低成本聚光光伏發(fā)電組件

1、低成本聚光光伏發(fā)電組件1第1頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日一、全球能源消耗形勢(shì)及太陽(yáng)能未來(lái)的戰(zhàn)略地位 一百年來(lái)，全球能源消耗基本趨于穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，平均每年以3的速度增加。盡管許多工業(yè)化國(guó)家能源消耗基本趨于穩(wěn)定，但大多數(shù)發(fā)展中國(guó)家工業(yè)化進(jìn)程加快（如中國(guó)），能耗不斷增加，因此預(yù)計(jì)全球未來(lái)能源消耗態(tài)勢(shì)仍將以3的速度增長(zhǎng)。2第2頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日 能耗平均呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)所帶來(lái)的后果十分嚴(yán)重：一方面伴隨著化石燃料消耗的增加，大氣中CO2的含量相應(yīng)增加，地球不斷變暖，生態(tài)環(huán)境惡化，自然災(zāi)害及其造成的損失逐年增加，另一方面將愈來(lái)愈快地消耗掉常規(guī)

2、化石能源儲(chǔ)量。有資料表明，按照目前的發(fā)展速度和已探明的儲(chǔ)量，世界化石燃料只夠很短的時(shí)間使用（如石油只夠3040年，天然氣只夠6070年，資源最大的煤炭也僅夠170年左右）。能源的潛在危機(jī)和生態(tài)環(huán)境的惡化迫使世界各國(guó)積極開(kāi)發(fā)可再生3第3頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日 能源。在今后的2030年里，全球的能源結(jié)構(gòu)必然發(fā)生根本性的變化。專家預(yù)測(cè)，在本世紀(jì)50年代，新能源與可再生能源在整個(gè)能源構(gòu)成中會(huì)占到50。 我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，煤炭占商品能源消費(fèi)的70，已成為我國(guó)大氣污染的主要來(lái)源。已經(jīng)探明的常規(guī)能源剩余儲(chǔ)量（煤炭只夠100年使用、天然氣只夠3040年使用

3、、而石油只夠10年使用），人均能源資源不足世界平均水平的一半。目前及相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期我國(guó)能源4第4頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日 供需矛盾十分突出，為此，除了合理開(kāi)發(fā)和利用石化能源和水力、核能外，將加速開(kāi)發(fā)利用可生能源（風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等）。今年年初我?guó)已出臺(tái)“中華人民共和國(guó)可再生能源法”，在法律上把可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用提高到我國(guó)能源發(fā)展的戰(zhàn)略高度，這將大大地推動(dòng)包括太陽(yáng)能光伏發(fā)電在內(nèi)的可再生能源的發(fā)展。 我國(guó)現(xiàn)在耗能是以煤炭為主，要實(shí)現(xiàn)2020年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值比2000年翻兩番的目標(biāo)，能源供5第5頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分

4、，星期日 需矛盾十分突出，到時(shí)石化能源產(chǎn)生的CO2排放量為全球第一（約占28%）。另外，目前我國(guó)西部地區(qū)約有2萬(wàn)多個(gè)村、700多萬(wàn)戶、3000多萬(wàn)農(nóng)牧民處于無(wú)電狀態(tài)。但是，我國(guó)又是富太陽(yáng)能資源國(guó)，全國(guó)2/3以上地區(qū)年日照超過(guò)2000小時(shí)，荒漠面積有108萬(wàn)平方公里，主要分布在西北地區(qū)，適合安裝并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，如果利用其中的1.38萬(wàn)平方公里面積，則裝機(jī)容量可達(dá)1380GWp，相當(dāng)于我國(guó)2002年的全部用電量，因此市場(chǎng)潛量十分巨大。充分利用太陽(yáng)能源發(fā)電6第6頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日 這一陽(yáng)光工程將給西部地區(qū)尤其是西部貧困山區(qū)帶來(lái)極大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 太陽(yáng)

5、能光伏技術(shù)的開(kāi)發(fā)一直被列為國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃，隨著光伏技術(shù)的日趨完善，太陽(yáng)能光伏利用技術(shù)在研究開(kāi)發(fā)、商品化生產(chǎn)、市場(chǎng)開(kāi)拓方面正在快速發(fā)展，逐步成為新興產(chǎn)業(yè)之一。使用清潔能源是本世紀(jì)世界關(guān)注的重大課題，一是不可再生能源的緊缺；二是人類生存的需要，太陽(yáng)熱能利用是可再生能源技術(shù)領(lǐng)域商業(yè)化程度最高、推廣應(yīng)用最普遍的技術(shù)之一。尤其是在國(guó)內(nèi)7第7頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日 邊遠(yuǎn)地區(qū)，如果用電規(guī)模小，太陽(yáng)能特別是光伏系統(tǒng)的競(jìng)爭(zhēng)力現(xiàn)在就比大型發(fā)電系統(tǒng)要強(qiáng)得多。今后隨著常規(guī)燃料價(jià)格不斷上漲及太陽(yáng)能設(shè)備因大規(guī)模生產(chǎn)而導(dǎo)致的成本下降，太陽(yáng)能的競(jìng)爭(zhēng)力將不斷提高。由于光伏技術(shù)產(chǎn)品目前還存在

6、價(jià)格高、發(fā)電成本高等因素，嚴(yán)重制約著其在國(guó)內(nèi)大范圍的推廣應(yīng)用。因此應(yīng)著重在降低產(chǎn)品成本、提高效率、提高可靠性上研究開(kāi)發(fā)新技術(shù)、新產(chǎn)品。8第8頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日 聚光光伏發(fā)電與平板太陽(yáng)光伏發(fā)電相比，在發(fā)電量、價(jià)格和發(fā)電成本三方面都有很大優(yōu)勢(shì)。隨著大型并網(wǎng)發(fā)電中心電站開(kāi)始建設(shè)和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理進(jìn)一步加強(qiáng)，聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)還有很大的降價(jià)空間，太陽(yáng)能光伏電站的發(fā)電成本下降到民用可以接受的程度是完全有可能的。聚光器、跟蹤器產(chǎn)品是太陽(yáng)能聚光光伏系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，聚光器產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)尚屬空白，而跟蹤器也遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)用的程度。本課題旨在開(kāi)發(fā)耐候性好可批量加工、提高發(fā)電率、占地面積

7、小，節(jié)約資源的聚9第9頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日 光器和高可靠性、低成本、低功耗跟蹤系統(tǒng) 。 利用空間技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為地面民用技術(shù)優(yōu)勢(shì)，推廣應(yīng)用清潔能源，解決國(guó)際21世紀(jì)不可再生能源資源貧乏問(wèn)題。在原研制的聚光透鏡基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的可批量加工的長(zhǎng)壽命聚光器，進(jìn)一步提高光伏電站的發(fā)電量和降低發(fā)電成本，為光伏工程應(yīng)用打好技術(shù)基礎(chǔ)。聚光光伏發(fā)電主要適用于鄉(xiāng)村、臺(tái)站和戶用的中型離網(wǎng)光伏電站及大型并網(wǎng)發(fā)電中心電站。10第10頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日二、聚光光伏發(fā)電的基本原理11第11頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35

8、分，星期日 采用菲涅爾聚光透鏡將陽(yáng)光聚焦成高能量密度的光束，再將高能量密度的光束照射太陽(yáng)能聚光電池來(lái)發(fā)電，稱為太陽(yáng)能聚光式光伏發(fā)電。采用聚光電池不僅可降低發(fā)電成本，而且可提高太陽(yáng)能發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換效率，目前高效聚光電池效率已達(dá)32以上。由于聚光電池的受光面只有同功率的普通光電池幾百分之一，因此可以大大節(jié)約單晶硅的用量，即同面積的單晶硅片若制成聚光電池，發(fā)電量將提高幾百倍。例如，600W菲涅爾透鏡聚焦太陽(yáng)能電站僅需要72片聚焦太陽(yáng)能電池，采光面積小于3平方米，單晶硅片面積只12第12頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日 有164平方厘米。而600W平板固定太陽(yáng)能電站需要600

9、片100100mm平板太陽(yáng)能電池，采光面積需要6平方米，單晶硅片面積與采光面積相同6平方米?？梢?jiàn)同功率太陽(yáng)能發(fā)電站在面積上單晶硅片用量，平板固定太陽(yáng)能電站是聚焦太陽(yáng)能電站的365倍多，并且太陽(yáng)能聚光電池的厚度很薄（120m），只有平板太陽(yáng)能電池1/4，總單晶硅用量又可大幅度降低。由于單晶硅的造價(jià)很高，平板太陽(yáng)能電池單晶硅用量很大，在前期是太陽(yáng)能發(fā)電價(jià)格問(wèn)題的瓶頸。太陽(yáng)能聚光電池的出現(xiàn)將大大降低太陽(yáng)能發(fā)電的造價(jià)，是今后太陽(yáng)能發(fā)電的方向。13第13頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日平板太陽(yáng)光伏發(fā)電14第14頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日采用點(diǎn)聚焦

10、648w聚光太陽(yáng)能電站15第15頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日采用線聚焦100kw聚光太陽(yáng)能電站16第16頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日 三、課題特色 1、聚光器 1.1把空間技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為地面民用技術(shù)，過(guò)去用于空間技術(shù)現(xiàn)經(jīng)過(guò)適應(yīng)性修改和再開(kāi)發(fā)以降低成本，可用于地面聚光光伏發(fā)電組件。 1.2采用對(duì)稱折射或準(zhǔn)對(duì)稱折射設(shè)計(jì)，很好地解決了柱面線聚焦菲涅耳聚光透鏡容許有較大形變的問(wèn)題，柱面形變?nèi)莶钔ǔ？筛哌_(dá)1520。相對(duì)于常規(guī)設(shè)計(jì)，聚光透鏡面形容許變形增大100倍。聚光透鏡的光學(xué)效率：85%；幾何聚光比：20。17第17頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，

11、5月20日，22點(diǎn)35分，星期日 1.3采用特種加工工藝（用金屬模做母模，塑料模具做子模，澆注成型硅橡膠透鏡加工聚光器的方法），可實(shí)現(xiàn)大面積柱面透鏡模具精密制造；而常規(guī)小面積透鏡模具是采用點(diǎn)金剛石切削三維成型工藝。采用熱壓連續(xù)精密成型，可批量生產(chǎn)大面積線聚焦柱面透鏡。而常規(guī)的線聚焦柱面透鏡采用單一模具澆注成型，透鏡模具面積小，生產(chǎn)效率和成本均較高。 1.4采用在玻璃上用浸漬sio2減反膜為基底材料，然后粘貼一薄層橡膠菲涅耳透鏡組成的透鏡組件，以增加耐候性和耐擦性。18第18頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日 2、對(duì)日跟蹤系統(tǒng) 本項(xiàng)目研究開(kāi)發(fā)成功后，由于聚光透鏡面形容許偏

12、差最高可達(dá)20，因此，可使太陽(yáng)跟蹤由雙向跟蹤變?yōu)閱蜗蚋?。且跟蹤精度要求低（本產(chǎn)品為1 ）；跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可采用時(shí)區(qū)模塊輸入、微機(jī)定時(shí)控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高；而常規(guī)平板聚光光伏系統(tǒng)需要雙軸跟蹤，跟蹤精度要求優(yōu)于0.2 ，跟蹤系統(tǒng)復(fù)雜，需采用太陽(yáng)敏感器等控制復(fù)雜的伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行雙軸跟蹤，可靠性低，功耗相對(duì)較大。19第19頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日 3、柱面線聚焦聚光光伏發(fā)電組件集成 地面柱面聚光光伏發(fā)電組件由聚光透鏡、太陽(yáng)電池及熱沉、對(duì)日跟蹤系統(tǒng)和其它結(jié)構(gòu)件組成。上世紀(jì)90年代美國(guó)一獨(dú)立機(jī)構(gòu)對(duì)多種類型的聚光光伏組件的性能、可靠性和壽命，進(jìn)行了為期十年的

13、檢測(cè)和考察，結(jié)論是這種柱面聚光光伏組件最優(yōu)。與平板太陽(yáng)電池組件相比，太陽(yáng)電池用量減少95%；太陽(yáng)光對(duì)太陽(yáng)電池的輻射通量增加40%；與平板聚光光伏組件相比，聚光透鏡面形容許變形增大100倍，本項(xiàng)目產(chǎn)品面形偏差容許20；太陽(yáng)電池工作溫度低，本項(xiàng)目產(chǎn)品約60，長(zhǎng)期工作性能好，平板聚光組件的電池20第20頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日 溫度要超過(guò)80 ；單軸對(duì)日跟蹤為主，跟蹤精度要求低，本項(xiàng)目產(chǎn)品為1 。帶跟蹤器無(wú)故障使用時(shí)間可達(dá)5年以上；太陽(yáng)能光伏發(fā)電組件自身耗電量小于發(fā)電量的1%；與相同功率的平板太陽(yáng)電池組件相比發(fā)電量提高40%，組件價(jià)格降低40%。采用特種加工工藝，可

14、實(shí)現(xiàn)大面積柱面透鏡模具精密制造；而常規(guī)小面積透鏡模具是采用點(diǎn)金剛石切削三維成型工藝。采用熱壓連續(xù)精密成型，可批量生產(chǎn)大面積線聚焦柱面透鏡。而常規(guī)的線聚焦柱面透鏡采用單一模具澆注成型，透鏡模具面積小，生產(chǎn)效率和成本均較高。21第21頁(yè)，共23頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)35分，星期日 四、結(jié)束語(yǔ) 聚光光伏發(fā)電組件與常規(guī)平板太陽(yáng)電池組件相比，發(fā)電量提高40%，組件成本降低40%，所組成的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本可降低60%以上，有望達(dá)到1元/kw.h以下（目前采用平板太陽(yáng)電池組件的發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電成本約為3元/kw.h），從而具有很大的競(jìng)爭(zhēng)力。課題完成完成后可達(dá)到小批量生產(chǎn)階段的產(chǎn)品技術(shù)性能水平，與目前國(guó)內(nèi)的