聚光光伏的最新发展

内容摘要

聚光光伏（CPV）是指将汇聚后的太阳光通过高转化效率的光伏电池直接转换为电能的技术，CPV是聚光太阳能发电技术中最典型的代表。目前，聚光光伏还处于不断的探索和研究中，它被认为是既使用晶硅电池和薄膜电池进行光电转换的第一、第二代太阳能利用技术之后的第三代利用技术，它有其优势与不足，本文将从以下几个方面对聚光光伏的发展展开：一是聚光光伏的基本原理及特点；二是聚光光伏系统的优化改进并列出国内外最新的研究成果，分别从光学系统跟踪系统电池系统三个角度进行叙述；三是关于聚光光伏的启发以及个人想法。四是总结与展望。

关键词：聚光光伏效率高光学系统跟踪系统电池系统二次聚光器菲涅耳透镜

高倍聚光旋转曲面光伏发电多接面太阳能电池三结高效GaAs 单轴跟踪双轴跟踪双光电传感器优化设计单轴双轴

聚光光伏的最新进展

一：聚光光伏的基本原理及特点：

太阳能聚光光伏技术(CPV)是一种有效降低光伏发电成本的途径，它将光学技术与新能源结合，使光伏电池的发电大大增加，同时效率不断得到提高，使用透镜或反射镜面等光学元件，将大面积的阳光汇聚到一个极小的面积上，再通过高转化效率的光伏电池直接转换为电能。因此，聚光光伏系统主要由三部分构成：光学系统，跟踪太阳最大照射角运动系统和光伏电池系统。其中的跟踪运动系统是自动追随阳光驱动系统，以改变电池板的倾角。下图是一个反射式CPV 系统原理示意

作为最有潜力的一种太阳能利用技术，它的优点如下：第一，CPV技术由于光电转化效率高等特点，是能用于建造大型支撑电源的最理想的太阳能发电技术。第二，与晶硅和薄膜太阳能发电技术相比，CPV目前3~4美元/Wp的建设成本并无优势，但随着生产规模的扩大、电池效率的提高、聚光模块的改进等，成本会大幅下降，潜在优势大。第三，同等发电量情况下CPV电厂占地面积小，而且由于跟踪系统的倾角改变，阴影面积改变不影响地面生态。第四，CPV系统的发电过程中几乎不耗水，仅需少量水用于清洁光伏组件的玻璃外壳，有明显的节水优势。此外还有很多优势不再叙述，最为这样一个有优势的技术为何没有大范围应用呢，因为目前的技术还不成熟，还有很多问题遇难题需要解决，例如在技术问题上如何改进材料进一步提高光伏电池的耐光能力（高倍聚光下），如何解决光照不均匀，效率低的问题，还有如何实现产业的规模化自动化一体化，如何应对天气问题对聚光光伏的系统的影响，另外光强不均匀，会导致电池表面受热不均，故对材料的要求也很高，还有散热器性能的研发等等。正是由于这一系列的优势与问题，CPV系统没能真正发挥它的高效率，然而却给我们立下很大的探索和研究空间，因此，CPV有着巨大的发展前景。

二：聚光光伏系统的优化改进。

我们前面已经述及光伏系统的三大主要部分，对于其改进优化无非是从这三方面来研究展开。

首先是在聚光光学系统上，通过对目前国内外的聚光系统的分析比较，主要有以下几种新的进展和趋势，采用菲涅耳透镜与二次聚光器的结合；二级复合抛物面聚光器的应用；低倍聚光的抛物面槽式聚光发电方式，旋转曲面光伏发电聚光器的利用，以及蝶式聚光器等

等。我们可以发现，几乎每种类型的聚光器的目的都是相同的，那就是提高光能的利用率，通过对采光部件的三维设计以，光学设计，材料设计等，以寻求均匀的光照，极高的利用率。当然这几种方式都还有各自的优势与特点，如下：

目前使用折射聚光器大多为菲涅耳透镜，一种研究成果是将全反射式二次聚光器是安装在菲涅耳透镜和太阳电池之间起连接作用的光学元件，上底面位于菲涅耳透镜的焦平面,下底面紧贴着太阳电池，聚光器出射面的形状和大小要跟太阳电池一致。它的入射面形状跟出射面形状一致，大小由菲涅耳透镜聚焦光斑的大小和跟踪系统的跟踪误差角度来决定。然后由理论分析的结果确定初始高度，再通过非成像光学光线追迹不断优化，直到太阳电池表面获得最高的理想光学效率和光斑强度分布均匀性。这种方式克服了很多不足，比如采用聚光型光伏技术的高倍聚光光伏模组都需要配备高精度的双轴跟踪系统，由于双轴跟踪系统的跟踪误差会大大降低聚光太阳电池接收到的光能量。同时，由于菲涅耳透镜高倍聚焦光斑的热点效应、聚光太阳电池对光斑强度分布均匀性的依赖性以及系统安装精度的限制，高倍聚光光伏系统的转换效率会受到很大限制。世界上多个研发机构都在考虑把二次聚光器引入聚光系统。

而采用高倍聚光光伏原理是，聚光倍数越高，所需太阳电池面积越小，从而有效减少系统占地面积和降低电池成本。目前已有研究基于SMS 非成像设计方法结合光束扩展原理和边界光线原理，设计了一种1 000 倍聚光的高倍光伏聚光器。在由主透镜和二次透镜组成的聚光器的设计中没有引入反射镜，实现了高倍聚光器的轻量化设计．优化后的聚光器参数为: 高宽比0. 39，几何聚光率 1 000，集光角1. 5°，电池接收到的光线范围为±78°．在考虑聚光器材料对光线的吸收和散射的条件下，聚光器的光学效率高85%。接收面上光照分布均匀，能够满足太阳能电池对光照均匀性的要求。平行光束照射时，集光角内聚光器的光学效率高于80%。在配置两轴跟踪系统的情况下，1 000 倍聚光的聚光器可以实现高效率聚光．

旋转曲面光伏发电聚光器的旋转曲线采用小抛物线来拟合，可控制太阳光经每段旋转小抛物曲面反射后，照射到预期的电池板圆环区域内，使得电池板不同圆环区域接收到的反射光趋于均匀。通过计算机编程，实现旋转曲面的数控加工。根据工业化生产的加工工艺和电池板的尺寸，确定聚光比，与目前较为普及的固定式平板光伏发电和现有的聚光器相比，旋转曲面光伏发电聚光器具有光电转换效率高、结构简单、性价比高等优点；而且，聚光比可根据当地太阳的日照强度进行合理设计，适宜应用于不同规模的太阳能光伏发电系统中。

其次在太阳能光伏电池系统上：

CPV的核心是多接面太阳能电池，将高、中或低能隙的太阳电池由太阳光入射方向依序串联式堆叠成三接面太阳能电池，以吸收短、中、长波长的太阳光。以美国公司SolFocus为例，其CPV发电模型的基本单位是一个由两面镜子组成的系统。系统内，阳光通过感光杆被引至面积仅为l平方厘米的光电池。一块太阳能面板由许多这样的单位组成，而太阳能面板置于跟踪装置上，可以随着太阳位置的变化东升西落CPV值得称道的地方除了所使用的光电材料比传统光电技术要少，同时还可以节约大量的水。

三结高效GaAs太阳电池技术

以 III-V 高效电池代替硅电池并采用聚光技术，以相对便宜的聚光器来代替昂贵的太阳电池，是降低太阳电池发电成本的有效途径。三结 GaAs 太阳电有很好的高温特性(为高电压低电流器件)，通过聚光将显著提高电池电流输出特别在高倍聚光后，可获得更高的光电转换效率，获得更高的功率输出。虽然三结 GaAs 电池比单晶硅电池贵几十倍甚至上百倍，对于空间应用来说，性能和可靠性比价格更重要，这种电池已经替代硅电池成为空间光伏电源主流。同时，技术和工艺还在持续改进，空间用高效三结 GaInP/GaAs/Ge 电池的平均效率已经达到28%, 最高效率超过 30%。