiency (%)
New Mater. Thin-Film Si
25 20 15
Cryst.Si
Organic CIGS a-Si
10 5
0 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 Year
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。