孫建偉-線性聚光光伏系統(tǒng)太陽電池性能主要影響因素研究97-2003

1、<p>　　中山大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　線性聚光光伏系統(tǒng)太陽電池性能主要影響因素研究</p><p>　　學(xué)位申請(qǐng)人： 孫建偉 </p><p>　　導(dǎo)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(huì)主席：

2、 </p><p>　　答辯委員會(huì)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(xué)位論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含

3、任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對(duì)本文的研究做出的重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。</p><p><b>　　學(xué)位論文作者簽名：</b></p><p>　　日期： 年 月 日</p><p>　　學(xué)位論文使用授權(quán)聲明</p>

4、;<p>　　本人完全了解中山大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留學(xué)位論文并向國(guó)家主管部門或其指定機(jī)構(gòu)送交論文的電子版和紙質(zhì)版，有權(quán)將學(xué)位論文用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論文進(jìn)入學(xué)校圖書館、院系資料室被查閱，有權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用復(fù)印、縮印或其他方法保存學(xué)位論文。</p><p>　　學(xué)位論文作者簽名： 導(dǎo)師簽名：</p&

5、gt;<p>　　日期： 年 月 日 日期： 年 月 日</p><p><b>　　知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：我所提交答辯的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下完成的成果，該成果屬于中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，受國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)法保護(hù)。在學(xué)期間與畢業(yè)后以任何形式公開發(fā)表論文或申請(qǐng)專利

6、，均須由導(dǎo)師作為通訊聯(lián)系人，未經(jīng)導(dǎo)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(xué)位論文成果。本人完全意識(shí)到本聲明的法律責(zé)任由本人承擔(dān)。</p><p><b>　　學(xué)位論文作者簽名：</b></p><p><b>　　日期：</b></p><p>　　線性聚光光伏系統(tǒng)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(dǎo)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(yīng)用如火如荼。光伏產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)包括生產(chǎn)設(shè)備商、原料供應(yīng)商、光伏組件生產(chǎn)商、光伏系統(tǒng)集成商發(fā)展都非常迅猛并且相對(duì)較為成熟。同時(shí)圍繞PV組件制定了較為完善的光伏標(biāo)準(zhǔn)。相比較而言，聚光光伏（CPV）產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要滯后的多，同時(shí)人們對(duì)CPV的關(guān)注度與認(rèn)知度也要低的多。本文工作的一個(gè)主要部分就是對(duì)聚光光伏系統(tǒng)發(fā)展進(jìn)行調(diào)研，并對(duì)其發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)成果、發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析和總結(jié)，給人們呈現(xiàn)一個(gè)清晰的CPV產(chǎn)業(yè)輪廓。同時(shí)對(duì)一種新型線性聚光光伏

9、系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析與應(yīng)用評(píng)估。本文包括CPV產(chǎn)業(yè)分析與總結(jié)和線性CPV具體實(shí)驗(yàn)兩部分。</p><p>　　第一部分CPV產(chǎn)業(yè)分析與總結(jié)。描述了CPV系統(tǒng)的基本構(gòu)成、分類、發(fā)電原理等基本問題。對(duì)整個(gè)CPV產(chǎn)業(yè)做了全面的調(diào)查與總結(jié)。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(tǒng)的復(fù)雜性、多樣性導(dǎo)致了制定相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的困難性。與平板PV組件相比目前國(guó)內(nèi)對(duì)CPV發(fā)電關(guān)注很少，對(duì)整個(gè)CPV市場(chǎng)也缺乏一種完

10、整的認(rèn)識(shí)。國(guó)內(nèi)從事CPV研究的機(jī)構(gòu)不僅數(shù)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(xiàn)狀。使大家對(duì)CPV發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)有更深刻的理解。</p><p>　　第二部分為實(shí)驗(yàn)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(tǒng)平臺(tái)，嘗試對(duì)聚光電池組件進(jìn)行新式封裝。完善跟蹤控制裝置的設(shè)計(jì)與制作。對(duì)聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)各組成部分包括菲涅爾透鏡﹑聚光電池組件﹑機(jī)械傳動(dòng)裝置﹑控制跟蹤系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化組合。

11、并且對(duì)硅太陽電池聚光組件在低倍聚光條件下的發(fā)電特性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。指出聚光光強(qiáng)、聚光組件工作溫度等因素對(duì)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(gè)系統(tǒng)的發(fā)電效率而進(jìn)行改造升級(jí)的可能性及具體實(shí)施措施。該種線性聚光光伏系統(tǒng)的研制理念特別是跟蹤方式的選擇及散熱裝置的設(shè)計(jì)是進(jìn)行CPV系統(tǒng)研究的重要嘗試和探索。作為一個(gè)新型透射式聚光發(fā)電系統(tǒng)也填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)在這一領(lǐng)域研究空白。</p><p>　　最后，本文論述

12、了CPV系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)和前景。并且對(duì)未來幾十年CPV各組成部分的技術(shù)提升做了一個(gè)推測(cè)。指出幾十年后CPV系統(tǒng)在大中型并網(wǎng)電站應(yīng)用中必將占據(jù)重要位置。</p><p>　　關(guān)鍵字：聚光光伏（CPV）系統(tǒng)；并網(wǎng)；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(xué)位論文使用授權(quán)聲明··········

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

27、3;·························（Ⅲ）</p><p>　　知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)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(tǒng)的發(fā)展歷史···············&

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

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

43、83;································（3） 1.3聚光光伏系統(tǒng)的研究進(jìn)展

44、和商業(yè)應(yīng)用····································

45、;········（5） 1.4 聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)市場(chǎng)發(fā)展及技術(shù)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(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及成本分析·····

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

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

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

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

53、;·····························（13）</p><p>　　2.3聚光光伏系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例·

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

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

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

57、;······················（22）</p><p>　　2.5 CPV系統(tǒng)的測(cè)試與標(biāo)準(zhǔn)·······

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

59、#183;··················（24）</p><p>　　第3章 新型線性聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究··········

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

61、.1線性聚光系統(tǒng)基本構(gòu)成··································

62、3;··························（25）</p><p>　　3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析····

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

64、3;····························（43）</p><p>　　3.3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的完善和實(shí)驗(yàn)補(bǔ)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(dǎo)···········&

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(yīng)用前景···············

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

72、#183;·····（74）</p><p>　　5.1 CPV系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)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(tǒng)應(yīng)用之路······

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

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

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

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

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

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

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

83、>　　攻讀碩士學(xué)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(shù)據(jù)·························&

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(guān)系到國(guó)計(jì)民生乃至國(guó)家安全的大問題，目前國(guó)際上許多沖突甚至戰(zhàn)爭(zhēng)都是因爭(zhēng)奪能源而起。在能源結(jié)構(gòu)方面目前的形勢(shì)仍然是煤、石油、天然氣等常規(guī)能源占主導(dǎo)地位。但是常規(guī)能源畢竟有限，為了子孫后代的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。開發(fā)利用新能源逐漸擺脫對(duì)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(jì)世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要影響因素之一。特別是在一些特殊應(yīng)用領(lǐng)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(dú)特優(yōu)勢(shì)。美國(guó)“百萬屋頂計(jì)劃”,德國(guó)“十萬屋頂計(jì)劃”，日本“陽光屋頂計(jì)劃”等一些發(fā)達(dá)國(guó)家相關(guān)政策的推出與實(shí)施，太陽能發(fā)電行業(yè)在最近10年內(nèi)以年均40%的速度增長(zhǎng)。專家預(yù)測(cè)，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(chǎn)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(tǒng)發(fā)展歷史</p><p>　　聚光光伏系統(tǒng)的發(fā)展歷史主要分為四個(gè)階段： </p><p>　　第一階段20世紀(jì)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(tǒng)（CPV system）的研究開始于70年代年主要是因?yàn)槭艿?973年石油

94、危機(jī)的影響。1976年美國(guó)用于聚光系統(tǒng)的經(jīng)費(fèi)預(yù)算為125萬美元。七十年代中期美國(guó)Sandia實(shí)驗(yàn)室開發(fā)第一個(gè)聚光系統(tǒng)[4]。該系統(tǒng)聚光比50、效率12.7%、峰值功率1kW。幾乎在同一時(shí)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(tǒng)。隨后法國(guó)、西班牙和意大利也設(shè)計(jì)出類似的聚光光伏系統(tǒng)。同時(shí)還有很多其他的聚光發(fā)電新概念被提出來但卻沒有實(shí)施。早期的這些CPV系統(tǒng)主要是驗(yàn)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(tǒng)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(guó)田納西州奧斯汀市300kW Entech聚光發(fā)電系統(tǒng)。</p><p>　　第二階段80年代中期到九十年代中期的規(guī)范成長(zhǎng)期。伴隨著80年代早期石油危機(jī)結(jié)束油價(jià)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(nèi)用于聚光光伏的研發(fā)投入剛剛超過4000萬美元，這一數(shù)目?jī)H占平板PV組件

96、研發(fā)投入的一小部分。這一時(shí)期出版了第一本關(guān)于聚光光伏的專著[5]。美國(guó)出現(xiàn)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(jí)期。特別是在歐洲，各種聚光新理念開始付諸實(shí)施。比如這一時(shí)期開發(fā)了Euclides[7] 技術(shù)。同時(shí)開始側(cè)重于聚光電池的研究。斯坦福大學(xué)的Swanson和他的同事們研制的背點(diǎn)接觸（PC）結(jié)構(gòu)的Si聚光電池9

97、0年代中期的聚光效率已達(dá)到26%[8]。2007年美國(guó)Spectrolab將Ⅲ－Ⅴ族化合物三結(jié)聚光電池效率做到40.7%[9]。并且效率還有不斷提升的趨勢(shì)。表1-1指出2012年以前多結(jié)聚光電池效率的提高過程。由于Ⅲ－Ⅴ族三結(jié)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(jìn)行改造升級(jí)，用Ⅲ－Ⅴ族三結(jié)聚光電池來代替原來的硅聚光電池。</p><p>　　表1-1多結(jié)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(yīng)用期，盡管目前全世界CPV發(fā)電系統(tǒng)總安裝量為MW級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于晶硅組件GWp安裝規(guī)模。美國(guó)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(gè)聚光光伏陣列的峰值功率也都能夠達(dá)到幾十兆瓦（MW）的規(guī)模。隨著“中華人民共和國(guó)可再生能源法”的出臺(tái)，我國(guó)也開始逐步加大包括光伏發(fā)電在內(nèi)的可再生能源發(fā)展的支持力

99、度。國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了一批在國(guó)際上都相當(dāng)有影響力的光伏公司，與CPV系統(tǒng)相關(guān)的公司卻寥寥無幾。由于CPV發(fā)電系統(tǒng)與平板光伏組件系統(tǒng)相比所固有的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，CPV系統(tǒng)必將在大中型并網(wǎng)光伏電站領(lǐng)域占有一定市場(chǎng)份額。</p><p>　　1.2 聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及基本原理</p><p>　　平板光伏系統(tǒng)應(yīng)用規(guī)模跨度很大，可以從1～2W的太陽能燈到兆瓦級(jí)的光伏電站。聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)由于其本身組

100、成的復(fù)雜性及運(yùn)行期間的維護(hù)需求決定了在大中型并網(wǎng)光伏電站的應(yīng)用中才能發(fā)揮CPV系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。目前很多研究機(jī)構(gòu)和公司為了研究的需要推出各自的CPV示范發(fā)電系統(tǒng)。這種CPV示范系統(tǒng)的規(guī)?？纱罂尚　?lt;/p><p>　　圖1-1 聚光光伏系統(tǒng)舉例</p><p>　　聚光光伏系統(tǒng)根據(jù)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(gè)完整的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)包括以下幾個(gè)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(jī)架保護(hù)組元等</b

102、></p><p><b>　　平衡系統(tǒng)（BOS）</b></p><p>　　跟蹤機(jī)構(gòu)，包括機(jī)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(diào)節(jié)設(shè)備</b></p><p><b>　　儲(chǔ)能電池</b></p><p><b>　　逆變器（并網(wǎng)系統(tǒng)）</b></p><p><b>　　數(shù)據(jù)接收器等</b></p><p>　　與常規(guī)PV發(fā)電系統(tǒng)相比，CPV系統(tǒng)的各組成部分的成本分布情況會(huì)有所不

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

105、歷史。這一過程中CPV系統(tǒng)的各組成部分特別是聚光太陽電池的技術(shù)水平有了重大突破。2007年美國(guó)Spectrolab公司以GaAs為主的Ⅲ－Ⅴ族三結(jié)聚光電池實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)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(guó)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(shí)驗(yàn)室最高效率為27%左右，為美國(guó)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(jié)聚光電池實(shí)驗(yàn)室最高效率的提高發(fā)展情況。澳大利亞新南威爾士大學(xué)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(shí)驗(yàn)室最高效率[58]</p><p>　　CPV發(fā)電系統(tǒng)的商業(yè)化進(jìn)程一直很緩慢。二十世紀(jì)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(guó)田納西州奧斯汀市的300kW Entech聚光發(fā)電電站是兩個(gè)較有代表型的CPV電站。CPV系統(tǒng)發(fā)展早期所安裝的CPV電站大多數(shù)是出于展示與實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩皇巧虡I(yè)應(yīng)用目的。對(duì)于高效聚光電池的研究最大的驅(qū)動(dòng)力是太空應(yīng)用特別是衛(wèi)星供電的需求，而不是CPV本身技術(shù)改造的需求。但將目前開發(fā)的高效聚光電池應(yīng)用到CPV系統(tǒng)中的確可以切實(shí)提高系統(tǒng)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(guó)的AMONIX和澳大利亞Sola

108、r Systems是以商業(yè)化銷售為主為數(shù)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(chǎn)業(yè)井噴式的增長(zhǎng)形成了強(qiáng)烈的反差。CPV發(fā)電系統(tǒng)的研究始于70年代。在隨后發(fā)展的幾十年的時(shí)間里，歐洲，美國(guó)，日本都先后推出了自己的示范CPV發(fā)電系統(tǒng)。并且對(duì)各自的CPV系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)跟蹤。與晶體硅光伏組件的產(chǎn)量已達(dá)到GWp/年的規(guī)模相比，CPV系統(tǒng)的安裝量?jī)H僅維持在MW級(jí)。 </p><p

109、>　　1.4聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的市場(chǎng)發(fā)展及技術(shù)提高</p><p>　　關(guān)于CPV市場(chǎng)發(fā)展有兩點(diǎn)需要考慮，第一點(diǎn)是目前硅材料價(jià)格居高不下。這對(duì)于硅材料成本占晶硅組件成本70%的平板組件生產(chǎn)來說是一個(gè)重要影響因素，可以預(yù)見未來幾年內(nèi)硅材料短期的問題會(huì)一直存在。這可能會(huì)使想要介入光伏行業(yè)的公司會(huì)由于無法保證穩(wěn)定的硅料來源轉(zhuǎn)而投資聚光光伏發(fā)電等相關(guān)光伏產(chǎn)業(yè)。第二點(diǎn)就是CPV系統(tǒng)與平板組件系統(tǒng)相比有其自身的優(yōu)點(diǎn)，聚光

110、光伏發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)組件相比具有很多本身固有的優(yōu)點(diǎn)。比如系統(tǒng)構(gòu)成中很少使用有毒材料，系統(tǒng)的各個(gè)組成部分容易回收等。另一方面現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造技術(shù)完全能夠滿足聚光電池的生產(chǎn)需求，因此擴(kuò)產(chǎn)比較容易并且聚光系統(tǒng)是唯一一種系統(tǒng)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(nèi)CPV系統(tǒng)聚光電池的量產(chǎn)效率、光學(xué)透鏡效率、系統(tǒng)聚光比和系統(tǒng)發(fā)電效率等技術(shù)參數(shù)的提高目標(biāo)。可以預(yù)見隨著CPV系統(tǒng)技術(shù)的不斷提高、發(fā)電成本的不斷降低，

111、CPV市場(chǎng)將會(huì)有大的發(fā)展。</p><p>　　表1-2 未來幾年內(nèi)CPV系統(tǒng)技術(shù)提高目標(biāo)[9]</p><p>　　若聚光系統(tǒng)的應(yīng)用地區(qū)直射輻照條件較好，CPV系統(tǒng)比平板PV系統(tǒng)更有競(jìng)爭(zhēng)力，最佳的CPV系統(tǒng)應(yīng)用方式為GaAs多結(jié)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(jìng)爭(zhēng)的太陽能發(fā)電方式。未來發(fā)展的趨勢(shì)可能是將光熱、光電結(jié)合形成光熱電一體化，進(jìn)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(gè)新型聚光光伏系統(tǒng)平臺(tái)。對(duì)硅太陽電池聚光組件在低倍聚光條件下的發(fā)電特性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并且給出了相應(yīng)的結(jié)果。</p><p><b>　　具體如下：</b></p><p>　　1、CPV產(chǎn)業(yè)分析

113、與總結(jié)。與平板PV組件相比目前國(guó)內(nèi)對(duì)CPV發(fā)電關(guān)注很少，對(duì)整個(gè)CPV市場(chǎng)也缺乏一種完整的認(rèn)識(shí)。從事CPV研究的機(jī)構(gòu)不僅數(shù)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(xiàn)狀。使大家對(duì)CPV發(fā)電的優(yōu)缺點(diǎn)有更深刻的理解。</p><p>　　2﹑新型線形聚光光伏實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建與完善。嘗試對(duì)聚光電池組件進(jìn)行新式封裝，跟蹤控制裝置的設(shè)計(jì)與制作，聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)各組成部分包括菲涅爾透鏡﹑聚光電池組件﹑機(jī)械傳動(dòng)裝置﹑控制

114、跟蹤系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化組合。還包括數(shù)據(jù)采集儀器，冷水機(jī)，熱電偶，輻照計(jì)，總輻照表，標(biāo)準(zhǔn)電池等設(shè)備的選擇。</p><p>　　3﹑利用聚光光伏平臺(tái)進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)主要包括聚光組件熱性能和電性能分析。對(duì)硅太陽電池聚光組件在低倍聚光條件下的發(fā)電特性進(jìn)行了理論分析。通過改變聚光組件所接受到的光強(qiáng)大小及工作溫度得到相應(yīng)的電性能曲線。分析了光強(qiáng)與溫度對(duì)聚光組件發(fā)電性能所造成的影響。利用太陽組件測(cè)試儀通過對(duì)常規(guī)小組件室內(nèi)聚光實(shí)

115、驗(yàn)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(tǒng)的發(fā)展前景和趨勢(shì)。分析了聚光光伏系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)及未來幾十年技術(shù)革新目標(biāo)及相關(guān)措施。一方面大中型CPV并網(wǎng)電站在那些輻照條件較好的地區(qū)市場(chǎng)安裝量會(huì)出現(xiàn)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(tǒng)做成光伏光熱一體化將是一個(gè)很有前景的發(fā)展方向。</p><p>　　聚光光伏產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀

116、及成本分析</p><p>　　人類利用會(huì)聚太陽光的歷史最早可以追溯到公元前兩世紀(jì)[10],那時(shí)人們通過聚光得到更大能量的光和熱。聚光光伏（CPV）技術(shù)的發(fā)展真正開始于1976年，當(dāng)時(shí)美國(guó)的Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(jì)劃。近年來聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)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(jié)電池作為聚光電池，以GaAs為主的Ⅲ－Ⅴ族多結(jié)聚光電池最初的研究是基于太空應(yīng)用的需要[12]，慢慢的同聚光系統(tǒng)結(jié)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(jié)聚光電池會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的安裝成本明顯降低。目前做的較好的有美國(guó)AMONIX公司的IHCPV和澳大利亞Solar Systems 公司的CS500碟式聚光系統(tǒng)。2008年世界上最大的聚光光伏電站項(xiàng)目154MW 維多利亞計(jì)

118、劃即將在澳洲西北維多利亞啟動(dòng)。</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(tǒng)的構(gòu)成</p><p>　　一套典型的CPV發(fā)電系統(tǒng)一般包括聚光組件和平衡（BOS）系統(tǒng)兩大部分。聚光組件包含了接收器、聚光器、機(jī)架保護(hù)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(gè)主要部分。平衡系統(tǒng)包括跟蹤

119、控制機(jī)構(gòu)和配線接線、電力調(diào)節(jié)裝置等附屬配件。其中跟蹤控制部分包括機(jī)械傳動(dòng)和電子控制部分。并網(wǎng)CPV發(fā)電系統(tǒng)還應(yīng)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(tǒng)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(yùn)輸?shù)姆奖慵伴L(zhǎng)使用壽命的需要，通常把與聚光組件有關(guān)的各個(gè)部分包括接收器、聚光器、機(jī)架保護(hù)組

120、元采取一體化封裝方式。西班牙isofoton公司生產(chǎn)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(jìn)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(jí)為更高效率的Ⅲ－Ⅴ族化合物聚光太陽電池。整個(gè)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(shí)際上聚光電池發(fā)電效率的高低直接反映了各國(guó)在CPV系統(tǒng)方面的研究水平。聚光電池有很多種結(jié)構(gòu)，從材質(zhì)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(gè)CPV系統(tǒng)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(shì)。一般來講聚光電池具有正面光遮擋損失小、低的串聯(lián)電阻和陷光效果好等特點(diǎn)。</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(shè)計(jì)方案。第一種為 V型凹槽電池，第二種是垂直多結(jié)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(jié)構(gòu)電池最初由Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于1982年提出，經(jīng)過優(yōu)化后可以在150倍的聚光光強(qiáng)條件下應(yīng)用,，在40到200個(gè)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(dá)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(jī)構(gòu)在多結(jié)電池效率上保持領(lǐng)先[14]，包括波音公司的Spectrolab，日本的Sharp和德國(guó)的FhG-ISE。另外從事相關(guān)研究的還有俄羅斯約飛物理技術(shù)研究所（Ioffe Phys

124、ico-Technical Institute）等。同時(shí)隨著研究的不斷深入，聚光電池的結(jié)數(shù)不斷增加，效率也在不斷提高[15-18]。理論上四結(jié)聚光電池聚光效率可達(dá)50％以上。目前三結(jié)電池所能夠達(dá)到的最高效率為40.7％[16]，是Spectrolab實(shí)驗(yàn)室2007年所得到的結(jié)果?；倦姵亟Y(jié)構(gòu)為GaInP/GaInAs/Ge 三結(jié)疊層方式，具有很高的填充因子。California 技術(shù)研究所現(xiàn)已研制出了Ⅲ－Ⅴ族四結(jié)電池，只是效率在40％。

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

126、－Ⅴ族多結(jié)聚光電池最初的研究是滿足太空應(yīng)用的需要(見圖2-3)，目前在中高倍點(diǎn)聚光系統(tǒng)中近些年更多采用Ⅲ－Ⅴ族多結(jié)電池作為聚光電池。這樣以來Ⅲ－Ⅴ族多結(jié)電池的應(yīng)用領(lǐng)域也由太空擴(kuò)大到地面。使用高效的多結(jié)聚光電池會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)的安裝成本明顯降低，基本上來說Ⅲ－Ⅴ族多結(jié)聚光電池具有以下幾個(gè)特點(diǎn);</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(jí)（見圖2

127、-4）。同樣的發(fā)電功率，高倍聚光發(fā)電系統(tǒng)明顯節(jié)省電池面積和用量，使得價(jià)格昂貴的Ⅲ－Ⅴ族聚光電池能夠?qū)崿F(xiàn)地面應(yīng)用。</p><p>　　2、高的開路電壓和寬的光譜吸收帶。采用多個(gè)pn結(jié)的電池結(jié)構(gòu)，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(nèi)部的多個(gè)pn結(jié)之間相互串聯(lián)。每個(gè)pn結(jié)都對(duì)應(yīng)一個(gè)光譜吸收帶，spectrolab開發(fā)的三結(jié)聚光電池所對(duì)應(yīng)的光譜吸收帶的寬度為300nm～1800n

128、m，基本結(jié)構(gòu)為GaInP/GaInAs/Ge，各結(jié)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(zhuǎn)換效率及研究單位。可以看出GaAs多結(jié)聚光電池最高發(fā)電效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他太陽電池。</p><p>　　圖2-4 三結(jié)聚光電池的制作[9] 圖2-5 三結(jié)聚光電池結(jié)構(gòu)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(tǒng)（BOS）</p><p>　　平衡系統(tǒng)是一種總稱，聚光光伏系統(tǒng)中除聚光組件以外的各組成部分通稱為平衡系統(tǒng)[76]。BOS圍繞聚光組件而設(shè)計(jì)，最終目的就是能夠最好的利用聚光組件進(jìn)行發(fā)電。一般來說BOS包括機(jī)械支撐框架、跟蹤控制裝置以及配線接線、電力調(diào)節(jié)裝置等附屬配件，如果是并網(wǎng)系統(tǒng)還需要安裝逆變器。</p><p>　　

130、2.2聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類</p><p>　　近年來聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)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(xué)效率的提高、散熱裝置的改進(jìn)、系統(tǒng)平衡系統(tǒng)（BOS）不斷優(yōu)化等都使得整個(gè)聚光發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)類型有五種[20]，但簡(jiǎn)單來講可分為點(diǎn)聚光、線聚光和固定聚光三種類型。實(shí)際上根據(jù)聚光比﹑跟蹤方式﹑聚光方式的不同可以將聚光光伏系統(tǒng)進(jìn)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(tǒng)按跟蹤方式進(jìn)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(tǒng)。單軸跟蹤系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的聚光比一般要小于100倍。大于100倍的聚光光伏系統(tǒng)要采取雙軸跟蹤方式。</p><p>　　跟蹤控制通過跟蹤控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。跟蹤控制系統(tǒng)又包括機(jī)

132、械傳動(dòng)和電子控制兩個(gè)部分。根據(jù)跟蹤系統(tǒng)的工作原理又可分為主動(dòng)跟蹤和被動(dòng)跟蹤兩種方式。其中主動(dòng)跟蹤又稱開環(huán)控制，被動(dòng)跟蹤也被稱為閉環(huán)控制。主動(dòng)跟蹤方式根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩斫?jīng)度、緯度和所處時(shí)間等信息編寫跟蹤程序輸入電子控制部分以此驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽位置的跟蹤。這種跟蹤方式的優(yōu)點(diǎn)是無論天氣情況如何，跟蹤系統(tǒng)都會(huì)按照預(yù)設(shè)的方式進(jìn)行工作，保證了跟蹤的連貫性。被動(dòng)跟蹤方式一般要采用太陽傳感器來測(cè)量跟蹤太陽的最大輻射光強(qiáng)所處的方位角和高度角，以此來

133、達(dá)到系統(tǒng)跟蹤的目的。這種跟蹤方式的特點(diǎn)是在多云的天氣條件下跟蹤控制部分會(huì)暫時(shí)停止，等待晴天時(shí)再通過太陽傳感器自動(dòng)搜索太陽的位置。 </p><p>　　表2-2給出了CPV系統(tǒng)按照跟蹤方式不同的分類情況。1977年Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室安裝的世界上第一個(gè)大型聚光系統(tǒng)SANDIA I采用閉環(huán)控制（被動(dòng)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(jìn)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(jì)算機(jī)程序跟蹤太陽位置的開環(huán)控制系統(tǒng)最早采用是在1981年，初期使用時(shí)由于時(shí)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(shù)字角度傳感器和天文跟蹤相結(jié)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(shì)更為明顯 [21]。</p><p>　　表2-2 聚光光伏系統(tǒng)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(duì)于低倍聚光（幾十倍）來講，通常采用線聚光、單軸跟蹤的運(yùn)行方式（對(duì)于加裝二次聚光裝置的發(fā)電系統(tǒng)來講，也可以達(dá)到幾百倍的聚光比），

136、由于聚光系統(tǒng)構(gòu)造的復(fù)雜性導(dǎo)致的不穩(wěn)定性和使用地域的選擇性[22]，使得該技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展緩慢。高倍聚光（大于300倍）通常采用點(diǎn)聚光、雙軸跟蹤的運(yùn)行方式，一般采用效率更高的Ⅲ－Ⅴ族多結(jié)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(shè)計(jì)，便于運(yùn)輸，安裝與維護(hù)。以上原因使得高倍點(diǎn)聚光組件的市場(chǎng)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(jù)聚光方式和幾何原理可將聚光光伏系統(tǒng)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(zhì)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(diǎn)就是反射鏡尺寸一般比較大，一般在1～100m2量級(jí)。同時(shí)該種聚光系統(tǒng)一般不能夠?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)[24]一般采取基材為玻璃或者有機(jī)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(tǒng)

138、容易實(shí)現(xiàn)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(diǎn)聚光和線聚光兩種方式。一般來說線聚光對(duì)應(yīng)中低倍CPV系統(tǒng)，點(diǎn)聚光對(duì)應(yīng)高倍CPV系統(tǒng)。</p><p>　　表2-3 CPV系統(tǒng)的分類[58]</p><p>　　2.3聚光光伏系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例</p><p>　　目前CPV系統(tǒng)研究及應(yīng)用走在前列的國(guó)家和地區(qū)包括美國(guó)，歐洲的西班牙

139、、德國(guó)和亞洲的日本、澳大利亞等。從事線性CPV系統(tǒng)研究的公司及科研機(jī)構(gòu)[25-26]以澳大利亞國(guó)立大學(xué)、美國(guó)ENTECH公司和德國(guó)Frauhofer ISE為代表。從事點(diǎn)聚光CPV系統(tǒng)研究的公司及科研機(jī)構(gòu)以美國(guó)AMONIX公司、西班牙isofoton公司、德國(guó)Fraunhofer-ISE下屬Concentrix公司、澳大利亞 Solar Systems 公司和日本NEDO[27-28]計(jì)劃為代表。</p><p>

140、;　　2.3.1線聚光系統(tǒng)</p><p>　　從事線性聚光光伏系統(tǒng)研究的公司及科研機(jī)構(gòu)以澳大利亞國(guó)立大學(xué)、美國(guó)ENTECH公司和德國(guó)Frauhofer ISE為代表。其中ENTECH公司開發(fā)Solarline (包括兩個(gè)組件) 和Solarrow（包括72個(gè)組件）聚光發(fā)電系統(tǒng)采用穹形菲涅耳透鏡進(jìn)行線聚光，是比較成熟并且已經(jīng)市場(chǎng)化的線聚光光伏系統(tǒng)。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(tǒng)，該系統(tǒng)采用鍍銀玻璃拋物線聚光鏡[33]。另外還有很多研究機(jī)構(gòu)或大學(xué)也對(duì)線性聚光系統(tǒng)進(jìn)行的深入研究比如德國(guó)的Fraunhofer ISE，他采用復(fù)合拋物面反射鏡（CPC）作為二次聚光裝置使得整個(gè)線性聚光系統(tǒng)的幾何聚光比達(dá)到300×[34-35]。ENTECH公司的產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化是很成功的，已經(jīng)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(yīng)用的線性聚光系統(tǒng)的研究已經(jīng)有20多年的歷史[12][24]。最早從事微型F-lens點(diǎn)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(jìn)行了新的改進(jìn)、優(yōu)化、升級(jí)。90年代以來關(guān)于Solarline與Sol

143、arrow（見圖2-7）的研究項(xiàng)目得到了美國(guó)能源部（DOE）、國(guó)家可在生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）和Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的財(cái)政資助和技術(shù)支持。該項(xiàng)目也是DOE于1990年發(fā)起的光伏制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)化計(jì)劃PVMAT的一個(gè)組成部分。Solarline與Solarrow的基本技術(shù)參數(shù)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(tǒng)。其中Solarline包括兩個(gè)聚光發(fā)電組件，Solarrow包括了72個(gè)聚光

144、發(fā)電組件[37]。ENTECH公司在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了大量改進(jìn)，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(gòu)成及參數(shù)</p><p>　　圖2-7 Solarrow發(fā)電系統(tǒng)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(guó)Fraunhofer ISE開發(fā)的BICON聚光系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)300×的高聚光比[72]。圖2-8為BICON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖2-9是BICON系統(tǒng)使用的聚光接受器實(shí)物圖。</p><p><b>　　接收器構(gòu)成</b></p>&

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

147、/p><p>　　考慮到接受器中散熱裝置對(duì)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(shè)計(jì)值降為38.4×，CPC幾何聚光比為7.72×，所以系統(tǒng)的幾何聚光比為296.45×。該系統(tǒng)目前未見相關(guān)商業(yè)化的報(bào)道。</p><p>　　圖2-8 BICON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[41] 圖2-9 BICON系

148、統(tǒng)使用的聚光接受器[30] </p><p>　　2.3.2 點(diǎn)聚光系統(tǒng)實(shí)例</p><p>　　高倍點(diǎn)聚光系統(tǒng)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(gè)系統(tǒng)通常采用被動(dòng)散熱方式即使用導(dǎo)熱性能優(yōu)異的鋁板做成散熱裝置，便于長(zhǎng)期使用而且穩(wěn)定性好。綜合考慮性價(jià)比一般都采用雙軸跟蹤的方式，用兩個(gè)馬達(dá)和兩套傳動(dòng)裝置來實(shí)現(xiàn)。即同時(shí)跟蹤太陽的高度角和方位角使電池時(shí)刻處于最

149、大光強(qiáng)的照射之下，通過添加二次聚光裝置進(jìn)一步提高光強(qiáng)強(qiáng)度及均勻度而且會(huì)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(diǎn)聚光系統(tǒng)市場(chǎng)化程度比線聚光系統(tǒng)要高些，美國(guó)的AMONIX公司、西班牙的isofoton、德國(guó)的Fraunhofer-ISE的下屬公司Concentrix和日本Daido鋼鐵公司在點(diǎn)聚光光伏系統(tǒng)研究及應(yīng)用方面走在前列。值得一提的是中國(guó)北京先騰公司2004年已經(jīng)得到Amonix公司的技術(shù)轉(zhuǎn)讓并開始生產(chǎn)IHCPV系統(tǒng)[4

150、2]。</p><p>　?。?）德國(guó)Fraunhofer ISE</p><p>　　德國(guó)Fraunhofer ISE于2005年夏天裝配了第一臺(tái)并網(wǎng)的高倍聚光發(fā)電系統(tǒng)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(jié)聚光電池提供500倍的聚光光強(qiáng)[43-44]。同時(shí)聚光電池安置在銅質(zhì)散熱

151、板上。為了將FLATCON®發(fā)電系統(tǒng)推向市場(chǎng)，2005年3月，F(xiàn)raunhofer 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(tǒng)的生產(chǎn)和銷售。</p><p>　　圖2-10 安裝于德國(guó)Frauhofer ISE 樓頂?shù)腇LATCON®發(fā)電系統(tǒng)[45]</p><p>

152、;　?。?）西班牙isofoton</p><p>　　西班牙isofoton公司生產(chǎn)平板微型聚光組件，該聚光組件最大的創(chuàng)新點(diǎn)就是采用了新型的TIR-R聚光透鏡為電池進(jìn)行聚光。早期的平板微型聚光組件聚光倍數(shù)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(jìn)，聚光比也不斷提高由原來的幾百倍變?yōu)樯锨П?，聚光電池也相?yīng)采用更高效率的Ⅲ－Ⅴ太陽電池，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(dǎo)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(jìn)如下：</p><p>　　TIR-R包括一個(gè)初級(jí)透鏡（POE）和一個(gè)二次光學(xué)透鏡(SOE)組成。其中POE基于透射、全內(nèi)反射（TIR）、折射和非球面透鏡原理制成。 </p><p>　　TIR-R能夠達(dá)到菲涅耳透鏡所不能達(dá)到的小焦距，大的接受角。這樣就使得整

154、個(gè)透鏡組焦距很小最終導(dǎo)致封裝后的組件僅有3cm左右的厚度，同時(shí)具有大于1°的接受角。</p><p>　　透鏡用PMMA制成，透鏡光學(xué)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(huì)減小透鏡的光學(xué)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(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)透鏡的制作過程中通過改變TIR面的數(shù)量可以改變透鏡的聚光倍數(shù)，接受角，透鏡焦距，光學(xué)效率等參數(shù)。自2000年開始透鏡的TIR面的數(shù)量有越來越小的趨勢(shì)，這一方面提高了聚光倍數(shù)另一方面也降低了最大接受角。如此就對(duì)跟蹤精度和散熱提出了更高的要求。</p><p>　　美國(guó)AMONIX

156、公司</p><p>　　AMONIX公司[49-51]是一家專門研究、開發(fā)和生產(chǎn)集成高效率聚光發(fā)電系統(tǒng)（ 以下簡(jiǎn)稱IHCPV系統(tǒng)）的公司。2006年以前IHCPV系統(tǒng)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(tǒng)、馬達(dá)、控制器、逆變器、傳感器、電度表和風(fēng)速計(jì)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(xué)裝置（用小的鋁片加工而成）來彌補(bǔ)[52]。2006年通