太阳能聚光光伏(CPV)聚光光热(CSP)介绍.doc

CPV概述 聚光光伏(CPV)太阳能是指利用透镜或反射镜等光学元件，将大面积的阳光汇聚到一个极小的面积上，再将汇聚后的太阳光通过高转化效率的光伏电池直接转化为电能。光伏发电在经历了第一代晶硅电池和第二代薄膜电池之后，目前第三代CPV发电方式正逐渐成为太阳能领域的投资重点，并且CPV模式相对于前两代具有诸多的优势： 节省昂贵的半导体材料：CPV是通过提高聚光倍数的方式，减少光伏电池的使用量，而透光镜及反光镜等光学元件的成本远远低于减少的光伏电池成本。 提升光电转换效率：CPV系统采用砷化镓电池并依靠太阳追踪系统实现了更高的光电转换效率，较前两代光伏系统明显缩短能量回收期。 极高的规模化潜力：CPV系统因其光电转换效率高、占地面积小等特点，是建造大型电源电站的最理想的太阳能发电技术，通过简单复制的规模化部署，单一CPV电厂可较容易的达到MW级规模。 成本下降空间巨大：硅电池和薄膜电池已实现产业化生产，规模化效应已得到充分体现，并且其技术较为成熟，未来成本下降的空间已经有限。而CPV系统的成本下降仍然较大，大批量生产的规模效应，以及聚光系统、电池、冷却系统等效率的进一步提高是成本下降的两大途径。 CPV太阳能系统的结构 尽管各大厂商所生产的CPV系统的模式不尽相同，但各类CPV系统的组件主要是由四大部分组成，即聚光系统，光伏电池、太阳追踪系统、冷却系统。 聚光系统 聚光系统是整个CPV系统的最重要的组成部分，它通常由主聚光器和二次聚光器组成，聚光系统的聚光精度很大程度上决定了整个CPV系统的性能高低。根据聚光方式的不同，聚光系统可分为透射式聚光系统和反射式聚光系统。 透射式聚光系统 透射式聚光系统一般采用菲涅耳透镜聚焦的方式，与普通凸透镜相比，菲涅尔透镜只保留了有效折射面，可节省近80%的材料。目前用于制作菲涅耳透镜的最常用材料是PMMA(俗称“亚克力”或“有机玻璃”)，与玻璃透镜相比，它的优点是重量轻、易加工成型、成本低，而且对自然环境适应性能强，即使长时间在日光照射、风吹雨淋也不会使其性能发生改变。 反射式聚光系统 反射式聚光系统主要是采用回转二次反射曲面聚焦方式，聚焦后的光线经过二次匀光处理照射在高效太阳能电池芯片上实现光电转换。由于反射式聚光系统不存在色散现象，因此其反射效率可接近100%，但反射式聚光系统对反射面的清洁度要求较高，如受到污染，反射效率会大大下降，因此通常在组件的表面还要覆盖一层高透光玻璃以便于清洁； 另外，在反射式聚光系统中还有安装于电池表面的二次聚光器，其作用在于提高对入射光角度与聚光器轴线偏离角度的容忍度。追踪系统的精度和风的作用，都会引起太阳光入射角度得偏差，而轻微的偏差会显著影响光伏电池的转换效率，因此二次聚光器在HCPV系统中是一项必须的组件。 目前，作为反射曲面镜的材料主要是铝材经过精密钣金加工之后镀上反射膜形成。但考虑到PMMA材料透射率高、耐候性优、容易压铸规模化生产和机械加工方便、质量轻、成本低等诸多优点，PMMA材料替代铝材和高透光玻璃作为反射曲面镜和保护平板具有较好的可行性，而且同样可应用于二次聚光器。 光伏电池 在CPV太阳能系统中，由于采用了聚焦模式，因此对光伏电池的转换效率和耐高温性能有较高的要求。目前，CPV系统的光伏电池主要采用了III-V族化合物半导体材料中的砷化镓(GaAs)电池，同硅太阳能电池相比，砷化镓电池具有更好的性能：一是光电转换效率高，目前硅太阳能电池的理论转换效率大概为23%，薄膜电池的转换效率约为10%，而单结的砷化镓电池的理论转换效率可达到27%，并且通过叠层技术，多结砷化镓太阳能电池的理论转换效率可超过50%，目前波音公司的光谱实验室中的三结电池在364倍聚光倍率下的光电转换效率已经达到41.6%；二是耐高温性能好，砷化镓电池的耐高温性能要好于硅电池，砷化镓电池在250℃的条件下仍可以正常工作，但硅电池在200℃的时候就已无法正常运行。三是覆盖更宽光谱范围，由III-V族化合物制成的三结光伏电池能够转换300-1800纳米光谱范围内的太阳光，因而能够达到更高的光电转换效率，而硅太阳能电池的基本只能转换 太阳追踪系统 CPV太阳能系统要求太阳光相对于聚光系统垂直入射，否则整套系统的光电转换效率会急剧下降，而且聚光倍数越高的CPV太阳能系统对入射角度的精度要求也越高，因此太阳追踪系统的功能就是追踪太阳的运行轨迹，确保聚光光斑落在砷化镓电池上。太阳追踪系统通常是一套双轴系统，可实现上下、左右调节角度，其结构主要是由金属支架和控制驱动机组成，目前追踪系统的精度已经达到±0.1度，加上二次聚光器的作用，完全能满足垂直入射的角度要求。 冷却系统 由于CPV聚光倍数可达数百上千，电池表面会产生很高的温度，而且电池光电转换过程也会产生热量，尽管砷化镓电池的耐高温性能