聚光光伏发电技术研究与展望.pdf

2009年第1期
上海セ力
可再生能源发电
聚光光伏发电技术研究与展望
袁爱谊,王亮兴
(上海太阳能工程技术研究中心,上海200241)
摘要:太阳能光伏发电技术近年来发展迅速,但较高的发电成本制约了其大规模的发展。聚光光伏发电技
术以其高转换效率,低成本等优势在光伏发电系统中倍受瞩目。文章介绍了聚光光伏系统的构成,以及国际
上主要研究聚光光伏技术的公司和研究机构的技术水平、最新的研究成果及其产品,分析了聚光光伏技术的
发展目标和应用前景。
关键词:太阳能;聚光光伏技术;聚光太阳能电池;聚光太阳能组件
中图分类号:TK513文献标识码:A
100~1000倍,称为中高倍聚光。图1所示为聚
引言
光太阳能电池与普通太阳能电池效率的发展历
开发新能源和可再生清洁能源是全世界面临程。和普通太阳能电池一样,聚光太阳能电池的
的共同课题。在新能源中,光伏发电倍受瞩目,但峰值功率会随着温度的升高而降低,而聚光太阳
由于过高的成本,目前还未能充分进入市场。聚能电池又是在高光强、大电流下工作,一套设计合
光光伏发电技术是用比较便宜的聚光器来部分代理的散热系统对提高发电效率,延长使用寿命起
替昂贵的太阳电池,以减少给定功率所需的电池到十分重要的作用。散热系统分为主动式冷却和
面积来降低成本,系统中太阳能电池的费用只占被动式冷却二种。主动式冷却是指用流动的水或
系统总费用的一小部分,所以可以采用工艺先进、其它介质将聚光组件工作时产生的热量带走,以
效率更高而价格较贵的电池来提高整个系统的性达到冷却太阳电池的目的;被动式冷却是指太阳
能。同时,通过聚光器而使较大面积的阳光汇聚能电池方阵产生的热量通过散热器直接散发到大
在一个较小的范围内,并将太阳能电池置于光斑气中。主动式冷却可以更好地降低太阳能电池的
或光带上,以增加光强,克服太阳辐射能流密度低温度.但这种方法存在可靠性的问题,如果冷却系
的缺陷,可以获得更多的电能输出。
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
2聚光光伏发电系统的组成
倍率小于1000倍的情况下,都可以考虑使用被动
聚光光伏发电系统由聚光太阳能接收器、聚冷却方式
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
40」m-V族多结聚光太阳电池
路二极管和散热系统等。聚光太阳能电池是将光
硅聚光太阳电池
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
普通硅太阳电池
尽量小,以减少功率损耗,同时要设计适合采集高
2198619901994199820022006
电流密度的电池栅线。目前国际上聚光电池主要
年份
有硅聚光电池和IIーV族多结聚光电池两种。
图1聚光太阳电池与普通太阳电池
硅聚光电池价格便宜,效率稍低,但聚光倍率低,
效率发展历程
一般不超过300倍;IIーV族多结聚光电池价格
聚光器依光学原理可分为折射聚光器、反射
昂贵,效率高,聚光倍率通常在200倍以上。聚光聚光器和荧光聚光器等。在聚光技术中,折射透
倍率在2~100倍,称为低倍聚光;聚光倍率在镜主要使用菲涅耳透镜,这种透镜具有质量轻、厚
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上电力
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度薄的特点,更适合大面积使用;反射聚光器主要
0.16
是镜面反光板,根据聚光倍数的不同制作成长条
0.14
光系统不断推出,这类聚光系统通常在聚光器下Sowm
状或圆盘状。随着聚光倍数的提高,各类新型聚
1533MW
201
V
0.08?
增加一个二次聚光器,以达到使射入电池表面光
場0061像
谱更均匀、减少光损失、缩减聚光器到电池距离等迎
目的。
由于聚光光伏组件直射光才能发电,因此必
0.00
须安装在太阳跟踪机构上。通常来说,点聚焦的
电压
聚光组件需要二维跟踪机构,线聚焦组件只需要
图2240倍聚光和非聚光状态下
维跟踪机构。目前跟踪太阳的方法主要有以下
异质结、同质结三结电池的I-V曲线
几种:
纤的主要供应商,其高效GaAs( Gallium Arsenid
(1)利用四象限光敏传感器判断太阳的位置。半导体的缩写)电池主要应用于卫星和聚光光伏
这种跟踪方式精度很高,并且能自我修正,使用最发电系统, Emcore公司已成为全球最大的多结
为广泛。
GaAs聚光太阳电池供货商,聚光电池订单已超
(2)根据跟踪机构所在地的经纬度计算太阳过2.8亿美元。
的位置。这种技术也可配合GPS全球定位来获
Emcore公司生产的三结( Ingap/ INGAAS/
得更精确的位置信息。
e)聚光电池最高效率达到39%-2,目前已具备
(3)根据预置的太阳位置数据库或移动轨迹年产50MW三结GaAs聚光电池的能力。图3
来跟踪太阳。这种跟踪方式比较刻板,换个地点所示 Emcore公司T1000型 INGAP/ INGAAS/Ge
就要更新数据库,跟踪精度也比较低
聚光电池,表1为其电性能参数。
(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。
目前,用于聚光系统的跟踪机构都采取几种
不同的跟踪方法来确保跟踪精度和可靠性。跟踪
机构还需要大风自我保护功能和防暴雪功能来确
保组件的安全,而跟踪器传动机构的设计则决定
30405060
了跟踪器的寿命。对于二维跟踪机构,其跟踪精
度基本要求在士0.5
图3T1000型聚光电池
3国内外主要公司与研究机构的研究成
表1T100型聚光电池电性能参数
果和产品
(AM1.5,低最浮物密度,25℃)
1倍聚光
倍聚光
11倍豪光
3.1美国 Spectrolab公司
312效率/%
3623数率/%
33.97
Spectrolab公司多年来一直保持着II-VYe
2.383vo/V
3051 Vocs
3.678
族多结电池转换效率的最高纪录,2007年其研制39」kxA?mっ1lu:m-3)1.2
的异质结 Gainp/ GAINAS/Ge三结电池在240倍J-』am-1u.4「m(はa-っ「61Jp(Aa-)「
聚光率下测得40.7%的效率?。图2为240倍
mp(nW?am-2)3],23Pmg(W?m-2)「17.03「 Pmpi(mw, cm-2)138.63
聚光和非聚光状态下, Spectrolab公司研制的异3.3美国 Amonix公司
质结、同质结三结电池的IV曲线。2008年在采
Amonix公司是美国一家专门研究、开发和
用了一种新的风光光学结构后,效率进一步提升生产集成高效率聚光硅太阳能电池发电系统(以
到了42.7%。
下简称 IHCPV系统)的公司,该系统采用菲涅耳
3.2美国 Emcore公司
透镜聚光250倍,使10mm2点接触背栅硅太阳
Emcore公司是全球化合物半导体器件和光能电池的光电转换效率高达25%~27%,