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1、太阳能光电工程学院太阳能电池及其应用课程设计报告书题 目：聚光型太阳能电池技术及现状 姓 名： 设计成绩： 指导教师： 摘 要 本文概述了目前全球能源现状，以及聚光型太阳能电池的市场背景，表明了太阳能发电的重要性和前景，详细介绍了聚光型太阳能电池的技术、现状以及与普通太阳能电池的区别，并对普通太阳能电池与聚光型太阳能电池发电所需发电成本进行比较。详细介绍了塔式、槽式、碟式太阳能发电的原理及优缺点。指出电池冷却技术的必要性和冷却技术。同时指出聚光型太阳能电池发展面临的困难和解决措施，以及今后的发展方向。通过改造电池制造工艺、提高转换效率、聚焦技术的应用等手段，可以有效降低光伏发电成本，也是国内外
2、本领域研究的热点。其中采用聚焦技术是一个有效地方法。对常规太阳能电池进行聚光，使太阳电池工作在几倍乃至几百倍的光强条件下，一定程度上克服了太阳能量的分散性，可以提高单位面积太阳电池的输出功率，大大降低光伏发电成本，具有很好应用前景。关键词：聚光型太阳能电池 技术 措施目 录绪 言31.聚光型太阳能原理及技术41.1聚光型太阳能电池的原理41.2聚光型太阳能电池的关键技术51.3塔式太阳能发电技术51.4槽式太阳能发电61.5碟式太阳能发电71.6电池的冷却技术72.产品的的核心优势102.1光电转换效率高102.2单位面积输出功率高103.现状与展望103.1我国聚光型太阳能电池的现状103.
3、2展望11参考文献12 绪 言 随着经济的发展，社会的进步，人们对能源提出了越来越高的要求，由于全球气候变迁、空气污染问题以及资源的日趋短缺之故，传统的燃料能源正在一天天减少，与此同时全球还有约20亿人得不到正常的能源供应。寻找新能源成为当前人类的面临的迫切课题。太阳能以其独有的优势成为人们关注的焦点。由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性、充足性和持久性等优点，太阳能被认为是21世纪最重要的能源。但是目前光伏发电作为社会整体能源结构的组成部分所在占比例尚不足1%，造成这种情况的主要原因是光伏发电成本高。通过改造电池制造工艺、提高转换效率、聚焦技术的应用等手
4、段，可以有效降低光伏发电成本，也是国内外本领域研究的热点。其中采用聚焦技术是一个有效地方法。对常规太阳能电池进行聚光，使太阳电池工作在几倍乃至几百倍的光强条件下，一定程度上克服了太阳能量的分散性，可以提高单位面积太阳电池的输出功率，大大降低光伏发电成本，具有很好应用前景。1.聚光型太阳能原理及技术1.1聚光型太阳能电池的原理聚光电池是降低太阳电池利用总成本的一种措施，通过聚光器使较大面积的阳光聚在一个较小的范围内，形成“焦斑”或“焦带”，并将太阳电池置于“焦斑”或“焦带”上，以增加光强克服太阳辐射能流密度低的缺陷，从而获得更多的电能输出。通常聚光器的倍率大于几十，其结构可采用反射式或透镜式。聚
5、光器的跟踪一般用光电自动跟踪，散热方式可以是气冷或水冷，有的与热水器结合，既获得电能，又得到热水。 用于聚光太阳电池的单体，与普通太阳电池略有不同，因需耐高倍率的太阳辐射，特别是在较高温度下的光电转换性能要得到保证，故在半导体材料选择、电池结构和栅线设计等方面都比较特殊。最理想的材料是砷化镓，其次是单晶硅材料。在电池结构方面，普通太阳电池多用平面结构，而聚光太阳电池常采用垂直结构，以减少串联电阻的影响。同时，聚光电池的栅线也较密，典型的聚光电池的栅线约占电池面积的1O，以适应大电流密度需要。 适合于聚光用的太阳能电池有两种：单晶硅的背接触电池和砷化镓多结电池，以后者的光转化效率为最高（目前实验
6、室达41%，量产高于35%）。这些电池过去用于非聚光的航天航空的高端应用。目前为止，国际上生产厂家很少也很低。图1聚光太阳电池的原理1.2聚光型太阳能电池的关键技术聚光太阳能电池是由跟日器、聚光电池组件和聚光器及相关动力和降温装置构成，采用聚焦的方式将太阳光的光能密度大大提高（400倍以上），可使太阳能电池转换效率提高，在小面积的单晶硅片上获得大的电流。太阳光的聚焦可采用费涅尔透镜或抛物面反射镜，太阳能聚光电池的散热采用大面积的散热片自然冷却，或者是采用循环水冷将热量二次利用。太阳能自动跟踪聚焦式光伏发电系统的关键技术是精确跟踪太阳，其聚光比越大跟踪精度要求就越高，聚光比为400小时跟踪精度要
7、求小于0.2度。在一般情况下跟踪精度越高其结构就越复杂，造价就越高，甚至造价高于光伏发电系统的光电池的总造价。聚光电池及发电系统的广泛应用的成功与否，关键在于技术上实现聚光发电系统的高跟踪度、可靠性、耐侯性，确保能否在恶劣自然环境下的长期使用。一般商用太阳电池的光电转换效率为6%15%,在运行的过程中,未被利用的太阳辐射能除了一部分被反射外其余大部分被电池吸收转化为热能;如果这些吸收的热量不能及时排除,电池温度就会逐渐升高,发电效率降低(据统计电池组件温度每降低1K输出电量增加0.2%0.5%),太阳电池长期在高温下工作还会因迅速老化而缩短使用寿命。1.3塔式太阳能发电技术 塔式太阳能发电主要
8、有大量的跟踪太阳的定向反射镜和装在中央塔上的热接收器这两大部分组成，成千上万面定日镜将太阳光聚焦到中央接收器上，接收器将太阳辐射能转换成热能。然后再将热能传递给热力循环工具，驱动热机做工发电。随着镜场中定日镜的增加，塔式聚光系统的聚光比也随之上升，最高可达1500，运行温度为1000 1500。它因其聚光倍数高、能量集中过程简单、热转化效率高等特点，极适合大规模并网发电，图1为塔式太阳能发电的系统图。从图2中可以看出，他是太阳能发电系统包括：跟踪太阳能的定日镜、接收器、工质加热器、储能系统以及汽轮机组等部分。收集装置由多面定日镜、跟踪装置支撑结构等构成。系统通过对收集装置的控制，实现对太阳的最
9、佳跟踪，从而将太阳的反射光准确聚焦到中央接收器内的吸热器中，使传热介质受热升温，进入蒸汽发生器产生蒸汽，最终驱动汽轮机组进行发电。此外，为了保证持续供电需要储热装置将高峰时段的热量进行存储以备早晚和阴雨间隙使用。 图2塔式太阳能结构示意图1.4槽式太阳能发电槽式太阳能发电采用多个槽型抛物面式聚光器，将太阳光聚集到接收装置的集热管上，加热工质，产生高温蒸汽后推动汽轮机发电。收集装置的几何特性决定了槽式太阳能发电的聚光比要低于塔式，通常在10100之间，运行温度达400。如图3所示，槽式太阳能发电包括聚光集热部分、换热部分、发电储能部分等。聚光集热是整个槽式发电系统的核心，它由聚光阵列、集热器和跟
10、踪装置组成。在此部分，集热器大多采用串、并联排列的方式可按南北、东西和极轴3个方向对太阳光进行一维跟踪。在换热部分，预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器4组件实现了工质加热、换热、产生蒸汽、进行发电的过程。由于槽式发电系统结构相对紧凑，其收集装置的占地面积比起塔式和碟式来说，相对较小，因而为槽式太阳能发电向产业化发展奠定了基础。图3 槽式太阳能发电示意图1.5碟式太阳能发电 作为目前热发电效率最高的方式，碟式太阳能发电整合多个反射镜组成抛物面碟形聚光镜，通过对其的旋转，将太阳光聚集到接收器中，经接收器吸热后加热工质，进一步驱动发电机组发电。旋转抛物面碟形聚光镜的应用使得碟式太阳能发电的聚光比达到
11、3000以上，这一方面有效地提高了光热转换的效率，但是另一方面也由于其较高的接受温度，对接收器的材料和工艺提出更高的要求。 1.6电池的冷却技术聚光型光伏发电技术采用低成本的反射镜或者透镜可以减少使用部分昂贵的太阳电池,太阳电池工作在低倍甚至高倍的光强照射下,单位面积的有效输出功率大幅增加发电成本大幅下降,但是随着单位面积的电池板辐射光强的增加吸收的热量也增加,电池的温度控制和散热问题也更为突出。空气冷却技术是指在太阳电池背面通过空气自然或强制对流带走热量,可以达到降温目的。采用自然对流冷却时把铜、铝等高导热材料作为电池背板,并安装肋片,可以加强自然对流换热。采用强制对流换热,组件背面被制成通
12、风流道,流道的入口(或同时在出入口)设置风机增强空气流动,但风机的使用会额外消耗一部分电能。通常,采用空气冷却,换热性能与空气的流速和流道长度高度等有关,优化这些参数可以达到最佳的换热效果。Araki等实验研究了500倍日照聚光条件下单个太阳电池的自然对流冷却问题,研究结果表明,电池与铝板间良好的热接触是保持电池低温的关键因素。水冷却方式可分为自然循环冷却和强制循环冷却;水冷却系统的设计关键是保证太阳电池与换热器表面间良好的热传导和电绝缘。典型的水冷却系统由换热器、水箱、若干连接阀门等部件组成,换热器的结构通常有管板式、流道式和水箱底座式等。管板式结构是参照传统的平板太阳能集热板发展而来的,能
13、很好解决工质的渗漏和电池的绝缘;流道式结构则同空气流道散热相似,换热工质与电池接触面积大换热效果高,但存在工质的渗漏和电池的绝缘等问题;水箱底座式将太阳电池直接粘接到具有斜面的水箱上,水箱作为工质容器和系统底座。Solar Systems公司报道了一种应用于抛物型聚光式光伏发电系统的水冷却系统,电池的背面设置了平行的水流窄通道,试验结果表明在340倍的聚光条件下,当水流量为0.56kg/(m2s)和泵功率为86W时,太阳电池的平均温度为38.52,电池效率为24.0%;如果能够充分利用冷却水的热量,系统的综合能量利用率可超过70%。表1列举了一些研究者关于空气和水在自然对流或强制对流冷却时系统
14、热阻的比较。表1 空气和水在自然对流或强制对流冷却时系统热阻比较热管冷却技术是指在聚光型光伏发电系统利用菲涅耳透镜或者抛物面反射镜来聚光时,由于阳光不能均匀地投射在电池组件表面,将引起电池间的电阻不均匀导致电池效率降低;James和Williams指出,在1000倍日照的聚光条件下照射度的不均匀将会造成4%以上的效率损失。热管是一种高效传热元件,同时具有很好的均温性能,非常适用于聚光条件下的电池冷却。采用热管冷却热管的蒸发端紧贴太阳电池的背面,冷凝段暴露在大气中与周围空气进行自然对流换热,安装翅片增加散热面积可以提高冷凝段的换热效果。由于冷却元件的温度一般要求在20100内,热管的设计可选择R
15、-11或R-22以及水作为工作液体。采用水作为工作液体,在温度不超过140时,热管的散热热流可达到2501000kW/m2。Akbarzadeh和Wadowski报道了一种带扁平状铜热管蒸发端的热管冷却系统,太阳电池垂直粘贴扁平的铜热管蒸发端;研究表明:在有太阳的天气情况下,该系统的聚光率是20倍,采用热管冷却系统后电池的温度上升不会超过46;不用热管冷却电池的温度超过84。 微通道冷却技术原理是因为微通道冷却器的体积小,可以直接对毫米甚至微米级的热源进行冷却;但是冷却器的温度梯度和压力损失较大,因此泵或风机耗功较大。微通道冷却器水冷却系统的设计关键是保证太阳电池与换热器表面间良好的热传导和电
16、绝缘。如果能在太阳电池的生产过程中直接在电池背面灼刻微通道,那么无论从冷却效果还是经济上来说都是一种很好的方法。Vicenza等人采用这种方案制成了面积为3030cm2光电池,测试结果表明,工作在120倍的日照聚光强度下,系统的热阻为0.4cm2K/W。今后的研究工作重点将是改进微通道的结构,使用岐管式微通道或相变微通道作为冷却方法等。 液体射流冲击冷却技术是指液体射流冲击冷却技术可以获得很低的热阻(通常只有0.010.1cm2K/W),目前已广泛用于金属的热处理、内燃机及燃气涡轮的冷却以及高功率电子设备的温度控制。该技术应当也能应用于太阳电池冷却,当然,喷嘴应设计成阵列形式。不过在运行中,从
17、一个喷嘴出来的水流往往会影响到邻近的喷嘴出来的水流,导致射流流体间的干扰增加总体的换热系数下降。射流冲击阵列的流体流态和换热特性,与喷嘴到冷却表面的距离、喷嘴形状及倾斜度、普朗特数和雷诺数等有很大关系。Anja.Royne等人在实验研究的基础上提出了一种用于聚光条件下太阳电池矩阵的射流冲击冷却模型,并对冷却系统的各项参数进行了优化设计。2.产品的的核心优势2.1光电转换效率高传统太阳能电池的转换率只有15%左右，而新的这种集中器电池（聚光电池）利用成本相对较低的反射镜和棱镜将阳光集中到电池上更为昂贵的镓砷化合物部分来提高转换效率。国际上已经试验研制多结太阳能电池技术，以期望获得37%以上的理论
18、极限。 在现有太阳能光电池的发电模式中，多数采用方位固定的大面积的平板式光电转化模式。通过应用高转化率的聚光光电池，不仅在通常太阳光的辐照下能维持25%35%的光电转化率，而且能在聚光条件下，如将太阳光聚光300700倍，将能期望用较少量的聚光电池，获得较大的光伏电能。目前国际上聚光电池的转换率可以稳定实现30%的转换率。2.2单位面积输出功率高聚光电池在标准光强下输出功率达6W以上，而同等面积的平板式太阳电池输出功率仅12-14mW，相差几百倍。 1厘米见方的砷化镓聚光太阳能电池在500倍聚光下等效于7张12.5厘米见方的硅光电池。一个直径为3厘米的圆形常规电池, 在光强为1kW/m2的辐照
19、下,输出功率约为70mW。同样面积的聚光电池, 在光强为100kW/m2的辐照下, 可输出约7W，通常来讲聚光电池的短路电流基本上与光强成正比例增加3.现状与展望3.1我国聚光型太阳能电池的现状 聚光型砷化镓太阳能电池逐渐受到重视,主因台湾在砷化镓半导体这一领域过去已经培养相当多人才,同时近年国内相关LED厂的营运实力颇佳,有足够的资源投入III-V族太阳能电池领域。 在聚光型III-V太阳电池领域,国内目前已逐步发展成几个小Groups,包括台达电在2007年与Spectral技术合作,开发完成聚光型III-V太阳能电池（CPV）下游接收器模组. 被波音併购的 Spectral生产的砷化镓半
20、导体太阳能晶片,市场率全球市佔率接近70%.但是,最近美国政府管制砷化镓半导体太阳能晶片出口,使得国内厂商想要采购相关晶片困难度提高。还有海德威与禧通, 两家公司申请了具有微共振腔之太阳能电池美国与台湾专利,主要原理是企图利用微共振腔,让光束在微共振腔内震荡,使得光可在微共振腔内被有效吸收及转换成电子。这个概念与目前核研所等发展的高聚光型III-IV太阳电池有非常明显的区隔, 目标市场锁定在可携带型太阳电池.目前禧通的生产的砷化镓半导体太阳能电池CPV,外型与LED类似, 已开始尝试在市面上铺货。 III-V族太阳电池目前仍待克服的问题包括:晶片价格过高,尝试解决方法包括提高持续研发新的半导体
21、材料与製程, 提升转换效率,以及减少材料使用,包括回收基板,降低生产成本。 另外,就是采用高聚光系统。高聚光系统,虽然可以有效降低太阳能发电系统的单位发电成本,目前有部分厂商宣称在一定规模下,每瓦发电成本可以降到3美元,比硅晶太阳电池68美元便宜。但是高聚光系统也会延伸出其他问题,如透镜聚焦后晶片产生高温,必须降温,还有晶片在高温下的使用寿命问题,也必须解决。目前在地面使用高聚光太阳能发电系统还是以沙漠地区最被看好, 例如蒙古与澳洲等地方。3.2展望 我国太阳能热发电技术仍需在充分认清我国国情的基础上，做到充分了解我国的气候与环境，因地制宜，采用合适的太阳能发电方式。了解土地资源，在地域辽阔、
22、土地资源丰富的区域，可建立大规模大容量集中式的太阳能电站。鉴于单纯利用太阳能还存在许多问题，特别是开发太阳能系统投资较大以及目前蓄热技术还不够成熟，因而将太阳能发电系统与常规的发电系统整合成多能源互补的系统。大力研发关键技术，完善工艺，降低成本，并对系统进行有机集成，实现高效热工转化，突破常规系统中太阳能发电效率低的限制。 因此，我国太阳能热发电的发展方向是立足国情，选择性的开展，因地制宜，实现太阳能向电能的高效转化，努力将太阳能热发电发展成为低成本、高效益、零污染的“阳光”产业。 参考文献1 A.A.M.赛义夫编.徐任学，刘建民等译.太阳能工程.北京科学出版社，19842 罗运俊，何辛年，王长贵编著，太阳能利用技术，北京：化学工业出版社，20053 杨洪兴，周伟编著，太阳能建筑一体化技术与应用，北京：中国建筑工业出版社，2008
