聚光光伏綜述

文獻(xiàn)綜述太陽能是一種潔凈的自然再生能源，取之不盡，用之不竭。而且太陽能是所有國家和個(gè)人都能夠得以分享的能源。為能經(jīng)濟(jì)有效的利用這一能源，人們從科學(xué)技術(shù)上著手研究太陽能的收集、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存以及輸送，已經(jīng)并正在取得顯著進(jìn)展，這無疑對(duì)人類的文明具有重大意義。太陽能在轉(zhuǎn)換過程中效率較低，10?20%可轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，其余能量以散熱的形式損失掉了，這就限制了太陽能的廣泛應(yīng)用，因此必須根據(jù)各地不同的氣候和不同的需要來提高太陽能利用的轉(zhuǎn)換效率，改善現(xiàn)有技術(shù)，減少裝置成本。太陽能在未來能源結(jié)構(gòu)中將占有主要地位，除了被動(dòng)式的用于室內(nèi)采光，建筑供暖和生活熱水，主動(dòng)式太陽能利用技術(shù)可以把太陽能轉(zhuǎn)化其他形式的能源而獲得更廣闊的應(yīng)用前景。太陽能的利用基本方式主要分為光熱利用，光化學(xué)利用，光生物利用以及太陽能發(fā)電等。對(duì)太陽能的利用主要是太陽能發(fā)電，對(duì)太陽能的利用主要是太陽能發(fā)電，在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，技術(shù)最復(fù)雜的組成部分應(yīng)屬太陽能電池。可以說，太陽能電池是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心，其開發(fā)、生產(chǎn)直接影響到太陽能發(fā)電的普及和發(fā)展。早在1839年，法國科學(xué)家貝克雷爾(Becqurel)就發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應(yīng)”，簡稱“光伏效應(yīng)”。1954年，美國科學(xué)家恰賓和皮爾松在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了實(shí)用的單晶硅太陽電池，誕生了將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。硅是最理想的太陽能電池材料，這是太陽能電池以硅材料為主的主要原因。在所有太陽電池中單晶硅太陽能電池是最常用的，技術(shù)也最為成熟光電轉(zhuǎn)化效率較高的可達(dá)23.3％。但由于單晶硅材料價(jià)格及相應(yīng)的繁瑣工藝影響，單晶硅成本價(jià)格居高不下，大幅降低成本非常困難，無法實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電的大規(guī)模普及。采用聚光方法和光電/光熱(Photovoltaic/Thermal,PV/T)綜合轉(zhuǎn)換，降低已經(jīng)大規(guī)模生產(chǎn)的常規(guī)太陽電池光伏轉(zhuǎn)換的成本，提高太陽電池的利用效率和經(jīng)濟(jì)性的可能性。用廉價(jià)的菲涅爾透鏡聚光提高電池表面太陽輻射強(qiáng)度，從而達(dá)到提高單位電池面積輸出功率，降低電池發(fā)電成本。這實(shí)際上是相當(dāng)于用廉價(jià)的聚光器代替昂貴的半導(dǎo)體材料，使系統(tǒng)成本中的一部分從電池成本轉(zhuǎn)移到聚光元件成本中去，因此降低了系統(tǒng)光伏轉(zhuǎn)換的成本。另一方面通過冷卻電池來降低電池工作溫度，使電池能夠在高效率下工作，同時(shí)得到一定量的余熱回收，使太陽能得到綜合利用。太陽能高倍聚光的幾何聚光比一般在120倍以上,是傳統(tǒng)線性聚光器如復(fù)合拋物面型(CPC)和槽式拋物面型(PTC)等所不能實(shí)現(xiàn)的。點(diǎn)聚焦和兩級(jí)聚焦作為高倍聚光方式,逐步成為探索和研究的前沿而被應(yīng)用于諸如太陽能聚光發(fā)電、太陽能醫(yī)療、納米材料加工、光化學(xué)以及自然采光等多種領(lǐng)域。聚光光伏系統(tǒng)中的聚光器經(jīng)過幾十年的發(fā)展,為了盡量提高效率和節(jié)省材料,聚光光伏系統(tǒng)經(jīng)歷了一次次的革新,其中,聚光器件也不斷地發(fā)生相應(yīng)的變化,這里按其類型介紹如下:傳統(tǒng)折射式的光能收集器折射式的光能收集器可以是傳統(tǒng)的連續(xù)透鏡,也可以是菲涅爾型透鏡,而菲涅爾型透鏡更具優(yōu)勢(shì)[1]:菲涅爾透鏡當(dāng)口徑很大時(shí)可以制作得薄并且輕。用菲涅爾透鏡作聚光器比采用鏡片可以有更大的口徑,也就是菲爾透鏡可以具有很低的f數(shù)。制作菲涅爾透鏡的材料可以是塑料或者是有機(jī)玻璃,不僅比玻璃便宜輕便,而且可以批量生產(chǎn)。菲涅爾透鏡有點(diǎn)聚焦(見圖1)和線聚焦(見圖2)兩種,跟蹤系統(tǒng)類型可以相應(yīng)為二維跟蹤和一維跟蹤。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合可選取不同的聚焦方式。圖1點(diǎn)聚焦菲涅爾透鏡

圖2線聚焦菲涅爾透鏡2）傳統(tǒng)反射鏡式光能收集器反射鏡式光能收集器（見圖3）主要是利用反射鏡將入射太陽光聚焦到PV電池板上。圖3曲面反射鏡式聚光鏡3）非成像太陽能聚光器非成像聚光器設(shè)計(jì)的最終要求是在單位面積上獲得最大強(qiáng)度的光,其實(shí)質(zhì)是一個(gè)光學(xué)“漏斗”,它要求大面積上的入射光被折射或反射后能通過一塊小得多的面積來達(dá)到聚能的目的。因此,非成像光學(xué)應(yīng)用于太陽能聚光器不僅可以得到很高的聚光比,還能獲得較大的接收角以及較小的體積。這非常適合作為非跟蹤式的靜態(tài)聚光器,并進(jìn)行集成［2,3］。美國特拉華大學(xué)最新研制的超高效硅太陽能電池,在標(biāo)準(zhǔn)的陸地日光條件下,其太陽能轉(zhuǎn)換效率達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的42.8%,比其他種類太陽能電池高出大約30%,是目前最好的硅太陽能電池的2倍,其采用的聚光器便為非成像式的光學(xué)系統(tǒng)。非成像聚光器有以下幾種:復(fù)合曲面線式非成像聚光器這是一種三維光學(xué)系統(tǒng),四壁為復(fù)合曲面式的反射鏡,底部為PV電池板,復(fù)合曲面可以為復(fù)合拋物面(CPC，見圖4(a)),復(fù)合雙曲面(CHC，見圖4(b)),復(fù)合橢球面(CEC，見圖4(c))。但是這類聚光器軸向長度一般比較長,體積大［4,5］。(a)Conipounclparabolicconcentrator(b)魚合農(nóng)曲KH■聚光鐐(b)Compoundhyperbolicconcentrator(c)復(fù)合榊圓曲聚光鏡(c)Compoundellipticalconcentrator圖4復(fù)合曲面聚光器理想管狀聚光器這種聚光器的pv電池板一般需要豎直放置，且兩面均可吸收光能。折射式聚光鏡(RR)這種類型的透鏡(見圖5)外形類似于傳統(tǒng)的透鏡，光線經(jīng)過兩次折射后到達(dá)pv電池，該聚光鏡的優(yōu)點(diǎn)是接收角度可以很大(半角可＞15°)，但實(shí)際聚光比相比于理論聚光比差距較大，只有理論聚光極值的30%左右，導(dǎo)致這種情況的原因是由于聚光鏡橫縱比較小，即中心厚度過大，因此材料的散射、吸收對(duì)最終結(jié)果影響加大［6］。圖5RR式聚光鏡反射折射式聚光鏡(XR)在XR型聚光鏡(見圖6)中，光線先經(jīng)過反射再經(jīng)過折射匯聚到光伏電池上，相比于RR型透鏡，相同接收角度時(shí)，XR型的聚光比大大提高，透過率卻相對(duì)較低,原因是接收電池的背部朝向光源，由于遮擋而增加了陰影面積，減小了透過率。另外，由于鏡面和電池是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的元件，封裝固定較為困難［7,8］。

鑒于XR型透鏡難于集成封裝的缺點(diǎn)，逐漸演變出了RX型聚光鏡（見圖7）,RX聚光鏡可以鑄造成一個(gè)整體元件,電池有效表面雖然仍背向光源,但聚光效果明顯優(yōu)于XR型聚光鏡，并且體積可以做得較大。在不考慮材料成本而考慮集成難度區(qū)別于前幾種聚光鏡,RXI聚光鏡（見圖8）的電池有效接收面朝向光源，使電池的底部封裝變得簡易,而且由于引入了上表面的一次全反射,使能量損失減小,透過率提高,能以較小的體積獲得較高的聚光比,適合集成。通過注塑成型,可以

大大降低成本,發(fā)展前景很大［10,11］。圖8RXI式聚光鏡二次結(jié)構(gòu)內(nèi)部全反射式聚光鏡(TIR-R)TIR-R聚光鏡(見圖9)主聚光鏡為鋸齒形,次鏡為折射鏡,聚光鏡內(nèi)部有些不能一次到達(dá)次鏡的光線會(huì)因發(fā)生全反射而改變光路,因此可以進(jìn)一步成為有效光線而減小能量損失,避免了其他類型聚光鏡存在的散射等損失［12,13］。圖9TIR-R型聚光鏡通過研究上述幾種聚光器，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的任務(wù)是如何能夠使聚光光學(xué)系統(tǒng)更加穩(wěn)定、使用壽命更長、成本降低。目前,普遍認(rèn)為非成像的聚光光學(xué)系統(tǒng)是未來聚光光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。跟蹤系統(tǒng)目前國內(nèi)的光伏發(fā)電系統(tǒng)多為固定安裝,該方式雖然控制、安裝簡便,但是由于大部分時(shí)間太陽光不能直射,造成利用率比較低。若對(duì)太陽光進(jìn)行跟蹤,使太陽光始終垂直照射在接收面,則接收到的太陽輻射將大大增加,從而達(dá)到提高光伏系統(tǒng)發(fā)電效率、降低成本的目的。太陽的方位隨著觀測(cè)位置和觀測(cè)時(shí)間的不同而不同,因此,欲跟蹤太陽就必須先對(duì)太陽進(jìn)行定位。進(jìn)行定位可以使用光敏電阻或其他種類的傳感器,組件的朝向?qū)ι⑸涔饩€不很敏感,主要影響因素是太陽輻照中的直射部分。固定安裝的太陽電池組件在早、晚的光入射角都很大,而隨著角度的繼續(xù)增加,組件上的光學(xué)損失將增大。跟蹤方式有單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種,雙軸跟蹤比單軸跟蹤能產(chǎn)出更多的電能,然而單軸跟蹤實(shí)現(xiàn)起來比雙軸跟蹤更容易,制造和維護(hù)成本更低,所以在大部分場(chǎng)合可以使用單軸跟蹤方式來節(jié)約成本。但無論是何種跟蹤裝置,都要確保傳感器適應(yīng)風(fēng)、雨、冰雹等各種惡劣環(huán)境,即使其被浮塵和大雪覆蓋,仍要保證正常跟蹤。此外采用鑄鋁外殼加光學(xué)衰減片保護(hù)電路元件,可抗紫外線和高溫。跟蹤系統(tǒng)在整個(gè)聚光光伏系統(tǒng)中所占的成本是比較大的,并且與跟蹤精度成正比,而跟蹤精度又由聚光元件的接收角決定。在精度和成本間取得平衡,這是聚光光伏系統(tǒng)能否充分推廣的重要因素。聚光光伏系統(tǒng)中的光伏電池聚光是降低光伏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(gè)較小的范圍內(nèi)形成“焦斑”或“焦帶”,并將光伏電池置于“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。聚光光伏電池與普通光伏電池略有不同,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)設(shè)計(jì)等方面都要進(jìn)行一些特殊考慮。這里根據(jù)聚光比的要求對(duì)電池進(jìn)行分類介紹[14:]1） 適用于低倍聚光比（I?100）的電池如薄膜電池、單晶硅電池、多晶硅電池。薄膜電池很薄,可以制成疊層式以充分吸收太陽光,或采用集成電路的方法制造在一個(gè)平面上,用適當(dāng)?shù)难谀９に?一次制作多個(gè)串聯(lián)電池,以獲得較高的電壓。其存在的問題是光電轉(zhuǎn)換不夠穩(wěn)定,所以尚未大量用作大型太陽能電源。這幾種電池價(jià)格普遍較低,但轉(zhuǎn)換效率亦較低,單晶硅為24.7%;多晶硅為19.8%;非晶硅（薄膜）僅為14.5%。2） 適用于中倍聚光比（100?300）的電池如多晶薄膜電池（背接觸電池）。價(jià)格一般，轉(zhuǎn)換效率一般為14%?18%。3）適用于高倍聚光比（300以上）的電池這類電池主要是多元化合物電池，多元化合物電池是指不是用單一元素半導(dǎo)體材料制成的光伏電池，通常是由iii-v半導(dǎo)體制成的多節(jié)電池?，F(xiàn)在各國研究的品種繁多，主要有硫化鎘光伏電池、砷化鎵光伏電池、銅銦硒光伏電池幾種。這類電池需要特殊設(shè)計(jì)以適應(yīng)高倍太陽光的照射，雖然價(jià)格較高，但轉(zhuǎn)換效率也較高，可達(dá)到25%?35%或者更高。光伏電池當(dāng)前的任務(wù)是如何能夠低成本地生產(chǎn)出大批量的多節(jié)光伏電池，轉(zhuǎn)換效率在適當(dāng)?shù)木酃獗认聻?6%左右。聚光光伏系統(tǒng)商業(yè)化所面臨的問題聚光光伏最終是否能實(shí)現(xiàn)到大規(guī)模的并網(wǎng)發(fā)電，在保證可靠性的前提下盡量降低成本是非常重要的，主要的技術(shù)問題包括［15,1：6］高效低成本的聚光技術(shù)；由聚光的不均勻所帶來的熱性能和電性能的變化；電池組件的散熱問題；高效的聚光光伏電池；可靠低成本的跟蹤系統(tǒng)；可靠的封裝技術(shù)等。參考文獻(xiàn)：LINJSH,HUANGWCH,HSUHCH,etal.AstudyforthespecialFresnellensforhighefficiencysolarconcentrators[J].SPIE,2005,5942:59420X/1-9.薛國良?非成像光學(xué)及其應(yīng)用[J].物理通報(bào)，1995,4:1-2.DAVIESPA.Edge-rayprincipleofnonimagingoptics[J].Opt.Soc.Am.A,1994,11:1256-1259.WINSTONR,JUANCM,PABLOB.NonimagingOptics[M].SanDiego:ElsevierAcademicPress,2004.GAN-ISONJD,DUFFLWS,O/GALLAGHERJJ,etal.Optimalnonimagingintegratedevacuatedsolarcollector[J].SPIE,1993:2016:120-127.MIANOJC,GONZLEZJC.Newmethodofdesignofnonimagingconcentrators[J].Appl.Optics,1992,31:3051-3036.HERNNDEZM,BENTEZP,MIANOJC,etal..TheXRnonimagingphotovoltaicconcentrator[J].SPIE,2007,6670:667005/1-10.LINJSH,HUANGWCH,HSUHCH,etal..AstudyforthespecialFresnellensforhighefficiencysolarconcentrators[J].SPIE,2005,5942:59420X/1-9.MIANOJC,GONZ'LEZJC,BENTEZP.Newnon-imagingdesigns:theRXandtheRXIconcentrators[J].SPIE,1993.2016:120-127.MIANOJC,GONZ'LEZJC,BENTEZP.Ahigh-gain,compact,nonimagingconcentrator:RXI[J].Appl.Opt.,1995,34:7850-7856.PARKYNWA,MUNOZF,MINANOJC,etal..Edge-raydesignofcompactetendue-limitedfolded-opticcollimators[J].SPIE,2004,5185:6-17.PARKYNWA,PELKADG.Compactnon-imaginglenswithtotallyinternallyreflectingfa