聚光光伏浅析

近几年，我国太阳能光伏组件产量快速增长，但太阳能光伏技术开发和利用的水平远低于发达国家。目前阻碍我国太阳能光伏发电系统大规模推广应用的瓶颈是系统价格和发电成本太高。为了改变这一状况，一方面要扩大生产规模，降低太阳电池组件生产成本；另一方面要发展先进光伏发电技术，以降低光伏发电成本。聚光光伏作为目前光电转换效率最高的电池，值得我们做进一步研究。

对于光伏组件，目前大致可以分为非聚光的平板太阳电池组件、聚光光伏发电组件和薄膜电池组件等三类。

聚光光伏发电组件有反射式结构和折射式结构两大类，目前主要发展折射式结构的，其聚光透镜常用点聚焦平板式和线聚焦柱面式两种。点聚焦平板式与线聚焦柱面式聚光光伏发电组件相比，结构紧凑，聚光比高，所用电池少，但电池温度较高（从而降低光电转换效率和长期性能），对日跟踪系统精度要求较高。

太阳能发展优势：
1.与其它产业相比具有产业竞争优势： 2.与水利发电、火力发电相比具有资源优势： 3.与潜在的竞争对手相比具有市场优势：	a.国家支持 a.取之不尽的可再生性 a.推动时代发展离不开能源	b.少数我国能掌握大量高端技术及专利的产业； b.绿色无污染环保性； b.可使用的化石资源越来越少，电力缺口慢慢拉大；

聚光光伏结构：
聚光光伏发电系统由太阳能接收器、聚光镜、太阳跟踪机构组成。
聚光太阳能接收器包括聚光太阳能电池、旁路二极管和散热系统等。
（右图为聚光太阳能接收器模型）

散热的必要性：

和普通太阳能电池一样，聚光太阳能电池的峰值功率会随着温度的升高而降低，而聚光太阳能电池又是在高光强、大电流下工作，一套设计合理的散热系统对提高发电效率，延长使用寿命起到十分重要的作用。散热系统分主动式冷却和被动式冷却。

主动式冷却（冷却效果好）：利用流动的水或其它工质将聚光组件工作时产生的热量带走。

被动式冷却（可靠，稳定）：是指太阳电池方阵产生的热量通过散热器直接散发到大气中。

聚光器依光学原理可分为折射聚光器和反射聚光器：
折射透镜主要使用菲涅耳透镜，这种透镜具有质量轻、厚度薄的特点。
反射聚光器主要是镜面反光板，根据聚光倍数的不同制作成长条状或圆盘状。随着聚光倍数的提高，各类新型聚光系统不断推出，这类聚光系统通常在聚光器下增加一个二次聚光器，以达到使射入电池表面光谱更均匀、减少光损失、缩减聚光器到电池距离等目的。

太阳跟踪器原理：
利用四象限光敏传感器判断太阳的位置。这种跟踪方式精度很高，并且是闭环控制，能自我修正，聚光太阳能应用中通常都需要使用光敏传感器。
根据跟踪机构所在地的经纬度计算太阳的位置。这种技术也可配合GPS全球定位来获得更精确的位置和时间信息。
根据预置的太阳位置数据库或移动轨迹来跟踪太阳。这种跟踪方式比较死板，换个地点就要更新数据库，跟踪精度也比较低。
对电池阵的输出功率进行监测，使电池阵的输出功率保持最大。（系统实物及原理图如下）

高倍聚光电池具有代表性的是砷化镓（GaAs）太阳电池。
1、光电转化率：
砷化镓的禁带较硅为宽，使得它的光谱响应性和空间太阳光谱匹配能力较硅好。目前，硅电池的理论效率大概为23%，而单结的砷化镓电池理论效率达到27%，而多结的砷化镓电池理论效率更超过50%。
2、耐温性：
常规上，砷化镓电池的耐温性要好于硅电池，有实验数据表明，砷化镓电池在250℃的条件下仍可以正常工作，但是硅电池在200℃就已经无法正常运行。
3、机械强度和比重：
砷化镓较硅质在物理性质上要更脆，这一点使得其加工时比容易碎裂，所以，目前常把其制成薄膜，并使用衬底（常为Ge [锗]），来对抗其在这一方面的不利，但是也增加了技术的复杂度。

砷化镓电池产业发展遇到的问题:
第一，是制备费用高居不下；
第二，是砷化镓的另一个组分砷有毒，对于环境安全和生产工人自身身体安全都是一个不小的威胁，在没有得到有力技术保证的前提下，一般的企业也不愿往这方面投产。
第三，目前的砷化镓电池由于自身物理因素的限制（脆性），一般制成带衬底的薄膜电池，需要构造隧道结和防止形成寄生的p/n结，这增加了技术的难度。
第四，对于产业化来说，民众认可是很重要的，这些年来，对于砷化镓光伏电池，民众认知度不够，媒介和研究机构的宣传推广工作有些不力。
第五，是国家政策，政府政策支持在光伏产业方面比较宏观，目前还没有做到对光伏电池行业进行分类别对待，支持产业发展，在成本竞争不具备优势的情况下，政策支持的不力使砷化镓产业化推进缓慢。

由于太阳能光伏利用的效率比较低，未利用的太阳能都转化成了热能导致太阳电池温度升高，效率降低。因此若将剩余的热能加以利用，定会创造更多效益。

太阳能热发电技术主要有槽式、碟式和塔式三种：
塔式太阳能热发电系统主要有聚光系统，吸、换热系统，储热系统和发电系统四部分组成。其中，聚光系统包括反射镜、支撑结构、传动装置和跟踪控制系统。塔式太阳能热发电系统采用光—热—电的转化路线。即利用太阳辐射所产生的热能发电。由用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。前一过程为光—热转换，后一过程为热—电转换。

槽式太阳能热发电系统的聚光反射镜从几何上看是将抛物线平移而形成的槽式抛物线，它将太阳光聚集在一条线上。在这条焦线上安装有管状集热器，以吸收聚集后的太阳辐射能。槽式聚光器只需要一维跟踪，聚光比为10-100之间，一般在50左右，温度可达400℃左右。由于槽式的聚光比小，为维持高温时的运行效率，必须使用真空管作为吸热器件。槽式太阳能热发电系统具有规模大、寿命长、成本低等特点，是目前唯一实现了商业化运营的太阳能热发电技术。

碟式太阳能热发电系统一般由旋转抛物面反射镜、吸热器、跟踪装置以及热功转化装置等组成。碟式反射镜可以使一整块抛物面，也可由聚焦于同一点的多块反射镜组成。其聚焦比可高达500-1000之间，焦点处可产生1000℃以上的温度。整个碟式发电系统安装于一个双轴太阳跟踪器上，实现定日跟踪，连续发电。碟式系统的吸热器一般为腔式，与斯特林发电机相连，构成一个紧凑的吸热、做功、发电装置。整个装置安装于抛物面的焦点位置，吸热器的开口对准焦点。

聚光光伏发电有低成本、高效率和高可靠性等优势，适合与光热技术结合建成综合型电站。