孫建偉-線性聚光光伏系統太陽電池性能主要影響因素研究97-2003

1、<p>　　中山大學碩士學位論文</p><p>　　線性聚光光伏系統太陽電池性能主要影響因素研究</p><p>　　學位申請人： 孫建偉 </p><p>　　導師姓名及職稱： 沈輝 教授 </p><p>　　專業(yè)名稱： 凝聚態(tài)物理 </p><p>　　答辯委員會主席：

2、 </p><p>　　答辯委員會成員： </p><p><b>　　論文原創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明： 所呈交的學位論文是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文不包含

3、任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出的重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。</p><p><b>　　學位論文作者簽名：</b></p><p>　　日期： 年 月 日</p><p>　　學位論文使用授權聲明</p>

4、;<p>　　本人完全了解中山大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留學位論文并向國家主管部門或其指定機構送交論文的電子版和紙質版，有權將學位論文用于非贏利目的的少量復制并允許論文進入學校圖書館、院系資料室被查閱，有權將學位論文的內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用復印、縮印或其他方法保存學位論文。</p><p>　　學位論文作者簽名： 導師簽名：</p&

5、gt;<p>　　日期： 年 月 日 日期： 年 月 日</p><p><b>　　知識產權保護聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：我所提交答辯的學位論文，是本人在導師指導下完成的成果，該成果屬于中山大學物理科學與工程技術學院，受國家知識產權法保護。在學期間與畢業(yè)后以任何形式公開發(fā)表論文或申請專利

6、，均須由導師作為通訊聯系人，未經導師的書面許可，本人不得以任何方式，以任何其它單位做全部和局部署名公布學位論文成果。本人完全意識到本聲明的法律責任由本人承擔。</p><p><b>　　學位論文作者簽名：</b></p><p><b>　　日期：</b></p><p>　　線性聚光光伏系統太陽電池性能主要影響因素研究

7、</p><p><b>　　凝聚態(tài)物理</b></p><p><b>　　碩士生：孫建偉</b></p><p>　　指導老師： 沈輝 教授</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　近些年來，太陽能光伏發(fā)電特別是平板光伏（P

8、V）發(fā)電的應用如火如荼。光伏產業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)包括生產設備商、原料供應商、光伏組件生產商、光伏系統集成商發(fā)展都非常迅猛并且相對較為成熟。同時圍繞PV組件制定了較為完善的光伏標準。相比較而言，聚光光伏（CPV）產業(yè)的發(fā)展要滯后的多，同時人們對CPV的關注度與認知度也要低的多。本文工作的一個主要部分就是對聚光光伏系統發(fā)展進行調研，并對其發(fā)展現狀、技術成果、發(fā)展趨勢進行了分析和總結，給人們呈現一個清晰的CPV產業(yè)輪廓。同時對一種新型線性聚光光伏

9、系統進行了實驗分析與應用評估。本文包括CPV產業(yè)分析與總結和線性CPV具體實驗兩部分。</p><p>　　第一部分CPV產業(yè)分析與總結。描述了CPV系統的基本構成、分類、發(fā)電原理等基本問題。對整個CPV產業(yè)做了全面的調查與總結。找到目前CPV發(fā)展的瓶頸和將來要解決的問題。指出CPV發(fā)電系統的復雜性、多樣性導致了制定相關行業(yè)標準的困難性。與平板PV組件相比目前國內對CPV發(fā)電關注很少，對整個CPV市場也缺乏一種完

10、整的認識。國內從事CPV研究的機構不僅數量少而且層次低。本文第一部分盡量完整描述CPV發(fā)展的現狀。使大家對CPV發(fā)電的優(yōu)缺點有更深刻的理解。</p><p>　　第二部分為實驗部分，本部分論述了作者碩士期間的主要工作——搭建新型聚光光伏系統平臺，嘗試對聚光電池組件進行新式封裝。完善跟蹤控制裝置的設計與制作。對聚光光伏發(fā)電系統各組成部分包括菲涅爾透鏡﹑聚光電池組件﹑機械傳動裝置﹑控制跟蹤系統和冷卻系統進行優(yōu)化組合。

11、并且對硅太陽電池聚光組件在低倍聚光條件下的發(fā)電特性進行了理論分析和實驗驗證。指出聚光光強、聚光組件工作溫度等因素對聚光組件發(fā)電量及發(fā)電效率的影響。提出了為提高整個系統的發(fā)電效率而進行改造升級的可能性及具體實施措施。該種線性聚光光伏系統的研制理念特別是跟蹤方式的選擇及散熱裝置的設計是進行CPV系統研究的重要嘗試和探索。作為一個新型透射式聚光發(fā)電系統也填補了國內在這一領域研究空白。</p><p>　　最后，本文論述

12、了CPV系統的發(fā)展趨勢和前景。并且對未來幾十年CPV各組成部分的技術提升做了一個推測。指出幾十年后CPV系統在大中型并網電站應用中必將占據重要位置。</p><p>　　關鍵字：聚光光伏（CPV）系統；并網；菲涅爾透鏡；跟蹤控制</p><p>　　The Study of Main Impacting Factors of Solar Cell in a Linear Concentra

13、tor PV System</p><p>　　Condensed state physics</p><p>　　Name: Sun Jianwei</p><p>　　Supervisor: Professor Shen Hui</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p&

14、gt;　　Photovoltaic (PV) technology especially the flat-plate PV module is developing very fast in recent years. Industrial chains of PV mainly include the manufacturers of production equipments, providers of saw materials

15、, producers of PV modules and integrators of PV systems, etc. All of them have been developing rapidly and maturely. At the same time some PV standards are established now. Contrast Concentrator PV (CPV) system with flat

16、-plate PV module, it is found that industry of CPV has a slower d</p><p>　　The first part is summarization and analysis of CPV industry. It describes the basic structure, classification and the principle of

17、CPV system. And it makes a comprehensive survey and in order to find the development bottleneck of CPV. Due to the complexity and diversity it is difficult to set down the uniform standards for CPV industry. Less concern

18、 with the CPV leads to less sufficient understand. So considering the situation mentioned above the author makes great efforts to describe the real </p><p>　　The second part is experimental part. First it de

19、scribes the main work of the author that is construction of a new type of concentrator PV system. CPV system includes some parts such as the Fresnel lens module, the concentrator solar module, the mechanical driving devi

20、ce, the tracking control system and the cooling system, etc. The main job is to optimize all of them and get good performance of the whole CPV system. Meantime the author tries a new type of module encapsulation method a

21、nd designs </p><p>　　Finally, the thesis introduces the developing trend and perspective of CPV system, and deduces the technological enhancement range of some CPV main parts in the future. Also the author p

22、oints out the possible application of CPV system in the field of middle and large grid-connected PV power stations.</p><p>　　Keywords: Concentrator PV(CPV) system; grid-connected; Fresnel lens；Tracking contr

23、ol</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　論文原創(chuàng)性聲明·······················

24、3;····································&#

25、183;····················（Ⅰ）</p><p>　　學位論文使用授權聲明··········

26、····································

27、3;·························（Ⅲ）</p><p>　　知識產權保護聲明·····

28、3;····································&#

29、183;··································（Ⅳ）</p>

30、;<p>　　中文摘要·································

31、3;····································&#

32、183;····················（Ⅴ）</p><p>　　英文摘要···········

33、····································

34、3;····································&#

35、183;······（Ⅶ）目錄·····························&

36、#183;····································

37、;·······························（Ⅸ）</p><p>　　緒論·

38、;····································

39、83;····································&

40、#183;··············（1）</p><p>　　1.1聚光光伏系統的發(fā)展歷史···············&

41、#183;····································

42、;········（1）</p><p>　　1.2聚光光伏系統構成及基本原理·····················

43、83;································（3） 1.3聚光光伏系統的研究進展

44、和商業(yè)應用····································

45、;········（5） 1.4 聚光光伏發(fā)電系統市場發(fā)展及技術提高························&

46、#183;···············（6） </p><p>　　1.5 碩士論文的主要工作····

47、;····································

48、83;························（7）</p><p>　　第2章 聚光光伏產業(yè)的現狀及成本分析·····

49、;····································

50、83;·········（9）</p><p>　　2.1 聚光光伏發(fā)電系統的構成····················&#

51、183;····································

52、··（9）</p><p>　　2.2 聚光光伏發(fā)電系統的分類····························

53、;·····························（13）</p><p>　　2.3聚光光伏系統應用實例·

54、;····································

55、83;························（15）</p><p>　　2.4 CPV系統的成本分析 ·····&

56、#183;····································

57、;······················（22）</p><p>　　2.5 CPV系統的測試與標準·······

58、83;····································&

59、#183;··················（24）</p><p>　　第3章 新型線性聚光光伏發(fā)電系統實驗研究··········

60、································（25）</p><p>　　3

61、.1線性聚光系統基本構成··································

62、3;··························（25）</p><p>　　3.2 實驗結果與分析····

63、····································

64、3;····························（43）</p><p>　　3.3實驗平臺的完善和實驗補充·&#

65、183;····································

66、················（60）</p><p>　　第4章 中低倍硅聚光電池發(fā)電理論分析及CPV聚光比的理論推導···········&

67、#183;··（62）</p><p>　　4.1 中低倍硅聚光電池發(fā)電理論分析··························&#

68、183;····················（62）</p><p>　　4.2 聚光器聚光比理論分析·········&

69、#183;····································

70、;··············（69）</p><p>　　第5章 聚光光伏發(fā)電的應用前景···············

71、83;····································&

72、#183;·····（74）</p><p>　　5.1 CPV系統發(fā)展趨勢及影響因素·······················&

73、#183;························（74） </p><p>　　5.2 CPV研究發(fā)展愿景····&

74、#183;····································

75、;·······················（76） </p><p>　　5.3 CPV系統應用之路······

76、····································

77、3;·····················（79）</p><p>　　結束語··········&#

78、183;····································

79、····································

80、3;··········（80）</p><p>　　參考文獻·····················&

81、#183;····································

82、;·································（82）</p><p

83、>　　攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文與專利·································

84、····················（89）</p><p>　　附錄：從事CPV研究的科研單位及公司·········&

85、#183;····································

86、;·····（90）</p><p>　　廣州地區(qū)太陽光輻射數據·························&

87、#183;····································

88、;·······（92）</p><p>　　致謝························

89、3;····································&#

90、183;···································（95）&l

91、t;/p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　眾所周知能源問題是關系到國計民生乃至國家安全的大問題，目前國際上許多沖突甚至戰(zhàn)爭都是因爭奪能源而起。在能源結構方面目前的形勢仍然是煤、石油、天然氣等常規(guī)能源占主導地位。但是常規(guī)能源畢竟有限，為了子孫后代的長遠發(fā)展。開發(fā)利用新能源逐漸擺脫對常規(guī)能源的依賴是我們生存的需要而不僅僅是環(huán)保的需要。開發(fā)可再生能源已成為

92、二十一世紀世界各國經濟發(fā)展中的重要影響因素之一。特別是在一些特殊應用領域[1-2]，太陽能發(fā)電與常規(guī)能源發(fā)電相比有其不可替代的獨特優(yōu)勢。美國“百萬屋頂計劃”,德國“十萬屋頂計劃”，日本“陽光屋頂計劃”等一些發(fā)達國家相關政策的推出與實施，太陽能發(fā)電行業(yè)在最近10年內以年均40%的速度增長。專家預測，到2030年光伏發(fā)電在世界總發(fā)電量中將占到5-20%。但是硅材料的高成本等問題使得目前太陽電池的生產成本仍然很高，用較便宜的聚光器件來部分代替

93、昂貴的太陽電池已成為降低光伏發(fā)電成本有效途徑之一。</p><p>　　聚光光伏系統發(fā)展歷史</p><p>　　聚光光伏系統的發(fā)展歷史主要分為四個階段： </p><p>　　第一階段20世紀70年代中期到80年代中期的研究初創(chuàng)期[3]。聚光光伏系統（CPV system）的研究開始于70年代年主要是因為受到1973年石油

94、危機的影響。1976年美國用于聚光系統的經費預算為125萬美元。七十年代中期美國Sandia實驗室開發(fā)第一個聚光系統[4]。該系統聚光比50、效率12.7%、峰值功率1kW。幾乎在同一時期，Sandia委托Spectrolab開發(fā)了聚光比25、效率10.9%、峰值功率10kW的聚光系統。隨后法國、西班牙和意大利也設計出類似的聚光光伏系統。同時還有很多其他的聚光發(fā)電新概念被提出來但卻沒有實施。早期的這些CPV系統主要是驗證聚光光伏發(fā)電這一

95、概念。這一階段最大的CPV發(fā)電系統是Martin Marietta 公司為沙特阿拉伯安裝的350kWp聚光電站和安裝于美國田納西州奧斯汀市300kW Entech聚光發(fā)電系統。</p><p>　　第二階段80年代中期到九十年代中期的規(guī)范成長期。伴隨著80年代早期石油危機結束油價開始回落，政府支持力度開始減小。從1975年到1992年世界范圍內用于聚光光伏的研發(fā)投入剛剛超過4000萬美元，這一數目僅占平板PV組件

96、研發(fā)投入的一小部分。這一時期出版了第一本關于聚光光伏的專著[5]。美國出現了Amonix和Entech[6]兩家較有代表性的聚光光伏公司。 </p><p>　　第三階段90年代中期到2005年前后以后改造升級期。特別是在歐洲，各種聚光新理念開始付諸實施。比如這一時期開發(fā)了Euclides[7] 技術。同時開始側重于聚光電池的研究。斯坦福大學的Swanson和他的同事們研制的背點接觸（PC）結構的Si聚光電池9

97、0年代中期的聚光效率已達到26%[8]。2007年美國Spectrolab將Ⅲ－Ⅴ族化合物三結聚光電池效率做到40.7%[9]。并且效率還有不斷提升的趨勢。表1-1指出2012年以前多結聚光電池效率的提高過程。由于Ⅲ－Ⅴ族三結聚光電池具有更高的發(fā)電效率，因此許多CPV公司正積極進行改造升級，用Ⅲ－Ⅴ族三結聚光電池來代替原來的硅聚光電池。</p><p>　　表1-1多結聚光電池效率的提高過程[9]

98、 </p><p>　　第四階段2005年以后的商業(yè)應用期，盡管目前全世界CPV發(fā)電系統總安裝量為MW級，遠遠落后于晶硅組件GWp安裝規(guī)模。美國Amonix公司和澳大利亞Solar Systems公司是目前兩家較有代表性且比較成功的商業(yè)化公司，并且單個聚光光伏陣列的峰值功率也都能夠達到幾十兆瓦（MW）的規(guī)模。隨著“中華人民共和國可再生能源法”的出臺，我國也開始逐步加大包括光伏發(fā)電在內的可再生能源發(fā)展的支持力

99、度。國內已經出現了一批在國際上都相當有影響力的光伏公司，與CPV系統相關的公司卻寥寥無幾。由于CPV發(fā)電系統與平板光伏組件系統相比所固有的優(yōu)勢和特點，CPV系統必將在大中型并網光伏電站領域占有一定市場份額。</p><p>　　1.2 聚光光伏發(fā)電系統的構成及基本原理</p><p>　　平板光伏系統應用規(guī)模跨度很大，可以從1～2W的太陽能燈到兆瓦級的光伏電站。聚光光伏發(fā)電系統由于其本身組

100、成的復雜性及運行期間的維護需求決定了在大中型并網光伏電站的應用中才能發(fā)揮CPV系統的優(yōu)勢。目前很多研究機構和公司為了研究的需要推出各自的CPV示范發(fā)電系統。這種CPV示范系統的規(guī)?？纱罂尚?。</p><p>　　圖1-1 聚光光伏系統舉例</p><p>　　聚光光伏系統根據聚光比﹑跟蹤方式﹑聚光方式的不同可以分為若干類。但一般來講，一個完整的聚光光伏發(fā)電系統包括以下幾個部分：</p

101、><p><b>　　聚光組件 </b></p><p>　　接收器，包括聚光電池和散熱部分</p><p><b>　　集光器</b></p><p><b>　　二次聚光器（選件）</b></p><p><b>　　機架保護組元等</b

102、></p><p><b>　　平衡系統（BOS）</b></p><p>　　跟蹤機構，包括機械部分和電子控制部分</p><p><b>　　組件支架</b></p><p><b>　　配線和接線盒</b></p><p><b>

103、　　電力調節(jié)設備</b></p><p><b>　　儲能電池</b></p><p><b>　　逆變器（并網系統）</b></p><p><b>　　數據接收器等</b></p><p>　　與常規(guī)PV發(fā)電系統相比，CPV系統的各組成部分的成本分布情況會有所不

104、同，特別是太陽電池的成本在整個PV系統中所占的比例差異很大。聚光電池成本在CPV系統總成本中占很小一部分（見圖1-2）。在CPV系統中跟蹤控制部分所占的成本比例很大。</p><p>　　圖1-2 CPV系統各組成部分成本分布[10]</p><p>　　聚光光伏系統的研究進展和商業(yè)應用</p><p>　　從70年代人們開始研究CPV系統以來到現在已經有30多年的

105、歷史。這一過程中CPV系統的各組成部分特別是聚光太陽電池的技術水平有了重大突破。2007年美國Spectrolab公司以GaAs為主的Ⅲ－Ⅴ族三結聚光電池實驗室已經取得太陽電池的最高效率40.7%。2009年發(fā)電效率可以提高到42%（見表1-1）。另外日本夏普、德國FhG-ISE也取得了較高的發(fā)電效率。2007年晶硅聚光太陽電池實驗室最高效率為27%左右，為美國Sunpower公司保持[19]。圖1-3給出了1982年-2006年，常規(guī)

106、硅太陽電池、硅聚光太陽電池和Ⅲ－Ⅴ族多結聚光電池實驗室最高效率的提高發(fā)展情況。澳大利亞新南威爾士大學硅太陽電池最高效率為24.7%,一直保持單晶硅太陽電池最高效率記錄。</p><p>　　圖1-3 三種電池實驗室最高效率[58]</p><p>　　CPV發(fā)電系統的商業(yè)化進程一直很緩慢。二十世紀八十年中期Martin Marietta 公司為沙特阿拉伯安裝的350kWp聚光電站和隨后安裝

107、于美國田納西州奧斯汀市的300kW Entech聚光發(fā)電電站是兩個較有代表型的CPV電站。CPV系統發(fā)展早期所安裝的CPV電站大多數是出于展示與實驗目的而不是商業(yè)應用目的。對于高效聚光電池的研究最大的驅動力是太空應用特別是衛(wèi)星供電的需求，而不是CPV本身技術改造的需求。但將目前開發(fā)的高效聚光電池應用到CPV系統中的確可以切實提高系統的整體發(fā)電效率，使得CPV發(fā)電成本低于平板PV組件特別是晶硅PV組件。美國的AMONIX和澳大利亞Sola

108、r Systems是以商業(yè)化銷售為主為數不多的兩家CPV公司。但整體的發(fā)展規(guī)模與目前平板PV產業(yè)井噴式的增長形成了強烈的反差。CPV發(fā)電系統的研究始于70年代。在隨后發(fā)展的幾十年的時間里，歐洲，美國，日本都先后推出了自己的示范CPV發(fā)電系統。并且對各自的CPV系統進行了長期的實驗跟蹤。與晶體硅光伏組件的產量已達到GWp/年的規(guī)模相比，CPV系統的安裝量僅僅維持在MW級。 </p><p

109、>　　1.4聚光光伏發(fā)電系統的市場發(fā)展及技術提高</p><p>　　關于CPV市場發(fā)展有兩點需要考慮，第一點是目前硅材料價格居高不下。這對于硅材料成本占晶硅組件成本70%的平板組件生產來說是一個重要影響因素，可以預見未來幾年內硅材料短期的問題會一直存在。這可能會使想要介入光伏行業(yè)的公司會由于無法保證穩(wěn)定的硅料來源轉而投資聚光光伏發(fā)電等相關光伏產業(yè)。第二點就是CPV系統與平板組件系統相比有其自身的優(yōu)點，聚光

110、光伏發(fā)電系統與常規(guī)組件相比具有很多本身固有的優(yōu)點。比如系統構成中很少使用有毒材料，系統的各個組成部分容易回收等。另一方面現有的半導體制造技術完全能夠滿足聚光電池的生產需求，因此擴產比較容易并且聚光系統是唯一一種系統效率超過20%的光伏發(fā)電方式。這有助于降低用地和成本。表1-2給出了未來幾年內CPV系統聚光電池的量產效率、光學透鏡效率、系統聚光比和系統發(fā)電效率等技術參數的提高目標?？梢灶A見隨著CPV系統技術的不斷提高、發(fā)電成本的不斷降低，

111、CPV市場將會有大的發(fā)展。</p><p>　　表1-2 未來幾年內CPV系統技術提高目標[9]</p><p>　　若聚光系統的應用地區(qū)直射輻照條件較好，CPV系統比平板PV系統更有競爭力，最佳的CPV系統應用方式為GaAs多結太陽電池在高倍聚光條件下發(fā)電，并且很有潛力成為能夠與常規(guī)主流能源發(fā)電成本相競爭的太陽能發(fā)電方式。未來發(fā)展的趨勢可能是將光熱、光電結合形成光熱電一體化，進一步提高能

112、量利用效率[9]。</p><p>　　1.5 碩士論文的主要工作</p><p>　　本文的主要研究工作是搭建了一個新型聚光光伏系統平臺。對硅太陽電池聚光組件在低倍聚光條件下的發(fā)電特性進行了理論分析和實驗驗證，并且給出了相應的結果。</p><p><b>　　具體如下：</b></p><p>　　1、CPV產業(yè)分析

113、與總結。與平板PV組件相比目前國內對CPV發(fā)電關注很少，對整個CPV市場也缺乏一種完整的認識。從事CPV研究的機構不僅數量少而且層次低。本文第一部分盡量完整描述CPV發(fā)展的現狀。使大家對CPV發(fā)電的優(yōu)缺點有更深刻的理解。</p><p>　　2﹑新型線形聚光光伏實驗平臺的搭建與完善。嘗試對聚光電池組件進行新式封裝，跟蹤控制裝置的設計與制作，聚光光伏發(fā)電系統各組成部分包括菲涅爾透鏡﹑聚光電池組件﹑機械傳動裝置﹑控制

114、跟蹤系統和冷卻系統的優(yōu)化組合。還包括數據采集儀器，冷水機，熱電偶，輻照計，總輻照表，標準電池等設備的選擇。</p><p>　　3﹑利用聚光光伏平臺進行科學實驗主要包括聚光組件熱性能和電性能分析。對硅太陽電池聚光組件在低倍聚光條件下的發(fā)電特性進行了理論分析。通過改變聚光組件所接受到的光強大小及工作溫度得到相應的電性能曲線。分析了光強與溫度對聚光組件發(fā)電性能所造成的影響。利用太陽組件測試儀通過對常規(guī)小組件室內聚光實

115、驗分析得到常規(guī)組件聚光條件下的IV特性。</p><p>　　4﹑聚光光伏系統的發(fā)展前景和趨勢。分析了聚光光伏系統的優(yōu)缺點及未來幾十年技術革新目標及相關措施。一方面大中型CPV并網電站在那些輻照條件較好的地區(qū)市場安裝量會出現大的飛躍。另一方面考慮如何將聚光后多余的熱量通過光熱發(fā)電等方式再利用，即將聚光系統做成光伏光熱一體化將是一個很有前景的發(fā)展方向。</p><p>　　聚光光伏產業(yè)的現狀

116、及成本分析</p><p>　　人類利用會聚太陽光的歷史最早可以追溯到公元前兩世紀[10],那時人們通過聚光得到更大能量的光和熱。聚光光伏（CPV）技術的發(fā)展真正開始于1976年，當時美國的Sandia國家實驗室率先安裝了被稱作Sandia I和Sandia II[11]的峰值功率為1kw的聚光光伏陣列。隨后西班牙IES-UPM于1978年開始了Ramo n Areces計劃。近年來聚光光伏發(fā)電系統的研究發(fā)展迅速

117、，聚光電池最高效率不斷得到突破。近些年更多采用Ⅲ－Ⅴ族多結電池作為聚光電池，以GaAs為主的Ⅲ－Ⅴ族多結聚光電池最初的研究是基于太空應用的需要[12]，慢慢的同聚光系統結合才有了地面民用的可能性并且發(fā)展很迅速。使用高效的多結聚光電池會使整個系統的安裝成本明顯降低。目前做的較好的有美國AMONIX公司的IHCPV和澳大利亞Solar Systems 公司的CS500碟式聚光系統。2008年世界上最大的聚光光伏電站項目154MW 維多利亞計

118、劃即將在澳洲西北維多利亞啟動。</p><p>　　圖2-1 人類最早的聚光利用</p><p>　　2.1 聚光光伏發(fā)電系統的構成</p><p>　　一套典型的CPV發(fā)電系統一般包括聚光組件和平衡（BOS）系統兩大部分。聚光組件包含了接收器、聚光器、機架保護組元等。聚光組件組成部分中最重要的是接收器。接收器又包括了聚光電池和散熱裝置兩個主要部分。平衡系統包括跟蹤

119、控制機構和配線接線、電力調節(jié)裝置等附屬配件。其中跟蹤控制部分包括機械傳動和電子控制部分。并網CPV發(fā)電系統還應加裝逆變器。</p><p><b>　　聚光組件</b></p><p>　　聚光組件是CPV發(fā)電系統中最重要的組成部分，也是目前CPV最重要的研究課題之一。為了安裝、運輸的方便及長使用壽命的需要，通常把與聚光組件有關的各個部分包括接收器、聚光器、機架保護組

120、元采取一體化封裝方式。西班牙isofoton公司生產的平板微型聚光組件采用了新型的TIR-R聚光鏡為接收器進行聚光。接收器的襯底材料為銅板，所采用的聚光電池也從原來背接觸硅聚光電池升級為更高效率的Ⅲ－Ⅴ族化合物聚光太陽電池。整個微型平板聚光組件為一體化封裝，厚度僅為3cm，外形與常規(guī)平板PV組件類似。</p><p>　　聚光組件的發(fā)電性能除了受到聚光鏡的聚光作用影響以外，很大程度上取決于聚光電池的效率。因此如何

121、提高聚光電池的發(fā)電效率就變得尤為重要。實際上聚光電池發(fā)電效率的高低直接反映了各國在CPV系統方面的研究水平。聚光電池有很多種結構，從材質上分主要有兩種：一種是硅聚光電池，另一種是Ⅲ－Ⅴ族化合物聚光太陽電池。為了提高整個CPV系統的發(fā)電效率，降低發(fā)電成本，Ⅲ－Ⅴ族聚光電池在聚光組件的使用中所占的比例有逐步加大的趨勢。一般來講聚光電池具有正面光遮擋損失小、低的串聯電阻和陷光效果好等特點。</p><p><b&

122、gt;　　硅聚光電池</b></p><p>　　Jan G. Korvink[13]等人指出目前硅聚光太陽電池主要有四種設計方案。第一種為 V型凹槽電池，第二種是垂直多結電池，比如EUCLIDES 電站所使用的BP Saturn 聚光電池，第三種是p++-n-n++結構電池最初由Sandia國家實驗室于1982年提出，經過優(yōu)化后可以在150倍的聚光光強條件下應用,，在40到200個太陽的聚光條件下效

123、率為20％。第四種是背電極接觸高效電池，Sunpower公司的聚光電池，96倍聚光條件下，效率達到27%。</p><p>　　2、Ⅲ－Ⅴ族化合物聚光電池</p><p>　　截止到2008年有三家公司或者研究機構在多結電池效率上保持領先[14]，包括波音公司的Spectrolab，日本的Sharp和德國的FhG-ISE。另外從事相關研究的還有俄羅斯約飛物理技術研究所（Ioffe Phys

124、ico-Technical Institute）等。同時隨著研究的不斷深入，聚光電池的結數不斷增加，效率也在不斷提高[15-18]。理論上四結聚光電池聚光效率可達50％以上。目前三結電池所能夠達到的最高效率為40.7％[16]，是Spectrolab實驗室2007年所得到的結果?；倦姵亟Y構為GaInP/GaInAs/Ge 三結疊層方式，具有很高的填充因子。California 技術研究所現已研制出了Ⅲ－Ⅴ族四結電池，只是效率在40％。

125、目前美國和日本在多結電池的效率上處于領先地位，歐洲的德國，西班牙，俄羅斯研究的高倍聚光電池效率也已經接近40％。專家預測2009年Ⅲ－Ⅴ族三結聚光電池的最高效率將達到42%。</p><p>　　圖2-2 （左） Spectrolab Ⅲ－Ⅴ族三結聚光電池的IV特性曲線[10] 圖2-3 （右） 三結電池在衛(wèi)星上的應用</p><p>　　以GaAs為主的Ⅲ

126、－Ⅴ族多結聚光電池最初的研究是滿足太空應用的需要(見圖2-3)，目前在中高倍點聚光系統中近些年更多采用Ⅲ－Ⅴ族多結電池作為聚光電池。這樣以來Ⅲ－Ⅴ族多結電池的應用領域也由太空擴大到地面。使用高效的多結聚光電池會使整個系統的安裝成本明顯降低，基本上來說Ⅲ－Ⅴ族多結聚光電池具有以下幾個特點;</p><p>　?、螅踝咫姵爻叽巛^晶硅電池尺寸明顯要小。前者的尺寸基本上在平方毫米～平方厘米（mm2～cm2）量級（見圖2

127、-4）。同樣的發(fā)電功率，高倍聚光發(fā)電系統明顯節(jié)省電池面積和用量，使得價格昂貴的Ⅲ－Ⅴ族聚光電池能夠實現地面應用。</p><p>　　2、高的開路電壓和寬的光譜吸收帶。采用多個pn結的電池結構，可以顯著提高電池的開路電壓，增大太陽光譜的吸收范圍（見圖2-5）。聚光電池內部的多個pn結之間相互串聯。每個pn結都對應一個光譜吸收帶，spectrolab開發(fā)的三結聚光電池所對應的光譜吸收帶的寬度為300nm～1800n

128、m，基本結構為GaInP/GaInAs/Ge，各結電池具有不同的光譜吸收范圍[9]。表2-1給出了2007年各種太陽電池的最高轉換效率及研究單位?？梢钥闯鯣aAs多結聚光電池最高發(fā)電效率遠遠高于其他太陽電池。</p><p>　　圖2-4 三結聚光電池的制作[9] 圖2-5 三結聚光電池結構示意圖[9]</p><p>　　表2-1 2007年 各種太陽電池最高效率及研制單位[19

129、] </p><p>　　2.1.2平衡系統（BOS）</p><p>　　平衡系統是一種總稱，聚光光伏系統中除聚光組件以外的各組成部分通稱為平衡系統[76]。BOS圍繞聚光組件而設計，最終目的就是能夠最好的利用聚光組件進行發(fā)電。一般來說BOS包括機械支撐框架、跟蹤控制裝置以及配線接線、電力調節(jié)裝置等附屬配件，如果是并網系統還需要安裝逆變器。</p><p>　　

130、2.2聚光光伏發(fā)電系統的分類</p><p>　　近年來聚光光伏發(fā)電系統的研究發(fā)展迅速，聚光電池最高效率不斷得到突破、聚光鏡的光學效率的提高、散熱裝置的改進、系統平衡系統（BOS）不斷優(yōu)化等都使得整個聚光發(fā)電系統發(fā)電效率不斷提高，發(fā)電成本不斷降低。Sala G等人曾指出基本聚光系統類型有五種[20]，但簡單來講可分為點聚光、線聚光和固定聚光三種類型。實際上根據聚光比﹑跟蹤方式﹑聚光方式的不同可以將聚光光伏系統進行

131、不同的分類。</p><p>　　2.2.1 按跟蹤方式分類</p><p>　　聚光光伏系統按跟蹤方式進行分類一般可以分為固定聚光、單軸跟蹤和雙軸跟蹤三種。固定聚光方式適用于聚光比為幾倍的聚光系統。單軸跟蹤系統所能實現的聚光比一般要小于100倍。大于100倍的聚光光伏系統要采取雙軸跟蹤方式。</p><p>　　跟蹤控制通過跟蹤控制系統來實現。跟蹤控制系統又包括機

132、械傳動和電子控制兩個部分。根據跟蹤系統的工作原理又可分為主動跟蹤和被動跟蹤兩種方式。其中主動跟蹤又稱開環(huán)控制，被動跟蹤也被稱為閉環(huán)控制。主動跟蹤方式根據當地的地理經度、緯度和所處時間等信息編寫跟蹤程序輸入電子控制部分以此驅動機械傳動裝置實現對太陽位置的跟蹤。這種跟蹤方式的優(yōu)點是無論天氣情況如何，跟蹤系統都會按照預設的方式進行工作，保證了跟蹤的連貫性。被動跟蹤方式一般要采用太陽傳感器來測量跟蹤太陽的最大輻射光強所處的方位角和高度角，以此來

133、達到系統跟蹤的目的。這種跟蹤方式的特點是在多云的天氣條件下跟蹤控制部分會暫時停止，等待晴天時再通過太陽傳感器自動搜索太陽的位置。 </p><p>　　表2-2給出了CPV系統按照跟蹤方式不同的分類情況。1977年Sandia國家實驗室安裝的世界上第一個大型聚光系統SANDIA I采用閉環(huán)控制（被動跟蹤方

134、式），太陽傳感器使用了四塊太陽電池，后來由西班牙IES-UPM研究組改進后使用了八塊傳感電池[21]，也可以用光敏電阻代替電池使用。通過計算機程序跟蹤太陽位置的開環(huán)控制系統最早采用是在1981年，初期使用時由于時鐘穩(wěn)定性和參考位置精確度低等問題效果很差，后來SOLARAX將高精度數字角度傳感器和天文跟蹤相結合取得了很好效果?；旌涂刂朴蠸elf－aligning和Self－learning等。相比之下Self－learning精度更高,優(yōu)

135、勢更為明顯 [21]。</p><p>　　表2-2 聚光光伏系統跟蹤方式的類別[21]</p><p><b>　　按聚光比分類</b></p><p>　　按照幾何聚光比的不同又可分為低倍聚光、中倍聚光和高倍聚光。對于低倍聚光（幾十倍）來講，通常采用線聚光、單軸跟蹤的運行方式（對于加裝二次聚光裝置的發(fā)電系統來講，也可以達到幾百倍的聚光比），

136、由于聚光系統構造的復雜性導致的不穩(wěn)定性和使用地域的選擇性[22]，使得該技術的應用發(fā)展緩慢。高倍聚光（大于300倍）通常采用點聚光、雙軸跟蹤的運行方式，一般采用效率更高的Ⅲ－Ⅴ族多結電池。更重要的是可將聚光組件做成類似于平板電池組件的模塊化設計，便于運輸，安裝與維護。以上原因使得高倍點聚光組件的市場前景要好于中低倍聚光組件。</p><p><b>　　按聚光方式分類</b></p&g

137、t;<p>　　根據聚光方式和幾何原理可將聚光光伏系統分為鏡面反射和透鏡折射兩類[23]。鏡面反射式聚光一般采用材質為不銹鋼或者玻璃等鍍銀后做為反射鏡。這種聚光方式的最大特點就是反射鏡尺寸一般比較大，一般在1～100m2量級。同時該種聚光系統一般不能夠實現一體化封裝即聚光鏡和聚光電池組件沒有密封在一起。透鏡折射式聚光系統[24]一般采取基材為玻璃或者有機塑料的菲涅爾透鏡（F-lens）做為聚光器，折射的聚光方式使得該種系統

138、容易實現一體化封裝。封裝后聚光組件的厚度很大程度上取決于透鏡的焦距。F-lenes又可分為點聚光和線聚光兩種方式。一般來說線聚光對應中低倍CPV系統，點聚光對應高倍CPV系統。</p><p>　　表2-3 CPV系統的分類[58]</p><p>　　2.3聚光光伏系統應用實例</p><p>　　目前CPV系統研究及應用走在前列的國家和地區(qū)包括美國，歐洲的西班牙

139、、德國和亞洲的日本、澳大利亞等。從事線性CPV系統研究的公司及科研機構[25-26]以澳大利亞國立大學、美國ENTECH公司和德國Frauhofer ISE為代表。從事點聚光CPV系統研究的公司及科研機構以美國AMONIX公司、西班牙isofoton公司、德國Fraunhofer-ISE下屬Concentrix公司、澳大利亞 Solar Systems 公司和日本NEDO[27-28]計劃為代表。</p><p>

140、;　　2.3.1線聚光系統</p><p>　　從事線性聚光光伏系統研究的公司及科研機構以澳大利亞國立大學、美國ENTECH公司和德國Frauhofer ISE為代表。其中ENTECH公司開發(fā)Solarline (包括兩個組件) 和Solarrow（包括72個組件）聚光發(fā)電系統采用穹形菲涅耳透鏡進行線聚光，是比較成熟并且已經市場化的線聚光光伏系統。還有西班牙的第三代EUCLIDES[29-32]。EUCLIDES

141、 Ⅲ于2006年9月剛剛安裝完畢，采用拋物線形金屬反射鏡聚光。ANU研發(fā)的PV/TROUGH聚光系統，該系統采用鍍銀玻璃拋物線聚光鏡[33]。另外還有很多研究機構或大學也對線性聚光系統進行的深入研究比如德國的Fraunhofer ISE，他采用復合拋物面反射鏡（CPC）作為二次聚光裝置使得整個線性聚光系統的幾何聚光比達到300×[34-35]。ENTECH公司的產品產業(yè)化是很成功的，已經安裝了幾百千瓦（kWp）聚光組件。<

142、;/p><p><b>　　ENTECH公司</b></p><p>　　ENTECH公司從事基于地面應用的線性聚光系統的研究已經有20多年的歷史[12][24]。最早從事微型F-lens點聚光的研究，后來采用幾何聚光比（CG）為21倍的穹形線性菲涅耳透鏡[36]聚光到空氣冷卻的硅太陽電池表面。之后不斷進行了新的改進、優(yōu)化、升級。90年代以來關于Solarline與Sol

143、arrow（見圖2-7）的研究項目得到了美國能源部（DOE）、國家可在生能源實驗室（NREL）和Sandia國家實驗室的財政資助和技術支持。該項目也是DOE于1990年發(fā)起的光伏制造技術產業(yè)化計劃PVMAT的一個組成部分。Solarline與Solarrow的基本技術參數見表2-4。ENTECH公司在1993－1996年制作完成了第四代穹形F-lens聚光系統。其中Solarline包括兩個聚光發(fā)電組件，Solarrow包括了72個聚光

144、發(fā)電組件[37]。ENTECH公司在原有系統的基礎上又進行了大量改進，2000年將組件效率從原來的13％提高到了27％[38]。</p><p>　　表2-4 Solarline與Solarrow基本構成及參數</p><p>　　圖2-7 Solarrow發(fā)電系統在田納西州建有幾百千瓦的示范工程[24]</p><p>　　Fraunhofer ISE</

145、p><p>　　德國Fraunhofer ISE開發(fā)的BICON聚光系統由拋物面鏡、電絕緣CPC和RLCC聚光電池組成。通過拋物面鏡將陽光匯聚到接受器上，加裝二次聚光器CPC可以實現300×的高聚光比[72]。圖2-8為BICON系統結構圖，圖2-9是BICON系統使用的聚光接受器實物圖。</p><p><b>　　接收器構成</b></p>&

146、lt;p>　　接受器[13][39]由背面線接觸硅電池RLCC、六個PMMA制成的CPC透鏡和和散熱裝置共同組成。其中RLCC在100個聚光太陽條件下可實現25％的最高效率。CPC 二次透鏡最大接受角為±23.5 º。當入射角為0 º時可實現83％的光學效率。有關RLCC的詳細介紹可參考文獻[40]。</p><p><b>　　系統聚光比</b><

147、/p><p>　　考慮到接受器中散熱裝置對一次拋物面聚光鏡的遮擋使得拋物面鏡的聚光比從40.4倍（40.4×）的設計值降為38.4×，CPC幾何聚光比為7.72×，所以系統的幾何聚光比為296.45×。該系統目前未見相關商業(yè)化的報道。</p><p>　　圖2-8 BICON系統結構圖[41] 圖2-9 BICON系

148、統使用的聚光接受器[30] </p><p>　　2.3.2 點聚光系統實例</p><p>　　高倍點聚光系統一般是采用菲涅耳透鏡將太陽光匯聚到小面積聚光電池表面，整個系統通常采用被動散熱方式即使用導熱性能優(yōu)異的鋁板做成散熱裝置，便于長期使用而且穩(wěn)定性好。綜合考慮性價比一般都采用雙軸跟蹤的方式，用兩個馬達和兩套傳動裝置來實現。即同時跟蹤太陽的高度角和方位角使電池時刻處于最

149、大光強的照射之下，通過添加二次聚光裝置進一步提高光強強度及均勻度而且會減小跟蹤誤差所造成的影響。目前來講采用高效聚光電池的點聚光系統市場化程度比線聚光系統要高些，美國的AMONIX公司、西班牙的isofoton、德國的Fraunhofer-ISE的下屬公司Concentrix和日本Daido鋼鐵公司在點聚光光伏系統研究及應用方面走在前列。值得一提的是中國北京先騰公司2004年已經得到Amonix公司的技術轉讓并開始生產IHCPV系統[4

150、2]。</p><p>　　（1）德國Fraunhofer ISE</p><p>　　德國Fraunhofer ISE于2005年夏天裝配了第一臺并網的高倍聚光發(fā)電系統FLATCON®（見圖2-10）。FLATCON®的基本原理是采用面積為4×4cm2的菲涅耳透鏡給直徑為2mm的圓形多結聚光電池提供500倍的聚光光強[43-44]。同時聚光電池安置在銅質散熱

151、板上。為了將FLATCON®發(fā)電系統推向市場，2005年3月，Fraunhofer ISE成立了Concentrix 太陽能股份有限公司（Concentrix Solar GmbH）。該公司主要從事FLATCON®發(fā)電系統的生產和銷售。</p><p>　　圖2-10 安裝于德國Frauhofer ISE 樓頂的FLATCON®發(fā)電系統[45]</p><p>

152、;　　（2）西班牙isofoton</p><p>　　西班牙isofoton公司生產平板微型聚光組件，該聚光組件最大的創(chuàng)新點就是采用了新型的TIR-R聚光透鏡為電池進行聚光。早期的平板微型聚光組件聚光倍數多為幾百倍，因此通常采用背接觸硅電池作為聚光電池，但隨著透鏡制作工藝的不斷改進，聚光比也不斷提高由原來的幾百倍變?yōu)樯锨П叮酃怆姵匾蚕鄳捎酶咝实蘑螅跆栯姵?，可以使組件效率超過25％。接受器以銅板作為襯

153、底材料（見圖2-11），一方面使電池之間互連省去導線連接，另一方面又可以作為散熱銅板給電池散熱[46]。TIR-R透鏡制作及工藝改進如下：</p><p>　　TIR-R包括一個初級透鏡（POE）和一個二次光學透鏡(SOE)組成。其中POE基于透射、全內反射（TIR）、折射和非球面透鏡原理制成。 </p><p>　　TIR-R能夠達到菲涅耳透鏡所不能達到的小焦距，大的接受角。這樣就使得整

154、個透鏡組焦距很小最終導致封裝后的組件僅有3cm左右的厚度，同時具有大于1°的接受角。</p><p>　　透鏡用PMMA制成，透鏡光學效率大于80％。</p><p>　　透鏡采用澆注模型（injection－molded）的方法制成[47]。該方法容易引入的缺陷：煙囪錐度，邊頂角圓滑度，縮痕等，這些缺陷會減小透鏡的光學效率。</p><p>　　圖2-1

155、1 聚光電池置于銅散熱板表面[48] 圖2-12 TIR-R透鏡聚光發(fā)電組件[48]</p><p>　　實驗發(fā)現透鏡的制作過程中通過改變TIR面的數量可以改變透鏡的聚光倍數，接受角，透鏡焦距，光學效率等參數。自2000年開始透鏡的TIR面的數量有越來越小的趨勢，這一方面提高了聚光倍數另一方面也降低了最大接受角。如此就對跟蹤精度和散熱提出了更高的要求。</p><p>　　美國AMONIX

156、公司</p><p>　　AMONIX公司[49-51]是一家專門研究、開發(fā)和生產集成高效率聚光發(fā)電系統（ 以下簡稱IHCPV系統）的公司。2006年以前IHCPV系統包括了框架，透鏡，單晶硅太陽電池、散熱裝置、跟蹤器、基建部分、液壓系統、馬達、控制器、逆變器、傳感器、電度表和風速計等組成部分。采用雙軸跟蹤，偶爾的跟蹤精度的失配可以由放置在硅電池周圍的二次光學裝置（用小的鋁片加工而成）來彌補[52]。2006年通