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聚光光伏系统


□ 陈诺夫 白一鸣

  摘 要随着传统化石类能源的枯竭和环境污染的日益严重,太阳能光伏发电技术倍受瞩目,但较高的发电成本及原材料的缺乏制约了其大规模发展.以高转换效率、低芯片消耗为核心的聚光光伏技术,在降低光伏发电成本方面被人们寄予厚望.文章主要介绍了聚光光伏系统发展的历史和现状,工作原理及存在的关键问题,并对其发展前景进行了展望.
  关键词聚光光伏系统,太阳电池,聚光器,跟踪系统
  
  1 引言
  
  在能源问题日益突出的今天,太阳能,作为一种取之不尽、用之不竭、清洁无污染的绿色能源,对其有效开发利用已成为实现能源可持续发展的重中之重[1—3].在太阳能的有效利用当中,太阳能发电技术是近年来发展最快、最具活力的研究领域之一.
  经过各国光伏工作者的不懈努力,到目前为止,第一代晶体硅太阳电池的实验室效率达到了24.7%,大规模生产商用产品的效率为17%以上[4—7].尽管如此,由于受单晶硅材料价格及繁琐的加工工艺限制,致使单晶硅太阳电池成本居高不下.第二代薄膜太阳电池也取得了令人瞩目的成就,CuInSe2和CdTe等薄膜电池的实验室效率目前分别为16.5%和18.5%[4,7,8],虽然仍有望在效率上进一步突破,但前者稳定性差,后者又较难制作.非晶硅及氢化非晶硅的来源较广,但是转换效率较低,且大面积薄膜制作也存在价格高的问题.相比之下,GaAs基的太阳电池30%乃至更高的效率独具优势[9],但是砷化镓的材料成本远高于硅电池的材料成本,而电池片的价格是光伏系统成本最主要的部分.因此,高额成本成为制约光伏发电大规模应用的主要障碍.
  为了进一步降低光伏发电成本,减少太阳电池芯片的消耗,聚光技术是一项可行的措施,即通过采用廉价的聚光系统将太阳光会聚到面积很小的高性能光伏电池上,从而大幅度地降低系统的成本及昂贵的太阳电池材料用量[10—13].理论估算表明,聚光光伏发电成本完全可以达到大规模应用所能接受的价格范围[14].
  各国光伏工作者也在不断地以实验结果验证聚光技术,这将是在提高太阳电池转换效率的前提下,大幅度降低电池片的消耗量和光伏发电成本的最有效方案.早在1989年,GaAs/GaSb机械叠层双结太阳电池的效率已达32.6%(大气质量因子AM1.5,100suns)[15].1995年,Fraunhofer ISE和Calibration实验室研制的Ga0.51In0.49P/GaAs整体级联双结太阳电池,效率为31.1%(AM1.5,300suns)[16].2005年5月,美国可再生能源实验室报道其三结太阳电池在10倍聚光条件下的效率为37.9%[17].2005年6月,美国Spectrolab公司报道其多结太阳电池在236倍聚光条件下的效率为39%[18].2006年12月,该项世界纪录又被其刷新为40.7%,这次突破可使安装成本降至3美元/W,发电成本约8—10美分/kWh,这在利用太阳光发电方面树立了新的里程碑[19].表1给出了截止到2006年底报道的各种地面应用聚光太阳电池和模块的效率[20].
  为了打开实用化的市场,美国Amonix公司和SunPower公司经过15年的不断努力,近期开发了20kW的点聚焦菲涅尔透镜列阵[21],该系统安装在PVUSA和亚利桑那州的STAR公共服务机构.Solar Research公司一直致力于反射圆盘式聚光光伏系统,自1996年至今,他们先后在Whitecliffs,South Australia,Aboriginal lands,Hermannsburg,Yuendumu和Lajamanu建成了这种聚光光伏发电站,用于提供该地区人民所需的电力[22].Entech公司自从联邦光伏计划启动以来,一直致力于线聚焦菲涅尔透镜光伏系统的研究[23].马德里Polytechnical研究组研究和开发了一种新型的RXI(refraction\|reflection\|internal reflection)聚光光伏系统,应用这个系统,其发电成本为0.104 欧元/kWh,对于1000MW系统,其发电成本为0.033 欧元/kWh[24].西班牙也于2006年在北部的纳瓦拉安装了由400个太阳能跟踪系统组成的“聚光太阳能花园”,他们声称该系统比传统平板光伏系统能源输出增加了35%[25].
  与发达国家相比,我国聚光光伏系统研究工作起步较晚,研究水平与发达国家也存在一定的差距.因此,如何在聚光光伏领域取得突破性研究进展,我国光伏工作者任重道远.本文主要介绍聚光光伏系统的原理、系统核心组件及存在的关键问题,并对其发展前景进行了展望.
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摘自:物理 2007年第11期  
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