聚光太阳电池.ppt

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1、第五章第五章 聚光太阳电池聚光太阳电池 1 1 目录目录 一 聚光光伏发电的特点一 聚光光伏发电的特点 二 聚光光伏部件二 聚光光伏部件 三 聚光光伏系统三 聚光光伏系统 四 聚光光伏发电前景四 聚光光伏发电前景 2 2 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 聚光光伏与一

2、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 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

3、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 5 5 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

4、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 光伏电站对环境的影响光伏电站对环境的影响 太阳光能量密度低 太阳光能量密度低 1kW m1kW m 2 2 影响一 占用土地影响一 占用土地 3kW3kW太阳电池阵列面积太阳电池阵列面积20 30m20 30m 2 2 10MW10MW光伏电站占地约光伏电站占地约3030万万mm 2 2 450450亩 亩 影响二 废弃物影响二 废弃物 镉 镉 CdCd 铅 铅 PbPb 砷 砷 AsAs 8 8 聚光太阳电池的优越性聚光太阳电池的优越性 成本低

5、成本低 转换效率高转换效率高 抗辐照能力强抗辐照能力强 聚光太阳电池在深空探测中意义重大聚光太阳电池在深空探测中意义重大 重量比功率大重量比功率大 探月飞行器探月飞行器 火星探测飞行器火星探测飞行器 不同太阳电池转换效率的增长趋势 聚光光伏发电的电价将率先低于传统电价 光伏发电成本分析 1111 Cited from Nasser H Karam et al Solar Energy Materials 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 1919 2 散热 普通

6、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

7、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 2020 3 反光板 普通的镜子 塑料反光板由于反射层与骨架层 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

8、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 2121 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

9、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 2222 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

10、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 2323 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

11、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 使砷化镓产业化推进缓慢 2424 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

12、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 2525 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 2626 折射聚光器包括菲涅尔透镜和普通透镜 其中菲涅尔 透镜

13、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 2727 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

14、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 2828 二十一世纪初聚光器的发展 点聚焦菲涅耳透点聚焦菲涅耳透镜镜镜镜 线线线线聚焦菲涅耳透聚焦菲涅耳透镜镜镜镜 抛物面槽式抛物面槽式 混合式光学器件混合式光学器件 抛物面碟式 2929 点聚焦菲涅耳透点聚焦菲涅耳透镜镜 3030 3131 紧紧紧紧凑型双聚焦菲涅耳透凑型双聚焦菲涅耳透镜镜镜镜模模块块块块 其模其模块块块块壁

15、壁为为为为玻璃材玻璃材质质质质 FISE与Ioffe研究院开发 3232 ENTECH公司的丙烯酸拱形线聚焦聚光光伏发电系统 聚光比24 口径84cm 电池4cm 双轴跟踪 线线聚焦菲涅耳透聚焦菲涅耳透镜镜 3333 光伏国际际公司30 kW公用联联网屋顶顶式线线性聚焦系统统 聚焦比为为10X 加州萨萨克拉门门托的萨萨克拉门门托市政公用区安装 3434 太阳系统统有限公司聚焦比为为500倍的抛物面碟 将要在澳大利亚亚被用于两个聚光系统统 抛物面碟式抛物面碟式 3535 静态聚光器 l 新南威尔士大学已开发了一种4倍聚光的静态聚光镜 l 东京大学一直在研究二维和三维折射式静态聚光镜 二维透镜的聚

16、光率为1 65倍 而三维透镜的聚光率 为大约2倍 l UPM和ISOFOTON正在开发带双面电池的静态聚光 镜 3636 混合式光学器件 混合式光学器件 RXIRXI聚光镜的方案聚光镜的方案 RXI光学聚光器 Heat sink 散热热片 GaAs solar cell GaAs太阳电电池 3737 电电池直径3mm 聚光镜对镜对 角线线10cm 模块块厚度3cm 聚光比1000 角孔径 1 5 UPM 马马德里技术术大学 设计设计 的RXI微型聚光镜镜原型 3838 典型的折射聚光是利用菲涅尔透镜 将太阳典型的折射聚光是利用菲涅尔透镜 将太阳 能电池放置在菲尼尔透镜的焦点上能电池放置在菲尼尔透镜的焦点上 聚光器依光学原理可分为折射聚光器和反射 聚光器 折射透镜主要使用菲涅耳透镜 这种透镜具 有质量轻 厚度薄的特点 反射聚光器主要是镜面反光板 根据聚光倍 数的不同制作成长条状或圆盘状 随着聚光 倍数的提高 各类新型聚光系统不断推出 这类聚光系统通常在聚光器下增加一个二次 聚光器 以达到使射入电池表面光谱更均匀 减少光损失 缩减聚光器到电池距离等目 的 4040 二 聚光太阳电池技术二