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聚光光伏电池及系统的研究现状

来源:华佗小知识
第32卷第3期2011年3月太阳能学报AclAENERGLAESOIARIsSINICA、k1.32.No.3Mar.,2011聚光光伏电池及系统的研究现状王一平1’2,李文波1,朱丽2,韩新月1,方振雷1(1.天津大学化工学院,天津300072;2.天津大学建筑学院,天津300072)摘要:首先总结了国内外在聚光光伏发电方面的权威研究机构及公司情况,介绍了目前聚光光伏发电技术及系统的最新研究进展情况及存在的技术难点;其次综述了近几年国内外在聚光太阳电池方面的最新研究进展,并介绍了聚光光伏中的冷却问题;最后对聚光光伏发电技术的发展前景进行了展望。关键词:聚光光伏系统;硅聚光电池;多结聚光电池;CPV冷却中图分类号:TM914.4文献标识码:AO引言代的石油危机,随着技术的日趋进步,近几年取得了较大发展,目前全球已开展了很多研究项目,并建成了许多示范工程。1.1国外1.1.1澳洲澳大利亚的SolarSystems公司主要致力于500X的碟式聚光光伏发电系统(CS500)的研发,采用的是高效聚光硅太阳电池,是反射式CPV技术的主要开发者之一[5]。该公司分别在Umuwa、Hermannsburg、Yuendumu和Lajamanu使用了40个CS500单元,建成了功率近lMW的碟式发电系统。近期该公司计划投资4.20亿美元建造154MW超大规模的CPV系统,该系统利用传统热发电系统中的定日镜实现光线的汇集,采用Spectrolab的高效多结砷化镓(GaAs)太阳电池,实现聚光光伏系统的经济性。澳大利亚国立大学ANU(AustralianNationalUni.太阳能光伏发电作为太阳能利用中最具发展前景的技术已被广泛应用,然而光伏发电成本太高使其在整个能源结构中所占比例很低。如何降低光伏发电成本成为各国竞相研究的重要课题。其中,聚光光伏CPV(ConcentratorPhotovoltaic)发电技术具有降低光伏发电成本的潜力,从而引起极大关注,近期已成为研究热点,并建立了多处规模化的示范项目…。聚光光伏发电系统主要由聚光器、聚光电池和跟踪系统等几部分组成。利用聚光器将太阳光汇聚到小面积的聚光电池上,用低廉的聚光器取代了昂贵的光伏电池,同时聚光太阳电池的高效率可大大减少昂贵硅材料的使用,因此可以在很大程度上降低光伏发电成本她j。聚光光伏系统与常规平板太阳电池组件相比,发电量提高40%,组件成本降低40%,系统的发电成本可降低60%以上[3】。McCon.nell预计到2020年,使用效率超过41%的III—V多结versity)从1995年开始对槽式聚光光伏系统进行研究,也建成了数个聚光光伏项目。第一个商业化的规模化示范项目是一个300m2的单轴跟踪的CHAPS系统,为ANU的一栋住宿楼Brucehall提供电和热水。Brucehall系统由8个长为24m的槽式聚光镜组成。聚光镜、接收器及太阳电池的宽度分别为1.55、0.08和0.04m。除去接收器的阴影面积几何聚光比为37X[刮。1.1.2欧美美国的Amonix公司是一家专门研究、开发和生聚光电池的光伏系统发电效率将有望达到33%,光伏系统的售价将会下降到1.00¥/WpHJ。本文主要介绍了近几年国内外从事聚光光伏技术研究的公司和机构及其研究成果以及聚光光伏技术存在的问题,并综述了聚光太阳电池的最新研究进展。l聚光光伏系统聚光光伏发电技术的研究起始于20世纪70年收稿目期:2008.12.12基金项目:亚太清洁发展与气候变化合作计划APP项目;国际科技合作项目(2009DFA62570)通讯作者:朱丽(19r78一),女,副教授、博士,主要从事太阳能利用技术和太阳能建筑一体化方面的研究。zly-tj@163.00m万方数据434太阳能学报32卷产集成高效率聚光硅太阳电池(mcP、r)发电系统的公司,是透射式CPV技术的主要开发者之一【7]。主要利用价格低廉的塑料透镜,将阳光聚焦250X后照射到很小面积的太阳电池上发电。内华达州立大学太阳能试验场装有一套Amonix公司最新一代25kWp的HCPV系统,与前几代产品相比,该系统不论在外观上还是在性能上都有较大提高。该系统是美国能源部立项,对Amonix公司HCPV系统进行测试的装置,测试期限为1a,运行十分稳定,最高输出达26kW,超过设计值,同时系统能经受时速达56kndh的大风。Arizona电力公司目前在Arizona安装了6套25kWp的系统,平均上网功率达18kWp。Amonix已于2004年同北京先腾科技有限公司携手开发中国市场旧J。欧洲各国对聚光光伏的研究也一直处于世界前沿,并建成了很多示范项目。德国的FLATCON.型CPV系统使用的是FLATCON.型组件技术,文献[9]对这项技术进行了详细描述。由于使用的ⅡI—V双结聚光电池有较高的转化效率和经济性(10|,2005年2月,Concentrixsolar公司将FLATCON型技术进行商业化。第一个完全并网的FLATCONCPV系统被安装在FraunhoferISE(‰FraunhoferInstituteofSolarEnergysvsteI璐),其系统运行效率高达26.8%[11|。德国的SolFocus电池板是由主级镜和次级镜、非成像光学元件和三结太阳电池组成的发电单元。主级镜和次级镜把太阳能聚集500X于光学棒上,再把光引导至高效率的太阳电池上,该电池效率比一般的硅电池效率高2x以上。SolFocus于2008年与西班牙聚能光伏系统研究院(IsFoC)合作,将在Castilla-La.Mancha建设ISFOC的3MW项目中第一次安装CPV阵列。意大利Fermra大学的碟式CPV系统是欧盟Ⅲ.EOCONTE的一部分,该系统包括130个平面镜组成碟式聚光器,聚光比为115X,采用聚光硅太阳电池n引。2008年夏天3.9kW和4.8kW的Rondin系统分别在意大利的Ferrara附近和Catania附近安装,该系统采用一种新的Rondine聚光器,该聚光器是一种非成像聚光器,具有较大的接受角,聚光模块是在中倍聚光进行(25x),并采用硅太阳电池[1引。西班牙的Iso嗍N公司从2001年开始进军CPV产业,它是西班牙最大且最具代表性的光伏电池生产厂家。另外西班牙一所新的研发机构IES万方数据(InstitutodeEnergiaSolar)已接受财政支持,用于建设一个2.7MW的聚光型光伏电池示范项目[14I。西班牙的Martin和Ruiz对V型槽式聚光器的光学性能进行了分析,研究表明光学损失取决于槽腔的角度,镜子反色号光谱和角度反射和表面污垢。最后有效聚光比和相对成本应考虑所有这些分析因素。这将有助于在每种情况下寻求最有效的解决方案‘1别。1.1.3其它以色列Ben.Gurion大学的碟式CPV系统中的碟式聚光器面积达40(O'12、焦距接近13m,在2006年利用此碟式系统对GaAs密排电池组件进行了户外测试。Faiman教授[15]认为基于此抛物碟的CPV系统,发电投资成本约1¥/Wp,所发电的价格低于每度10美分。1.2国内国内聚光光伏发展相对国外较晚,但随着世界能源短缺及国内外光伏发电的迅速发展,国内聚光光伏发电已成为研究热点和国家支持重点。2006年成都钟顺科技发展有限公司承担了国家高技术研究发展计划(863计划)先进能源领域重点项目“MW级并网光伏电站”中“MW级聚光型(CPV)并网电站及关键设备研制”课题。高倍兆瓦级聚光型(CPV)并网电站项目包括建设一座发电功率为IOMW的太阳能示范电站和聚光器、聚光电池、太阳跟踪系统等关键设备的研制,占地104k矗,总投资6000万元,将于2009年年底完成,建成后将成为全国最大的聚光光伏(CPV)太阳能电站。2007年12月底,这个由科技部与四川省合作共建的国家“十一五”、“863”计划重点科技攻关项目一期工程主体在西昌顺利建成【17l。由内蒙古伊泰集团与中科院理论物理研究所陈应天合作建设而成的内蒙古伊泰聚光光伏电站,成为国家首家核准的全国最大规模的太阳能光伏示范电站。该项目由伊泰集团投资2100万元建设。2006年10月份开工建设,现已完成。采用数倍聚光光伏发电系统,总装机容量205kW,安装了200kW太阳能聚光光伏电池和5kW常规平板太阳能光伏电池,进行太阳能聚光光伏发电和常规平板太阳能光伏发电的对比试验。其年发电量不小于59.86万kWh【墙J。张耀明太阳能项目科研启动基金研制了一种自3期YE--平等:聚光光伏电池及系统的研究现状435动跟踪太阳的蝶式光伏发电聚光器。该聚光器的外形像蝴蝶,聚光倍数可达到2~12X,平面镜的利用率高达85%以上u9|。西安交通大学的肖遵林等汹1提出了一种低倍聚光的抛物面槽式聚光光伏发电方式。合肥工业大学聚光型太阳能光伏系统的研究采用9个平面镜构成抛物面聚光器,太阳电池接收光源达到额定光强的约5x,在太阳电池标准配置下很大地提高了光伏系统的输出功率怛1j。天津大学的王一平等池3设计开发了一套72矗条形平面镜聚光系统,聚光倍数为20X,预测发电成本低于1¥/kWh。该聚光系统可应用到大规模发电项目,如果在城镇内应用,还可实现电热联用。的核能研究所(INER—InstituteofNuclearEn.ergyResearch)于2007年建成了一套100kW的HCPV系统。该系统在几何聚光比为476X,850W/m2辐照度下,冷却方式为被动式冷却,其最大模块效率约为26.1%。系统包括14套5kW立柱系统和2l套1.5kW屋顶系统。每个5kW立柱系统和1.5kW屋顶系统又各自包括40个模块和12个模块。每一个模块是由40个Spectrolab公司生产的转换效率为35%太阳电池组成旧J。2聚光太阳电池聚光太阳电池是聚光光伏系统的核心部分,提高聚光电池的效率是聚光电池的研究重点。聚光太阳电池主要有聚光硅太阳电池和砷化镓太阳电池ⅢJ。聚光硅太阳电池按照结构可分为平面结聚光硅电池和垂直结聚光硅电池。在垂直结电池中,光生电流并不沿伊n结平面流动,而是直接被电极所收集,因此相对平面结电池具有较小的串联电阻。Stanford研究小组汹1研制的点接触硅聚光电池的效率为26.5%(140x)。Sunpower公司汹3制造的背面接触硅电池的效率达到26.8%(96X)。Amonix公司研制的高效率点接触绒面硅聚光电池已达27.3%(93X)旧J。德国AZURSpaee公司生产的产品硅电池既可用于空间又可用于地面聚光系统。德国的另一家公司FraunhoferISE研制的RLCC聚光硅电池,100X下的效率为25%,已用于BICON系统,其几何聚光比为300X。2007年由美国特拉华大学的两位科学家Christina和Allan研制的超高效硅太阳电池效率高达42.8%旧J。万方数据GaAs电池是发展较快的聚光电池,其禁带宽度为1.4eV,是一种带隙对光伏能量转换来说接近理想的半导体材料。2005年NREL(NationalRenewableEnergyLaboratory)的三结太阳电池效率达到37.9%(10X)汹]。2005年Spectrolab公司的多结砷化镓太阳电池效率达到39%(236X)啪J。2006年其多结太阳电池效率达到40.7%【31I。目前出售的地面用CPV电池为Cl砌型,并正在开发C2MJ型。Cl砌型在250C,500X下效率为37.5%。NREL于2008年10月1日宣布开发出光电转换效率为40.8%的太阳电池[笠]。EMCORE公司生产的聚光产品主要有CrJ太阳电池(在聚光下效率可达到39%)和CTJ组件(在聚光下效率可达到35%)。德国AZURSpace公司生产的GaAs电池既可用于空间又可用于地面聚光系统,电池可用于的聚光比高达1000X。2008年9月其多结电池效率达到39.7%,聚光比为300X,创下新的欧洲纪录。日本Sharp公司也在开发砷化镓多结聚光电池,其效率大于37%,已在欧洲等地的CPV系统使用。Sarah等㈨比较了单结和多结太阳电池的理论和实验的效率,给出了特定带隙组合下的理论效率极限,指出目前最高效率为40%的三结电池的理论效率大于60%。Oliva等阻]介绍了砷化镓电池转换效率与提高在高功率密度的发展。靠使用金属电极网格设计和优化的增透膜单色和不均匀激光额外的提高性能。光照为36.5W/cM下,最大单色(810nm)的光电力转换效率54.9%。国内近年研究聚光太阳电池的机构和单位也在逐渐增多,并取得一定进展。成都奥鑫科技有限公司主要从事CPV技术,目前销售聚光硅电池和多结电池,但是效率较低。另外,中电电气南京光伏有限公司、天津电源研究所等单位也在进行聚光太阳电池的研制,但距离国际水平还有较大差距。3聚光光伏技术的冷却问题聚光光伏系统发展最关键的问题之一就是高光强下如何有效冷却太阳电池。目前所采用的冷却方式一般分被动式和主动式。主动式冷却是用流动的水或其它介质将聚光方阵工作时产生的热量带走,达到冷却太阳电池的目的。被动式冷却是通过散热器直接散放到大气中。有较高的可靠性,但对高聚光率产生高能流密度的情况,则应考虑使用主动式436太阳能学报32卷冷却。Edenbum∞]研究了单个电池的菲涅尔透镜点聚光系统采用被动散热翅片冷却时散热器成本与系统效率的关系,指出对点聚焦阵列,被动式冷却的成本随透镜面积的增长而增加,同时也应保持聚光比几乎不变,原因为当空隙面积增大时,就需要一个更厚的、更昂贵的换热器。ANU采用内部有翅片强化传热的铝管对电池进行主动式冷却,铝管内的冷却液是水、防冻液和防腐剂的混合物,在典型工作条件(聚光率37X,冷却液体温度65℃,环境温度25℃)下,系统热效率为58%,电效率为11%啪1。Mittehnan等mJ研究了聚光电热联用与太阳能制冷结合的系统,采用耐高温效率为37%的三结聚光太阳电池,制冷方式为吸收式制冷,结果表明这种聚光电热联用系统具有非常好的经济效益。Royne等汹]研究了用于冷却高聚光率下密排电池组件的射流冷却技术,探讨了射流冷却技术冷却密排电池的可行性,研究了不同喷嘴个数对平均传热系数、系统压降的影响,建立了模型,通过模型作者预测:单位面积设置更多的喷嘴将有助于提高系统性能,而射流冷却技术固有的传热系数不均匀性对光伏系统的电性能只有非常小的影响。中国电子十八所的崔敏等[剪]利用建立的聚光太阳单电池热模型预测在400X聚光条件下,没有冷却辅助设备时电池温度将高达约12000C。当用金属板作为散热器的冷却系统时,电池的温度显著降低。在固定的聚光比下,电池温度随散热器面积增加而降低。为了使电池维持在一个恒定的温度,散热器面积作为聚光比的函数需要线性增加。若采用有效散热装置对所设计的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池进行散热,模型预测电池温度可低至37℃。天津大学的朱丽等【帅1利用液体直接浸没电池的方式,对电池进行直接接触换热冷却,消除了传统冷却方式的间壁换热热阻,达到了很好的冷却效果。并对选择的绝缘液体进行了各种老化实验,对系统长期适用性进行了研究H¨。4前景展望尽管聚光光伏发电技术有很多优点,但聚光光伏系统的商业化道路却进展缓慢。一些技术问题需要解决(如低成本、高效率的聚光电池,聚光冷却技万方数据术,系统的可靠性,稳定的对日跟踪系统等问题)。随着世界能源的紧缺,各国加大了对光伏产业的支持,聚光光伏发电迎来了巨大的发展机遇,聚光技术也正在逐渐走向成熟。聚光太阳电池的效率不断增加,成本逐渐降低是促进聚光光伏系统发展的重要因素。相信在未来聚光光伏技术必定能以其低成本等优势在能源结构中占据一席之地。【参考文献】[1]l_utherJ,LuqueW,eta1.Concentrationphotovol・taicsforh蜘dreicienciesA,ButtAandCOStreduction[A].25thEu—ropea.rlPhotovoltaicSolarEnergyConference[C],Barcelona,2006.[2]展[J].太阳能学报,2005,26(4):597删.田玮,王一平,韩立君,等.聚光光伏系统的技术进[3]耿桂宏,祁利民.聚光光伏发电前景展望[EB/OL].http://www.nxdzkj.com/nxlkxnew“html/?4102.hunl,2006-09.[4]McConnellR,Symko-DavisM.DOEhighperfo删con-cenlratorPVproject[A].InternationalConferenceonSolarCorw_沱ntratomfortheGenerationofElecaicityorHydrogen【C],Arizolm,2005.[5]VedindenPierreJ,].ewandowskiAllan,eta1.Performanceandreliabilityofmulajunctimm.vnKKhde8forconcenlratordishandceIltralreceiverapplications[A].PhotovoltaicEn盼盯Convershn,ConferenceRecordofthe2006IEEE4thW硎Conference[C],Hawaii,2006,592—59r7.[6]CoventryJS.Performanceofaco删ingphotovoltaic/thermalsolarcollector[J].SolarEnergy,2005,78(2):21l—.222.[7]C,ad)0ushianV,StoneKW,SIadeA.Thesanonixhigh-con—centrationphotovoltaicsystem[M].SpringerBerlin/Heidel-berg,2007,130:253_‘刃.[8]常百阳.Amonix公司集成高效率聚光硅太阳电池发电系统简介[J].中国建设动态:阳光能源,2006.[9]BertAw.FI。Aj陀0NrM.M0d山瞄:Technologyandcharacter-isation[J].WCPEG3,2003:634--637.[10]Lerchenn[1ii_llerH.CostandimrketforFLATCONsystems[A].haConfonSolarConcfortheGen0fElectfictyandHydrogen[C],Arizona,2005.[11]BettlAw,BurgerlB,DimrothlF,eta1.High-concelltl阻-tionPV面IlgIII-Vsolarcells[A].PresentedIEEE4thWorldConf6re毗onPhotovoltaic咖Conversionatthe2006[C],Hawaii,2006.[12]CowaryJS.Asolarc0喊IⅡ咄photovoltaic/thermalcol—3期王一平等:聚光光伏电池及系统的研究现状437lector[D].AndrewBlakers:AustralianNationalUniversity,2004.[13]AntoniniIA,ButturilMA,BenedettolPDi,eta1.Rondine⑧PVconcenlyators:Fieldresultsanddevelopments[J].Progr嗍inPhotovoltaies:ResearchandApplications,2009,17(7):45卜—459.[14]SalasV,OliasE.Overviewofthephotovohaietechnologysta-tusandperspectiveinSpain[JJ.BenewableandSustainableEnergyBedews,2009,13(5):1伽争一1057.[15JMartinN,RuizJM.唰婵而揪analysisofv.呻PVconcentrators[J].ProgressinPhotovoltaies:ResearchandApplications,2009,16(4):339---348.【16JFaimanD,BiryukovS,PearlmutterKK.P盯AI.:Are鸵amhpathwaytofossil-competitivesolarelectricity[A].noceedingofthe29thIEEEPhotovoltaiespec搬Conference[C],Pis.caraway,USA,2002,1384--1387.[17]西昌建全国最大聚光光伏太阳能电站[EB,0L].http://www.techweb.coin.cn/删2007切.03/217685.[18]内蒙古伊泰集团有限公司一205千瓦太阳能聚光伏示范电站项目简介[J].宏观经济研究,2007,(08).[19]许志龙,刘菊东,冯培锋,等.蝶式光伏发电聚光器的研制[J].太阳能学报,2007,27(2):174—177.[20]肖遵林,施钰川.槽式太阳聚光器的研究[J].可再生能源,2007,25(2):l卜12.[21]王建平,杨金付,徐晓冰.一种聚光型太阳能光伏系统的研究[J].能源研究与利用,2007,l:19—22.【22JWangYP,FangZL,ZhuL,eta1.Thep既fo朋舭ofsili-consolarcellsoperatedinliqIlids[J].AppiiodEnergy,2009,86(7):1037--1042.[23]KuoCT,ShinHY,HongHF,eta1.Develolmmatofthehi曲comentration111-Vphotovoltaiesystemat玳ER【J].Tai—wan,RenewableEnergy,2009,34(8):193l—1933.[24]Mm-kvartT,c卸孽caf财L.Practicalhm面【姒《photovoltaiesfundamentalsandapplications[M].UK:Elsevit自rAdvancedTechnology,2003,418_—455.125]LawrerlceLK.SolarphotovoltaicR&Datthetippingpoinl:A2005technologyore.ryiew[J].Journal0fElectronspec恤撸co-py,2006,150:l晒一135.【26]MartinAG,EⅡ唧K,DavidLK,e£a1.Solarcellefficiencytables(Version28)[J].ProgressinPhotovoltaies:Research[27]№AandApphcations,2006,14:455--461.G,嘶K,l-lishik黼Y,da1.Sohrcellefll.eieneytables(Version32)[J].n嚼髑inHotovoltaies:Re.searchandApplications,2008,16:435--'-440.万方数据[28]From40.7to42.8%solarcellefficiency[EB/OL].hnp://ww.renewableenergyworld.com/rea/new“story?id=49483.200r7-07.30.E29]WanlassMW.Proc∞d诹0ftheinternationalconferencesolarooIIC跫IRl"lttorsforthegenerationofelectricityofb却lonsconsdale,arizolla,USA(cnROM)[R].Arizona,2005.[30]McconnellRD,Symko-DavisM.Plenarypresentationatthe20“europeanPVsolarenergyconfererrceandexhibitio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