HCPVT高聚光太陽能光伏發(fā)電及光熱系統(tǒng)技術(shù)簡介

1、 本文由lnsolyp貢獻(xiàn) doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 HCPVT 高聚光太陽能光伏發(fā)電及光熱系統(tǒng)技術(shù)預(yù)可研報告 背景資料: 背景資料: 隨著全球化石能源的日漸枯竭和人類環(huán)保意識的逐步增強,以光伏為核心的 太陽能發(fā)電事業(yè)近年來有了快速發(fā)展. 但光伏電力比傳統(tǒng)火電價格高達(dá) 4-6 倍以 上,完全市場化運營特別是為普通老百姓所接受還有一定困難.根據(jù)最近剛剛結(jié) 束的京都議定書修改,未來高耗能產(chǎn)品輸出將受到嚴(yán)格限制.生產(chǎn)過程須高耗能 的單,多晶硅太陽能電池將面臨嚴(yán)苛挑戰(zhàn).而具環(huán)保低耗能且發(fā)電轉(zhuǎn)換效率更高 的砷化鎵太陽能電池,估計將逐漸取代晶硅太

2、陽能電池市場.目前市場上量產(chǎn)的 單晶與多晶硅的太陽電池平均效率約在 15%上下,為了提煉晶硅原料,需要花 費極高的能源, 所以嚴(yán)格地說, 現(xiàn)今的晶硅太陽電池, 也是某種型式的浪費能源. 而砷化鎵太陽能電池,由于原料取得不需使用太多能源,而且光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 38%以上,比傳統(tǒng)晶硅原料高出許多,符合修改后的京都議定書規(guī)范,估計未來 將成市場主流. 最近美國道康寧公司與德國瓦克公司擬在江蘇省張家港地區(qū)申請大片良田 建立有機硅廠.這一項目如果上馬,將耗費我大量寶貴的金屬硅資源,其產(chǎn)品市 場卻主要在國外.這一項目對于我資源的就地開采,加工,也將造成四川,山西 等其他生產(chǎn)基地電力等資源的巨大消耗,同時還

3、會大量砍伐樹木,排放超標(biāo)的溫 室氣體,造成嚴(yán)重的生態(tài)污染.據(jù)有關(guān)專家粗略計算,僅為上述張家港地區(qū)擬建 的有機硅廠提供一年 10 萬噸的硅,就需要純凈木炭數(shù)萬噸,折合成木材就遠(yuǎn)不 止幾萬噸了.此外,每煉 1 噸硅僅電爐的電耗就是 1.4 萬度,生產(chǎn)過程還將釋放 大量二氧化碳,存在著大量的粉塵污染,尤其對半徑 10 公里以內(nèi)生活的人群來 說,其健康會受到影響,嚴(yán)重的會造成矽肺病.數(shù)年前,在我國對高耗能產(chǎn)業(yè)和 溫室氣體排放問題還不太注意的時候, 美國道康寧公司就投資在大連建立硅塊的 采購,分揀和加工中心,將他們生產(chǎn)的有機硅和單晶硅所需要的硅產(chǎn)業(yè)逐漸轉(zhuǎn)移 到中國. 今年 2 月京都議定書已正式生效.從

4、長遠(yuǎn)看,我國減排二氧化碳 的壓力是巨大的,應(yīng)及早防止高耗能,高排放,高污染型企業(yè)的引進(jìn),以及高耗 能低產(chǎn)值產(chǎn)品的出口.為此,專家建議,國家應(yīng)采取措施遏制跨國公司向我轉(zhuǎn)移 高耗能產(chǎn)業(yè)的趨勢. 為了解決這一問題,人們不得不把眼光盯向薄膜電池,使近年薄膜電池異軍 突起,引起投資者的極大興趣.但薄膜電池光電轉(zhuǎn)換效率相對較低,特別是砷化 鎵薄膜電池價格昂貴,目前僅在空間領(lǐng)域應(yīng)用,給光伏產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展帶來一 定制約. 而采用砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)即所謂 HCPV 系統(tǒng),卻能實現(xiàn)光 熱與光伏的綜合利用,并充分降低生產(chǎn)成本,提高轉(zhuǎn)換效率,為光伏產(chǎn)業(yè)更大發(fā) 展開辟新的市場空間. 一,砷化鎵薄膜電池聚光

5、跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)想 在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中,單晶硅和多晶硅等硅基光伏電池幾乎占到全部產(chǎn)量的 94%以上.由于近年太陽能級硅材料供不應(yīng)求,且持續(xù)大幅度漲價,在一定程度 上制約了硅基光伏電池的發(fā)展.因此,如何提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率和降低光伏 電池的生產(chǎn)成本,成為目前光伏產(chǎn)業(yè)必須研究和解決的核心問題.人們一方面在 研究和擴大太陽能級硅材料的生產(chǎn), 另一方面又在研究和推廣不用或少用硅材料 來生產(chǎn)新的光伏電池.在這樣一種背景下,非晶硅,硫化鎘,碲化鎘及銅銦硒等 1 薄膜電池應(yīng)運而生,乘勢發(fā)展.上述光伏電池中,非晶硅電池效率低下,且穩(wěn)定 性有待提高.盡管硫化鎘,碲化鎘薄膜電池的效率較非晶硅薄膜電池效率高,成

6、 本較晶體硅電池低, 且易于大規(guī)模生產(chǎn), 但是鎘有劇毒, 會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染, 硒和銦是儲量很少的稀有元素,因此大規(guī)模發(fā)展必將受到材料制約.而砷化鎵化 合物材料具有十分理想的禁帶寬度以及較高的光吸收效率,適合于制造高效電 池.此外,還可以通過疊層技術(shù)做成多結(jié)砷化鎵基電池,以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率. 但是, 由于砷化鎵基材料價格昂貴, 砷化鎵薄膜電池目前只在航天等特殊領(lǐng)域應(yīng) 用,離地面應(yīng)用的商業(yè)化運行還有很大距離. 為了降低光伏電池的發(fā)電成本, 可采取的有效途徑之一就是研發(fā)和應(yīng)用砷化 鎵薄膜電池聚光發(fā)電系統(tǒng).在獲得同樣輸出功率情況下,可以大大減少所需的砷 化鉀薄膜電池面積.相當(dāng)于用比較便宜的普通金

7、屬,玻璃材料做成聚光器和支撐 系統(tǒng),來代替部分昂貴的砷化鎵薄膜電池.在這種聚光系統(tǒng)中,如果聚光率超過 10 倍以上,則系統(tǒng)只能利用直射陽光,因而必須采用跟蹤系統(tǒng)相互配合,才能 充分發(fā)揮效能.在固定溫度下,光伏電池效率隨聚光率變化的一般趨勢是,在低 聚光率時,電池效率隨聚光率的增加而增加,在高聚光率時,則隨聚光率的增加 而降低.光伏電池在高聚光大電流下,其工作溫度的升高將導(dǎo)致效率的下降,因 此,聚光跟蹤系統(tǒng)還需要配備有效的散熱設(shè)備.考慮到系統(tǒng)的整體經(jīng)濟性,可以 通過主動制冷方式,在對光伏電池快速散熱的同時,充分利用熱能生產(chǎn)熱水,最 終實現(xiàn)實現(xiàn)太陽能光熱和光伏的綜合利用,以充分發(fā)揮整體效能. 二,

8、砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的組成部件 一 電池片 1. 砷化鎵(GaAs)的發(fā)展?jié)摿?砷化鎵 (GaAs) 半導(dǎo)體材料與傳統(tǒng)的硅材料相比, 它具有很高的電子遷移率, 寬禁帶, 直接帶隙, 消耗功率低的特性, 電子遷移率約為硅材料的 5.7 倍. 因此, 廣泛應(yīng)用于高頻及無線通訊中制做 IC 器件.所制出的這種高頻,高速,防輻射 的高溫器件,通常應(yīng)用于激光器,無線通信,光纖通信,移動通信,GPS 全球?qū)?航等領(lǐng)域.砷化鎵除在 I C 產(chǎn)品應(yīng)用以外,也可加入其它元素改變能帶隙及其產(chǎn) 生光電反應(yīng),達(dá)到所對應(yīng)的光波波長,制作成光電元件.還可與太陽能結(jié)合制備 砷化鎵太陽能電池. 作為通信,微電子以及

9、光電子的基礎(chǔ)材料 GaAs 材料,世界上其晶體生長技 術(shù)和器件制作技術(shù)已較成熟,其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大.其中,砷化鎵在 WiMAX 和 WLAN 應(yīng)用市場上,將有明顯增幅,預(yù)計到 2010 年,市場需求近 10 億美元,增 長 23%.在砷化鎵太陽能電池上,也有部分要量產(chǎn)的企業(yè).在砷化鎵微波元件需 求上,可望再倍增,用于蜂窩回程通信的 GaAs 芯片市場 2007 年達(dá)到了峰期.未 來砷化鎵發(fā)展勢必將與 Si,GaN 以及 SiGe 一同參與市場競爭. 砷化鎵集成電路,用半導(dǎo)體砷化鎵(GaAs)器件構(gòu)成的集成電路.構(gòu)成 GaAs 集成電路的器件主要有肖特基勢壘柵場效應(yīng)管, 高電子遷移率晶體管和異質(zhì)

10、結(jié)雙 極晶體管.20 世紀(jì) 70 年代初,由于高質(zhì)量的 GaAs 外延材料和精細(xì)光刻工藝的 突破,使 GaAs 集成電路的制作得到突破性進(jìn)展.同硅材料相比,GaAs 材料具備 載流子遷移率高,襯底半絕緣以及禁帶較寬等特征,因此用它制成的集成電路具 有頻率高,速度快,抗輻射能力強等優(yōu)點.它的缺點是材料缺陷較多,集成規(guī)模 受到限制,成本較高.GaAs 集成電路可分為模擬集成電路如單片微波集成電路 2 和數(shù)字集成電路兩類.前者主要用于雷達(dá),衛(wèi)星電視廣播,微波及毫米波通信等 領(lǐng)域,后者主要用于超高速計算機及光纖通信等系統(tǒng). 2. GaAs 電池片技術(shù)特點 市場上的聚光光伏電池系統(tǒng)組件大部分仍采用單晶硅

11、太陽能電池, 基于砷化 鎵基多結(jié)太陽能電池的產(chǎn)品在國際市場上剛剛嶄露頭角,尚未進(jìn)入國內(nèi)市場.高 效太陽能電池是聚光光伏,光熱綜合利用系統(tǒng)的核心部件.在 500-1000 倍的高 倍聚光條件下,其芯片和模組制作工藝都與低倍聚光下不同,需要重新設(shè)計工藝 條件.在適合高倍聚光的光伏電池工藝中應(yīng)充分借鑒激光器,發(fā)光二極管等器件 的先進(jìn)設(shè)計方法.采用低成本,高熱穩(wěn)定性的不含金的合金作為 III-V 聚光光伏 電池頂部網(wǎng)格電極材料,通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和制作工藝,在不改變電池外延結(jié)構(gòu) 的條件下,開發(fā)出 500 至 1000 倍聚光下高效多結(jié)光伏電池低成本產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工 藝,使光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到 30%,并獲得較高

12、的工作穩(wěn)定性. 二 聚光器 由于高效砷化鎵光伏電池的生產(chǎn)成本較高,因此提高聚光器的聚光倍數(shù),聚 光效率和均勻性成為充分發(fā)揮砷化鎵光伏電池效率優(yōu)勢,降低聚光光伏,光熱綜 合利用系統(tǒng)成本的關(guān)鍵之一. 光伏聚光器是利用透鏡或反射鏡將太陽光聚焦到光 伏電池上.按光學(xué)類型劃分,常用的聚光系統(tǒng)通常分為折射聚光系統(tǒng)和反射聚光 系統(tǒng).對于實際應(yīng)用來說,菲涅爾透鏡成為理想之選.它的聚焦方式可以是點聚 焦,也可以是線聚焦.點聚焦時,將太陽光聚焦在一個光伏電池片上;線聚焦時, 將太陽光聚焦在光伏電池組成的線列陣上. 反射式聚光系統(tǒng)也可以分為點聚焦結(jié) 構(gòu)和線聚焦結(jié)構(gòu).但是傳統(tǒng)菲涅爾透鏡存在難以實現(xiàn)的高接收角,聚光后光

13、強分 布不均勻和易老化變形等問題.而反射式聚光器聚光倍數(shù)較低,難以大幅度降低 發(fā)電成本. 三 跟蹤器 對于砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)來說,對日跟蹤器必不可少.這主要 是由于隨著聚光比的提高,聚光光伏系統(tǒng)所接收到光線的角度范圍就越小,為了 更加充分地利用太陽光,聚光光伏系統(tǒng)必須輔以對日跟蹤裝置.因此,通過對聚 光光伏系統(tǒng)跟蹤信號的產(chǎn)生,自動控制的機理,驅(qū)動執(zhí)行部分的實現(xiàn)以及保護(hù)應(yīng) 急措施的考慮,研究出跟蹤精度高,運行安全可靠,抗干擾能力強,制造和運用 成本低,用戶操作界面友好的太陽能跟蹤器,對于成功開發(fā)砷化鎵薄膜電池聚光 跟蹤發(fā)電系統(tǒng)是至為重要的.目前,對日跟蹤器的設(shè)計方案眾多,形式不拘一格

14、. 點聚光結(jié)構(gòu)的聚光器一般要求雙軸跟蹤,線聚光結(jié)構(gòu)的聚光器僅需單軸跟蹤.由 于砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)不得不經(jīng)受安裝地區(qū)惡劣的氣候條件,如 風(fēng),沙,冰雹,雨,雪等的侵蝕和損壞,因此,跟蹤系統(tǒng)的可靠性仍需進(jìn)一步的提 高. (四)散熱器 溫度是影響太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一. 聚光太陽電池在運行 過程中,未被利用的太陽輻射能除一部分被反射外,其余大部分被電池吸收轉(zhuǎn)化 為熱能.如果這些吸收的熱量不能及時排除,電池溫度就會逐漸升高,發(fā)電效率 降低,而且電池長期在高溫下工作還會因迅速老化而縮短使用壽命.因此,為了 實現(xiàn)對電池組件的溫度控制,可采用無機超導(dǎo)熱管技術(shù).即以多種無機元素組合 而

15、成的傳熱介質(zhì),加入到管腔或夾壁腔內(nèi),經(jīng)真空處理且密封后形成具有高效傳 3 熱特性的元件.該元件將熱量由一端向另一端快速傳導(dǎo)的過程中,表面呈現(xiàn)出無 熱阻快速波狀導(dǎo)熱特性.它既可保證聚光光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率,同時又能獲 得相當(dāng)可觀的光熱收益,實現(xiàn)對太陽能的電熱聯(lián)用,以滿足普通用戶日常生活用 電和熱水. 三,砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)意義 在各國政府的大力支持下,以及光伏市場的需求和聚光光伏技術(shù)迅猛提高的 趨勢下,高效,低廉,可靠,穩(wěn)定的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)正在逐步走向產(chǎn)業(yè)化.在 國際光伏市場巨大潛力的推動下,中國作為世界能源消耗第二大國,對于高效, 低 成本的光伏發(fā)電系統(tǒng)的需求更為迫切.與

16、國際上蓬勃發(fā)展的光伏發(fā)電相比,國內(nèi) 平板式光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟,而聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)還處于技術(shù)開發(fā)階 段. 只要我們抓住有利時機,瞄準(zhǔn)國際光伏電池新材料及器件研究的前沿,積極引 進(jìn)和開發(fā)成熟砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng), 就能在聚光光伏技術(shù)及應(yīng)用方 面取得原創(chuàng)性的,突破性的進(jìn)展. 砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)是一個技術(shù)水平高,涉及學(xué)科多,帶動作 用強的綜合產(chǎn)業(yè).在這個產(chǎn)業(yè)鏈上,包括了研制系統(tǒng)所需要的鋼材,玻璃,塑膠 材料等產(chǎn)業(yè);包括了與聚光器,跟蹤器所密切相關(guān)的精密儀器加工和自動控制等 產(chǎn)業(yè);包括了與高效太陽能電池相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)備制造,III-V 族半導(dǎo)體材料外 延和器件制作等產(chǎn)業(yè),

17、包括了與太陽能光熱利用相關(guān)的傳熱, 水箱, 管道等產(chǎn)業(yè), 還有相關(guān)的蓄電池,逆變器和控制器等產(chǎn)業(yè).因此,通過研發(fā)砷化鎵薄膜電池聚 光跟蹤發(fā)電系統(tǒng), 能夠帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展, 提高相關(guān)產(chǎn)業(yè)的整體研發(fā)水平, 同時創(chuàng)造更多的就業(yè)崗位. 發(fā)展砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng),具有良好的節(jié)能減排,環(huán)境保護(hù)和 推廣應(yīng)用等社會效益.以年產(chǎn)聚光砷化鎵薄膜電池產(chǎn)量 1MW 計算,比同等產(chǎn)量的 晶體硅光伏電池每年可減少耗電 800 萬千瓦時, 節(jié)約標(biāo)煤 0.30 萬噸,減排二氧化 碳 0.58 萬噸,二氧化硫 40.78 噸,二氧化氮 34.40 噸.此外,這些光伏光熱系統(tǒng) 推廣應(yīng)用后每年能夠生產(chǎn)電力 200

18、萬千瓦時,利用熱能 266 萬千瓦時,基本滿足 1400 多個普通家庭的日常能源需求,由此又可節(jié)省標(biāo)煤 0.18 萬噸,減排二氧化 碳 0.34 萬噸,二氧化硫 23.40 噸,二氧化氮 19.70 噸.同時,砷化鎵薄膜電池聚 光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)和推廣,必將對普及太陽能知識,增強全社會對新能源的 認(rèn)識,加快新能源的推廣,應(yīng)用和普及步伐,產(chǎn)生積極而又深遠(yuǎn)的影響.同時會 得到當(dāng)?shù)卣嚓P(guān)部門的大力支持. 四,目前商業(yè)化砷化鎵電池及組件技術(shù)參數(shù): 目前商業(yè)化砷化鎵電池及組件技術(shù)參數(shù): 及組件技術(shù)參數(shù) 1. 砷化鎵電池技術(shù)參數(shù) 砷化鎵電池晶圓 砷化鎵電池封裝基片 Triple Junction So

19、lar Cell Energy Conversion 三結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池 cell area 電池面積:0.3025 cm2 ( 5.5mm * 5.5mm ) 4 Concentrator solar cell chip size 集中器電池片尺寸 - 0.4125cm2 (5.5mm*6mm), efficiency 效率 35% 400X conc.在 400 倍聚焦 2.HCPV 組件參數(shù) 名稱 Cell Type 電池類型 每個組件電池片子數(shù)量 幾何聚焦倍率 外形尺寸 (LWH)長寬高 Weight 重量 跟蹤精度 內(nèi)容描述 - 多結(jié)砷化鎵電池 48 個 476 1680 570 2

20、47 mm 22 Kg ± 0.5 deg. Remark 砷化鎵電池組件圖片(12*4 電池片產(chǎn)生 120V 峰值電壓) 組件電氣參數(shù) Item 組件效率 輸出功率 Voc Isc Vmpp 最大電壓 Impp 最大電流 Fill Factor 填充因數(shù) Description > 23.5% > 140W 140 V 1.28A 120 V 1.17A 78% DNI 850 W/m2 DNI 凈輸入 太陽能 Remark 備注 3.子陣列技術(shù)參數(shù) 組件組成, 功率. 一個子陣列由 8 個組件組成,在太陽光下產(chǎn)生大于 1kW 功率. 5 子陣列圖片( 個電池片, 組件

21、組成一個子陣列 組成一個子陣列) 子陣列圖片(每個組件 48 個電池片,共 2*4 組件組成一個子陣列) 4.跟蹤器技術(shù)參數(shù) 跟蹤方法: 跟蹤方法: 控制: Control 控制: Accuracygen 跟蹤精度: Tracking Accuracygen 跟蹤精度: km/hr: 沒有太陽及風(fēng)速大于 45 km/hr: Azimuthal Traction 方 位 牽 引 力 : 度牽引力: Elevational Traction 高度牽引力: 載重量: Loading Capacity 載重量: 集光器面積: Collecting Surface 集光器面積: 跟蹤器重量: Track

22、er weight 跟蹤器重量 : 軸跟蹤水平和垂直. 水平和垂直 2-axes 2 軸跟蹤水平和垂直. GPS 技術(shù) ±0.5° or better. 自動復(fù)位和返回 15 cm rolling pin bearing with 360°rotation. Single telescopic. Linear Actuator. 700kg. 700kg. form up to 16 m2, (plat form may be specified customer) by customer) Approximately 500 kg (including pole

23、 00kg(含支撐桿重量 含支撐桿重量) weight). 大約 500kg(含支撐桿重量) 五,原理圖 (藍(lán)色代表產(chǎn)生的熱水系統(tǒng),紫紅色代表產(chǎn)生的電力,粉色代表控制系統(tǒng)) 6 2kWp 示范系統(tǒng)(2 個子陣列組成) 六,成本優(yōu)勢 參數(shù) 【單多晶硅】PV panel 太陽能集中倍率 1x 太陽能照射功率/c 0.1w 電池面積 / 10,000/c 電池效率 15% 直流瓦數(shù) / 150w 電池成本 / ￥2250 15.00 人民幣 /瓦 ￥15.00 對準(zhǔn)太陽角度 0° 90° Solar 封裝溫度 180° Generation profile triangle 炎熱夏日午后電池效率損失: 30% 發(fā)電表現(xiàn) poor ￥ 2.0 HCPV(跟蹤) 500x 5