聚光型太陽能電池技術(shù)及現(xiàn)狀

1、太陽能光電工程學(xué)院太陽能電池及其應(yīng)用課程設(shè)計(jì)報(bào)告書題 目：聚光型太陽能電池技術(shù)及現(xiàn)狀姓 名：設(shè)計(jì)成績：指導(dǎo)教師：摘要本文概述了目前全球能源現(xiàn)狀，以及聚光型太陽能電池的市場背景，表 明了太陽能發(fā)電的重要性和前景，詳細(xì)介紹了聚光型太陽能電池的技術(shù)、現(xiàn)狀以 及與普通太陽能電池的區(qū)別，并對普通太陽能電池與聚光型太陽能電池發(fā)電所需 發(fā)電成本進(jìn)行比較。詳細(xì)介紹了塔式、槽式、碟式太陽能發(fā)電的原理及優(yōu)缺點(diǎn)。指出電池冷卻技術(shù)的必要性和冷卻技術(shù)。同時指出聚光型太陽能電池發(fā)展面臨的 困難和解決措施，以及今后的發(fā)展方向。通過改造電池制造工藝、提高轉(zhuǎn)換效率、 聚焦技術(shù)的應(yīng)用等手段，可以有效降低光伏發(fā)電成本，也是國內(nèi)外本

2、領(lǐng)域研究的 熱點(diǎn)。其中采用聚焦技術(shù)是一個有效地方法。對常規(guī)太陽能電池進(jìn)行聚光，使太 陽電池工作在幾倍乃至幾百倍的光強(qiáng)條件下，一定程度上克服了太陽能量的分散 性，可以提高單位面積太陽電池的輸出功率，大大降低光伏發(fā)電成本，具有很好 應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：聚光型太陽能電池 技術(shù) 措施目 錄緒言2聚光型太陽能原理及技術(shù)3 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark27 o Current Document 1.1聚光型太陽能電池的原理3 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 1.2聚光型太陽能電池的關(guān)鍵技術(shù)4 HYPERLINK l

3、bookmark33 o Current Document 1.3塔式太陽能發(fā)電技術(shù)5 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 1.4槽式太陽能發(fā)電6 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 1.5碟式太陽能發(fā)電7 HYPERLINK l bookmark45 o Current Document 1.6電池的冷卻技術(shù)7 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 產(chǎn)品的的核心優(yōu)勢10 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document

4、 2.1光電轉(zhuǎn)換效率高10 HYPERLINK l bookmark55 o Current Document 2.2單位面積輸出功率高10 HYPERLINK l bookmark58 o Current Document 現(xiàn)狀與展望10 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 3.1我國聚光型太陽能電池的現(xiàn)狀10 HYPERLINK l bookmark65 o Current Document 3.2展望11 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 參考文獻(xiàn)12緒言隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會的進(jìn)步，人們對能

5、源提出了越來越高的要求，由于 全球氣候變遷、空氣污染問題以及資源的日趨短缺之故，傳統(tǒng)的燃料能源正在一 天天減少，與此同時全球還有約20億人得不到正常的能源供應(yīng)。尋找新能源成 為當(dāng)前人類的面臨的迫切課題。太陽能以其獨(dú)有的優(yōu)勢成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。由 于太陽能發(fā)電具有火電、水電、核電所無法比擬的清潔性、安全性、資源的廣泛 性、充足性和持久性等優(yōu)點(diǎn)，太陽能被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的能源。但是目前光伏發(fā)電作為社會整體能源結(jié)構(gòu)的組成部分所在占比例尚不足1%，造成這種情況的主要原因是光伏發(fā)電成本高。通過改造電池制造工藝、提高 轉(zhuǎn)換效率、聚焦技術(shù)的應(yīng)用等手段，可以有效降低光伏發(fā)電成本，也是國內(nèi)外本 領(lǐng)域研究的熱

6、點(diǎn)。其中采用聚焦技術(shù)是一個有效地方法。對常規(guī)太陽能電池進(jìn)行聚光，使太陽電池工作在幾倍乃至幾百倍的光強(qiáng)條件 下，一定程度上克服了太陽能量的分散性，可以提高單位面積太陽電池的輸出功 率，大大降低光伏發(fā)電成本，具有很好應(yīng)用前景。聚光型太陽能原理及技術(shù)1.1聚光型太陽能電池的原理聚光電池是降低太陽電池利用總成本的一種措施，通過聚光器使較大面積的 陽光聚在一個較小的范圍內(nèi)，形成“焦斑”或“焦帶”，并將太陽電池置于“焦 斑”或“焦帶”上，以增加光強(qiáng)克服太陽輻射能流密度低的缺陷，從而獲得更多 的電能輸出。通常聚光器的倍率大于幾十，其結(jié)構(gòu)可采用反射式或透鏡式。聚光 器的跟蹤一般用光電自動跟蹤，散熱方式可以是氣

7、冷或水冷，有的與熱水器結(jié)合， 既獲得電能，又得到熱水。用于聚光太陽電池的單體，與普通太陽電池略有不同，因需耐高倍率的太陽 輻射，特別是在較高溫度下的光電轉(zhuǎn)換性能要得到保證，故在半導(dǎo)體材料選擇、 電池結(jié)構(gòu)和柵線設(shè)計(jì)等方面都比較特殊。最理想的材料是神化鎵，其次是單晶硅 材料。在電池結(jié)構(gòu)方面，普通太陽電池多用平面結(jié)構(gòu)，而聚光太陽電池常采用垂 直結(jié)構(gòu)，以減少串聯(lián)電阻的影響。同時，聚光電池的柵線也較密，典型的聚光電 池的柵線約占電池面積的10%，以適應(yīng)大電流密度需要。適合于聚光用的太陽能電池有兩種：單晶硅的背接觸電池和神化鎵多結(jié)電 池，以后者的光轉(zhuǎn)化效率為最高（目前實(shí)驗(yàn)室達(dá)41%，量產(chǎn)高于35%）。這些

8、電池 過去用于非聚光的航天航空的高端應(yīng)用。目前為止，國際上生產(chǎn)廠家很少也很低。圖1聚光太陽電池的原理1.2聚光型太陽能電池的關(guān)鍵技術(shù)聚光太陽能電池是由跟日器、聚光電池組件和聚光器及相關(guān)動力和降溫裝置 構(gòu)成，采用聚焦的方式將太陽光的光能密度大大提高（400倍以上），可使太陽 能電池轉(zhuǎn)換效率提高，在小面積的單晶硅片上獲得大的電流。太陽光的聚焦可采 用費(fèi)涅爾透鏡或拋物面反射鏡，太陽能聚光電池的散熱采用大面積的散熱片自然 冷卻，或者是采用循環(huán)水冷將熱量二次利用。太陽能自動跟蹤聚焦式光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是精確跟蹤太陽，其聚光比 越大跟蹤精度要求就越高，聚光比為400小時跟蹤精度要求小于0.2度。在一般

9、 情況下跟蹤精度越高其結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，造價就越高，甚至造價高于光伏發(fā)電系統(tǒng) 的光電池的總造價。聚光電池及發(fā)電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用的成功與否，關(guān)鍵在于技術(shù)上實(shí)現(xiàn)聚光發(fā)電 系統(tǒng)的高跟蹤度、可靠性、耐侯性，確保能否在惡劣自然環(huán)境下的長期使用。一 般商用太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率為6%15%,在運(yùn)行的過程中，未被利用的太陽 輻射能除了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（據(jù)統(tǒng)計(jì)電池組件溫度 每降低1K輸出電量增加0.2%0.5%）,太陽電池長期在高溫下工作還會因迅速老 化而縮短使用壽命。1.3塔式太陽能發(fā)電技術(shù)塔式太陽能發(fā)電主要有大量的

10、跟蹤太陽的定向反射鏡和裝在中央塔上的熱 接收器這兩大部分組成，成千上萬面定日鏡將太陽光聚焦到中央接收器上，接收 器將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成熱能。然后再將熱能傳遞給熱力循環(huán)工具，驅(qū)動熱機(jī)做工 發(fā)電。隨著鏡場中定日鏡的增加，塔式聚光系統(tǒng)的聚光比也隨之上升，最高可達(dá) 1500，運(yùn)行溫度為1000C1500C。它因其聚光倍數(shù)高、能量集中過程簡單、 熱轉(zhuǎn)化效率高等特點(diǎn)，極適合大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電，圖1為塔式太陽能發(fā)電的系統(tǒng)圖。從圖2中可以看出，他是太陽能發(fā)電系統(tǒng)包括：跟蹤太陽能的定日鏡、接收 器、工質(zhì)加熱器、儲能系統(tǒng)以及汽輪機(jī)組等部分。收集裝置由多面定日鏡、跟蹤 裝置支撐結(jié)構(gòu)等構(gòu)成。系統(tǒng)通過對收集裝置的控制，實(shí)現(xiàn)對

11、太陽的最佳跟蹤，從 而將太陽的反射光準(zhǔn)確聚焦到中央接收器內(nèi)的吸熱器中，使傳熱介質(zhì)受熱升溫， 進(jìn)入蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，最終驅(qū)動汽輪機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。此外，為了保證持續(xù)供電需要儲熱裝置將高峰時段的熱量進(jìn)行存儲以備早晚和陰雨間隙使用。圖2塔式太陽能結(jié)構(gòu)示意圖1.4槽式太陽能發(fā)電槽式太陽能發(fā)電采用多個槽型拋物面式聚光器，將太陽光聚集到接收裝置的 集熱管上，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫蒸汽后推動汽輪機(jī)發(fā)電。收集裝置的幾何特性決 定了槽式太陽能發(fā)電的聚光比要低于塔式，通常在10*00之間，運(yùn)行溫度達(dá) 400 C。如圖3所示，槽式太陽能發(fā)電包括聚光集熱部分、換熱部分、發(fā)電儲能部分 等。聚光集熱是整個槽式發(fā)電系統(tǒng)的核心，它

12、由聚光陣列、集熱器和跟蹤裝置組 成。在此部分，集熱器大多采用串、并聯(lián)排列的方式可按南北、東西和極軸3 個方向?qū)μ柟膺M(jìn)行一維跟蹤。在換熱部分，預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再 熱器4組件實(shí)現(xiàn)了工質(zhì)加熱、換熱、產(chǎn)生蒸汽、進(jìn)行發(fā)電的過程。由于槽式發(fā)電 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對緊湊，其收集裝置的占地面積比起塔式和碟式來說，相對較小，因而為槽式太陽能發(fā)電向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。蒸汽發(fā)生器預(yù)熱器冷凝器I圖3槽式太陽能發(fā)電示意圖1.5碟式太陽能發(fā)電作為目前熱發(fā)電效率最高的方式，碟式太陽能發(fā)電整合多個反射鏡組成拋物 面碟形聚光鏡，通過對其的旋轉(zhuǎn)，將太陽光聚集到接收器中，經(jīng)接收器吸熱后加 熱工質(zhì)，進(jìn)一步驅(qū)動發(fā)電機(jī)組發(fā)電。旋

13、轉(zhuǎn)拋物面碟形聚光鏡的應(yīng)用使得碟式太陽 能發(fā)電的聚光比達(dá)到3000以上，這一方面有效地提高了光熱轉(zhuǎn)換的效率，但是 另一方面也由于其較高的接受溫度，對接收器的材料和工藝提出更高的要求。1.6電池的冷卻技術(shù)聚光型光伏發(fā)電技術(shù)采用低成本的反射鏡或者透鏡可以減少使用部分昂貴 的太陽電池，太陽電池工作在低倍甚至高倍的光強(qiáng)照射下，單位面積的有效輸出 功率大幅增加發(fā)電成本大幅下降，但是隨著單位面積的電池板輻射光強(qiáng)的增加吸 收的熱量也增加，電池的溫度控制和散熱問題也更為突出?？諝饫鋮s技術(shù)是指在太陽電池背面通過空氣自然或強(qiáng)制對流帶走熱量，可以 達(dá)到降溫目的。采用自然對流冷卻時把銅、鋁等高導(dǎo)熱材料作為電池背板，并安

14、 裝肋片，可以加強(qiáng)自然對流換熱。采用強(qiáng)制對流換熱，組件背面被制成通風(fēng)流道， 流道的入口（或同時在出入口）設(shè)置風(fēng)機(jī)增強(qiáng)空氣流動，但風(fēng)機(jī)的使用會額外消耗 一部分電能。通常，采用空氣冷卻，換熱性能與空氣的流速和流道長度高度等有關(guān), 優(yōu)化這些參數(shù)可以達(dá)到最佳的換熱效果。Araki等實(shí)驗(yàn)研究了 500倍日照聚光條 件下單個太陽電池的自然對流冷卻問題,研究結(jié)果表明，電池與鋁板間良好的熱 接觸是保持電池低溫的關(guān)鍵因素。水冷卻方式可分為自然循環(huán)冷卻和強(qiáng)制循環(huán)冷卻;水冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是 保證太陽電池與換熱器表面間良好的熱傳導(dǎo)和電絕緣。典型的水冷卻系統(tǒng)由換熱 器、水箱、若干連接閥門等部件組成，換熱器的結(jié)構(gòu)通常有

15、管板式、流道式和水 箱底座式等。管板式結(jié)構(gòu)是參照傳統(tǒng)的平板太陽能集熱板發(fā)展而來的，能很好解 決工質(zhì)的滲漏和電池的絕緣;流道式結(jié)構(gòu)則同空氣流道散熱相似，換熱工質(zhì)與電 池接觸面積大換熱效果高,但存在工質(zhì)的滲漏和電池的絕緣等問題;水箱底座式 將太陽電池直接粘接到具有斜面的水箱上，水箱作為工質(zhì)容器和系統(tǒng)底座。Solar Systems公司報(bào)道了一種應(yīng)用于拋物型聚光式光伏發(fā)電系統(tǒng)的水冷卻系統(tǒng)，電池 的背面設(shè)置了平行的水流窄通道，試驗(yàn)結(jié)果表明在340倍的聚光條件下,當(dāng)水流 量為0.56kg/（m2s）和泵功率為86W時，太陽電池的平均溫度為38.52C，電池效 率為24.0%;如果能夠充分利用冷卻水的熱量

16、，系統(tǒng)的綜合能量利用率可超過 70%。表1列舉了一些研究者關(guān)于空氣和水在自然對流或強(qiáng)制對流冷卻時系統(tǒng)熱 阻的比較。表1空氣和水在自然對流或強(qiáng)制對流冷卻時系統(tǒng)熱阻比較拎卻占式換也而捌，D1-(kg in - - T L)(m-K頃】）藉日燃*慚廠0.1521.1 X1Q-卒L強(qiáng)訕對怵L0.152。一 3952.6 XL03水臼然循環(huán)10.1523.034.3 KL04水目然苗環(huán)？0. 1130.3451.3 XLQ3水強(qiáng)羽循環(huán)33.60 ：1033.512.3 X1Q4卒氣E然H寸疏4-2.0-2.6 XL03水既圳徒沽（籽流）4-2.7 101. FloT&hueEz 歸豈論隹句 口. Cov

17、enrryFj 芯驗(yàn)早門；3. Verb ode b的試股值Srfa聞的理晶值 I熱管冷卻技術(shù)是指在聚光型光伏發(fā)電系統(tǒng)利用菲涅耳透鏡或者拋物面反射 鏡來聚光時，由于陽光不能均勻地投射在電池組件表面，將引起電池間的電阻不 均勻?qū)е码姵匦式档蚃ames和Williams指出，在1000倍日照的聚光條件下照 射度的不均勻?qū)斐?%以上的效率損失。熱管是一種高效傳熱元件，同時具有 很好的均溫性能,非常適用于聚光條件下的電池冷卻。采用熱管冷卻熱管的蒸發(fā) 端緊貼太陽電池的背面，冷凝段暴露在大氣中與周圍空氣進(jìn)行自然對流換熱，安 裝翅片增加散熱面積可以提高冷凝段的換熱效果。由于冷卻元件的溫度一般要求 在2

18、0100C內(nèi)，熱管的設(shè)計(jì)可選擇R-11或R-22以及水作為工作液體。采用水 作為工作液體，在溫度不超過140C時,熱管的散熱熱流可達(dá)到2501000kW/m2。 Akbarzadeh和Wadowski報(bào)道了一種帶扁平狀銅熱管蒸發(fā)端的熱管冷卻系統(tǒng)，太 陽電池垂直粘貼扁平的銅熱管蒸發(fā)端;研究表明:在有太陽的天氣情況下,該系統(tǒng) 的聚光率是20倍，采用熱管冷卻系統(tǒng)后電池的溫度上升不會超過46C;不用熱管 冷卻電池的溫度超過84C。微通道冷卻技術(shù)原理是因?yàn)槲⑼ǖ览鋮s器的體積小，可以直接對毫米甚至微 米級的熱源進(jìn)行冷卻;但是冷卻器的溫度梯度和壓力損失較大，因此泵或風(fēng)機(jī)耗 功較大。微通道冷卻器水冷卻系統(tǒng)的設(shè)

19、計(jì)關(guān)鍵是保證太陽電池與換熱器表面間良 好的熱傳導(dǎo)和電絕緣。如果能在太陽電池的生產(chǎn)過程中直接在電池背面灼刻微通 道，那么無論從冷卻效果還是經(jīng)濟(jì)上來說都是一種很好的方法。Vicenza等人采 用這種方案制成了面積為30X30cm2光電池，測試結(jié)果表明，工作在120倍的日照 聚光強(qiáng)度下,系統(tǒng)的熱阻為0.4cm2 K/W。今后的研究工作重點(diǎn)將是改進(jìn)微通道的 結(jié)構(gòu)，使用岐管式微通道或相變微通道作為冷卻方法等。液體射流沖擊冷卻技術(shù)是指液體射流沖擊冷卻技術(shù)可以獲得很低的熱阻 （通常只有0.010.1cm2K/W）,目前已廣泛用于金屬的熱處理、內(nèi)燃機(jī)及燃?xì)鉁u輪 的冷卻以及高功率電子設(shè)備的溫度控制。該技術(shù)應(yīng)當(dāng)也

20、能應(yīng)用于太陽電池冷卻， 當(dāng)然，噴嘴應(yīng)設(shè)計(jì)成陣列形式。不過在運(yùn)行中，從一個噴嘴出來的水流往往會影響 到鄰近的噴嘴出來的水流，導(dǎo)致射流流體間的干擾增加總體的換熱系數(shù)下降。射 流沖擊陣列的流體流態(tài)和換熱特性，與噴嘴到冷卻表面的距離、噴嘴形狀及傾斜 度、普朗特?cái)?shù)和雷諾數(shù)等有很大關(guān)系。Anja.Royne等人在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上提 出了一種用于聚光條件下太陽電池矩陣的射流沖擊冷卻模型，并對冷卻系統(tǒng)的各 項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。產(chǎn)品的的核心優(yōu)勢2.1光電轉(zhuǎn)換效率高傳統(tǒng)太陽能電池的轉(zhuǎn)換率只有15%左右，而新的這種集中器電池(聚光電池) 利用成本相對較低的反射鏡和棱鏡將陽光集中到電池上更為昂貴的鎵神化合物 部分來

21、提高轉(zhuǎn)換效率。國際上已經(jīng)試驗(yàn)研制多結(jié)太陽能電池技術(shù)，以期望獲得 37%以上的理論極限。在現(xiàn)有太陽能光電池的發(fā)電模式中，多數(shù)采用方位固定的大面積的平板式光 電轉(zhuǎn)化模式。通過應(yīng)用高轉(zhuǎn)化率的聚光光電池，不僅在通常太陽光的輻照下能維 持25%35%的光電轉(zhuǎn)化率，而且能在聚光條件下，如將太陽光聚光300700倍， 將能期望用較少量的聚光電池，獲得較大的光伏電能。目前國際上聚光電池的轉(zhuǎn) 換率可以穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)30%的轉(zhuǎn)換率。2.2單位面積輸出功率高聚光電池在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下輸出功率達(dá)6W以上，而同等面積的平板式太陽電池 輸出功率僅12-14mW，相差幾百倍。1厘米見方的神化鎵聚光太陽能電池在500倍聚光下等效于7張1

22、2.5厘米見 方的硅光電池。一個直徑為3厘米的圓形常規(guī)電池，在光強(qiáng)為1kW/m2的輻照下, 輸出功率約為70mW。同樣面積的聚光電池，在光強(qiáng)為100kW/m2的輻照下，可輸 出約7W，通常來講聚光電池的短路電流基本上與光強(qiáng)成正比例增加現(xiàn)狀與展望3.1我國聚光型太陽能電池的現(xiàn)狀聚光型神化鎵太陽能電池逐漸受到重視,主因臺灣在神化鎵半導(dǎo)體這一領(lǐng)域 過去已經(jīng)培養(yǎng)相當(dāng)多人才，同時近年國內(nèi)相關(guān)LED廠的營運(yùn)實(shí)力頗佳，有足夠的 資源投入III-V族太陽能電池領(lǐng)域。在聚光型III-V太陽電池領(lǐng)域，國內(nèi)目前已逐步發(fā)展成幾個小Groups,包括 臺達(dá)電在2007年與Spectral技術(shù)合作，開發(fā)完成聚光型III-V太陽能電池(CPV) 下游接收器模組.被波音餅購的Spectral生產(chǎn)的神化鎵半導(dǎo)體太陽能晶片，市 場率全球市估率接近70%.但是,最近美國政府管制神化鎵半導(dǎo)體太陽能晶片出 口，使得國內(nèi)廠商想要采購相關(guān)晶片困難度提高。還有海德威與禧通，兩家公司申請了具有微共振腔之太陽能電池美國與 臺灣專利，主要原理是企圖利用微共振腔,讓光束在微共振腔內(nèi)震蕩，使得光可在 微共振腔內(nèi)被有效吸收及轉(zhuǎn)換成電子。這個概念與目前核研所等發(fā)展的高聚光型 III-IV太陽電池有非常明顯的區(qū)隔，目標(biāo)市場鎖定在可攜帶型太陽電池.目前 禧通的生