HCPVT高聚光太阳能光伏发电及光热系统技术简介.pdf

1 HCPVT高聚光太阳能光伏发电及光热系统技术预可研报告背景资料随着全球化石能源的日渐枯竭和人类环保意识的逐步增强 , 以光伏为核心的太阳能发电事业近年来有了快速发展。 但光伏电力比传统火电价格高达 4-6 倍以上 , 完全市场化运营特别是为普通老百姓所接受还有一定困难。根据最近刚刚结束的京都议定书修改， 未来高耗能产品输出将受到严格限制。 生产过程须高耗能的单、 多晶硅太阳能电池将面临严苛挑战。 而具环保低耗能且发电转换效率更高的砷化鎵太阳能电池， 估计将逐渐取代晶硅太阳能电池市场。 目前市场上量产的单晶与多晶硅的太阳电池平均效率约在 15％上下，为了提炼晶硅原料，需要花费极高的能源， 所以严格地说， 现今的晶硅太阳电池， 也是某种型式的浪费能源。而砷化鎵太阳能电池， 由于原料取得不需使用太多能源， 而且光电转换效率高达38％以上， 比传统晶硅原料高出许多，符合修改后的京都议定书规范，估计未来将成市场主流。最近美国道康宁公司与德国瓦克公司拟在江苏省张家港地区申请大片良田建立有机硅厂。这一项目如果上马， 将耗费我大量宝贵的金属硅资源， 其产品市场却主要在国外。这一项目对于我资源的就地开采、加工，也将造成四川、山西等其他生产基地电力等资源的巨大消耗， 同时还会大量砍伐树木、 排放超标的温室气体、 造成严重的生态污染。 据有关专家粗略计算， 仅为上述张家港地区拟建的有机硅厂提供一年 10 万吨的硅，就需要纯净木炭数万吨，折合成木材就远不止几万吨了。此外， 每炼 1 吨硅仅电炉的电耗就是 1.4 万度， 生产过程还将释放大量二氧化碳，存在着大量的粉尘污染，尤其对半径 10 公里以内生活的人群来说，其健康会受到影响，严重的会造成矽肺病。数年前，在我国对高耗能产业和温室气体排放问题还不太注意的时候， 美国道康宁公司就投资在大连建立硅块的采购、 分拣和加工中心， 将他们生产的有机硅和单晶硅所需要的硅产业逐渐转移到中国。 今年 2 月京都议定书已正式生效。从长远看，我国减排二氧化碳的压力是巨大的，应及早防止高耗能、高排放、高污染型企业的引进，以及高耗能低产值产品的出口。为此， 专家建议， 国家应采取措施遏制跨国公司向我转移高耗能产业的趋势。为了解决这一问题， 人们不得不把眼光盯向薄膜电池， 使近年薄膜电池异军突起，引起投资者的极大兴趣。 但薄膜电池光电转换效率相对较低， 特别是砷化镓薄膜电池价格昂贵， 目前仅在空间领域应用， 给光伏产业的大规模发展带来一定制约。 而采用砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统即所谓 HCPV系统 , 却能实现光热与光伏的综合利用，并充分降低生产成本、 提高转换效率， 为光伏产业更大发展开辟新的市场空间。一、砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统的基本构想在光伏发电产业中，单晶硅和多晶硅等硅基光伏电池几乎占到全部产量的94以上。由于近年太阳能级硅材料供不应求，且持续大幅度涨价，在一定程度上制约了硅基光伏电池的发展。 因此， 如何提高光伏电池的转换效率和降低光伏电池的生产成本， 成为目前光伏产业必须研究和解决的核心问题。 人们一方面在研究和扩大太阳能级硅材料的生产， 另一方面又在研究和推广不用或少用硅材料来生产新的光伏电池。在这样一种背景下，非晶硅、硫化镉、碲化镉及铜铟硒等2 薄膜电池应运而生，乘势发展。上述光伏电池中，非晶硅电池效率低下，且稳定性有待提高。尽管硫化镉、 碲化镉薄膜电池的效率较非晶硅薄膜电池效率高， 成本较晶体硅电池低， 且易于大规模生产， 但是镉有剧毒， 会对环境造成严重污染，硒和铟是储量很少的稀有元素， 因此大规模发展必将受到材料制约。 而砷化镓化合物材料具有十分理想的禁带宽度以及较高的光吸收效率，适合于制造高效电池。此外 , 还可以通过叠层技术做成多结砷化镓基电池 , 以进一步提高转换效率。但是， 由于砷化镓基材料价格昂贵 , 砷化镓薄膜电池目前只在航天等特殊领域应用，离地面应用的商业化运行还有很大距离。为了降低光伏电池的发电成本， 可采取的有效途径之一就是研发和应用砷化镓薄膜电池聚光发电系统。 在获得同样输出功率情况下， 可以大大减少所需的砷化钾薄膜电池面积。 相当于用比较便宜的普通金属、 玻璃材料做成聚光器和支撑系统，来代替部分昂贵的砷化镓薄膜电池。 在这种聚光系统中， 如果聚光率超过10 倍以上，则系统只能利用直射阳光，因而必须采用跟踪系统相互配合，才能充分发挥效能。在固定温度下， 光伏电池效率随聚光率变化的一般趋势是， 在低聚光率时， 电池效率随聚光率的增加而增加，在高聚光率时，则随聚光率的增加而降低。 光伏电池在高聚光大电流下， 其工作温度的升高将导致效率的下降， 因此，聚光跟踪系统还需要配备有效的散热设备。 考虑到系统的整体经济性， 可以通过主动制冷方式，在对光伏电池快速散热的同时，充分利用热能生产热水， 最终实现实现太阳能光热和光伏的综合利用，以充分发挥整体效能。二、砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统的组成部件㈠ 电池片1. 砷化镓 GaAs的发展潜力砷化镓 （ GaAs） 半导体材料与传统的硅材料相比， 它具有很高的电子迁移率、宽禁带、 直接带隙， 消耗功率低的特性， 电子迁移率约为硅材料的 5.7 倍。 因此，广泛应用于高频及无线通讯中制做 IC 器件。所制出的这种高频、高速、防辐射的高温器件，通常应用于激光器、无线通信、光纤通信、移动通信、 GPS全球导航等领域。砷化镓除在 I C产品应用以外，也可加入其它元素改变能带隙及其产生光电反应，达到所对应的光波波长， 制作成光电元件。 还可与太阳能结合制备砷化镓太阳能电池。作为通信、微电子以及光电子的基础材料 GaAs材料，世界上其晶体生长技术和器件制作技术已较成熟，其应用领域不断扩大。其中，砷化镓在 WiMAX和WLAN应用市场上，将有明显增幅，预计到 2010 年，市场需求近 10 亿美元，增长 23。在砷化镓太阳能电池上，也有部分要量产的企业。在砷化镓微波元件需求上，可望再倍增， 用于蜂窝回程通信的 GaAs芯片市场 2007 年达到了峰期。 未来砷化镓发展势必将与 Si 、 GaN以及 SiGe一同参与市场竞争。砷化镓集成电路， 用半导体砷化镓 （ GaAs） 器件构成的集成电路。 构成 GaAs集成电路的器件主要有肖特基势垒栅场效应管、 高电子迁移率晶体管和异质结双极晶体管。 20 世纪 70 年代初，由于高质量的 GaAs外延材料和精细光刻工艺的突破，使 GaAs集成电路的制作得到突破性进展。同硅材料相比， GaAs材料具备载流子迁移率高、 衬底半绝缘以及禁带较宽等特征， 因此用它制成的集成电路具有频率高、速度快、抗辐射能力强等优点。它的缺点是材料缺陷较多，集成规模受到限制，成本较高。 GaAs集成电路可分为模拟集成电路如单片微波集成电路3 和数字集成电路两类。前者主要用于雷达、 卫星电视广播、 微波及毫米波通信等领域，后者主要用于超高速计算机及光纤通信等系统。2. GaAs 电池片技术特点市场上的聚光光伏电池系统组件大部分仍采用单晶硅太阳能电池， 基于砷化镓基多结太阳能电池的产品在国际市场上刚刚崭露头角， 尚未进入国内市场。 高效太阳能电池是聚光光伏、 光热综合利用系统的核心部件。 在 500－ 1000 倍的高倍聚光条件下， 其芯片和模组制作工艺都与低倍聚光下不同， 需要重新设计工艺条件。 在适合高倍聚光的光伏电池工艺中应充分借鉴激光器、 发光二极管等器件的先进设计方法。 采用低成本、 高热稳定性的不含金的合金作为 III-V 聚光光伏电池顶部网格电极材料， 通过优化电极结构和制作工艺， 在不改变电池外延结构的条件下，开发出 500 至 1000 倍聚光下高效多结光伏电池低成本产业化生产工艺，使光电转换效率达到 30％，并获得较高的工作稳定性。㈡ 聚光器由于高效砷化镓光伏电池的生产成本较高， 因此提高聚光器的聚光倍数、 聚光效率和均匀性成为充分发挥砷化镓光伏电池效率优势、 降低聚光光伏、 光热综合利用系统成本的关键之一。 光伏聚光器是利用透镜或反射镜将太阳光聚焦到光伏电池上。 按光学类型划分， 常用的聚光系统通常分为折射聚光系统和反射聚光系统。对于实际应用来说， 菲涅尔透镜成为理想之选。 它的聚焦方式可以是点聚焦，也可以是线聚焦。 点聚焦时 , 将太阳光聚焦在一个光伏电池片上； 线聚焦时 ,将太阳光聚焦在光伏电池组成的线列阵上。 反射式聚光系统也可以分为点聚焦结构和线聚焦结构。 但是传统菲涅尔透镜存在难以实现的高接收角、 聚光后光强分布不均匀和易老化变形等问题。而反射式聚光器聚光倍数较低 , 难以大幅度降低发电成本。㈢ 跟踪器对于砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统来说 , 对日跟踪器必不可少。这主要是由于随着聚光比的提高 , 聚光光伏系统所接收到光线的角度范围就越小 , 为了更加充分地利用太阳光 , 聚光光伏系统必须辅以对日跟踪装置。因此，通过对聚光光伏系统跟踪信号的产生、 自动控制的机理、 驱动执行部分的实现以及保护应急措施的考虑，研究出跟踪精度高、运行安全可靠、抗干扰能力强、制造和运用成本低、 用户操作界面友好的太阳能跟踪器， 对于成功开发砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统是至为重要的。目前 , 对日跟踪器的设计方案众多 , 形式不拘一格。点聚光结构的聚光器一般要求双轴跟踪 , 线聚光结构的聚光器仅需单轴跟踪。由于砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统不得不经受安装地区恶劣的气候条件 , 如风、沙、冰雹、雨、雪等的侵蚀和损坏 , 因此 , 跟踪系统的可靠性仍需进一步的提高。（四）散热器温度是影响太阳能电池光电转换效率的重要因素之一。 聚光太阳电池在运行过程中， 未被利用的太阳辐射能除一部分被反射外， 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，而且电池长期在高温下工作还会因迅速老化而缩短使用寿命。因此， 为了实现对电池组件的温度控制， 可采用无机超导热管技术。 即以多种无机元素组合而成的传热介质， 加入到管腔或夹壁腔内， 经真空处理且密封后形成具有高效传4 热特性的元件。 该元件将热量由一端向另一端快速传导的过程中， 表面呈现出无热阻快速波状导热特性。 它既可保证聚光光伏电池的光电转换效率， 同时又能获得相当可观的光热收益， 实现对太阳能的电热联用， 以满足普通用户日常生活用电和热水。三、砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统的开发意义在各国政府的大力支持下 , 以及光伏市场的需求和聚光光伏技术迅猛提高的趋势下 , 高效、低廉、可靠、稳定的聚光光伏发电系统正在逐步走向产业化。在国际光伏市场巨大潜力的推动下 , 中国作为世界能源消耗第二大国 , 对于高效、 低成本的光伏发电系统的需求更为迫切。与国际上蓬勃发展的光伏发电相比 , 国内平板式光伏发电系统技术已经比较成熟 , 而聚光光伏发电系统还处于技术开发阶段。 只要我们抓住有利时机 , 瞄准国际光伏电池新材料及器件研究的前沿 , 积极引进和开发成熟砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统， 就能在聚光光伏技术及应用方面取得原创性的、突破性的进展。砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统是一个技术水平高、 涉及学科多、 带动作用强的综合产业。在这个产业链上，包括了研制系统所需要的钢材、玻璃、塑胶材料等产业； 包括了与聚光器、 跟踪器所密切相关的精密仪器加工和自动控制等产业；包括了与高效太阳能电池相关的关键设备制造、 III － V 族半导体材料外延和器件制作等产业， 包括了与太阳能光热利用相关的传热、 水箱、 管道等产业，还有相关的蓄电池、逆变器和控制器等产业。 因此， 通过研发砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统， 能够带动相关产业的迅速发展， 提高相关产业的整体研发水平，同时创造更多的就业岗位。发展砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统， 具有良好的节能减排、 环境保护和推广应用等社会效益。 以年产聚光砷化镓薄膜电池产量 1MW计算， 比同等产量的晶体硅光伏电池每年可减少耗电 800 万千瓦时， 节约标煤 0.30 万吨 , 减排二氧化碳 0.58 万吨 , 二氧化硫 40.78 吨 , 二氧化氮 34.40 吨。此外，这些光伏光热系统推广应用后每年能够生产电力 200 万千瓦时， 利用热能 266 万千瓦时， 基本满足1400 多个普通家庭的日常能源需求，由此又可节省标煤 0.18 万吨，减排二氧化碳 0.34 万吨 , 二氧化硫 23.40 吨 , 二氧化氮 19.70 吨。同时，砷化镓薄膜电池聚光跟踪发电系统的研发和推广， 必将对普及太阳能知识， 增强全社会对新能源的认识，加快新能源的推广、应用和普及步伐，产生积极而又深远的影响。同时会得到当地政府相关部门的大力支持。四、目前商业化砷化镓电池及组件技术参数 1. 砷化镓电池技术参数 Triple Junction Solar Cell Energy Conversion 三结结构太阳能电池 0.3025 cm2 5.5mm * 5.5mm 5 Concentrator solar cell chip size 集中器电池片尺寸 - 0.4125cm2 5.5mm*6mm, efficiency 效率 35 400X conc 在 400 倍聚焦。。。。2． HCPV组件参数砷化镓电池组件图片（ 12*4 电池片产生 120V峰值电压）组件电气参数Item Description Remark 备注组件效率 23.5输出功率 140W 850 W/m2 DNI 净输入太阳能Voc 140 VIsc 1.28A Vmpp最大电压 120 VImpp 最大电流 1.17A Fill Factor 填充因数 783. 子阵列技术参数一个子阵列由 8 个组件组成，在太阳光下产生大于 1kW功率。名称 内容描述 Remark Cell Type 电池类型 Ⅲ - Ⅴ 多结砷化镓电池每个组件电池片子数量 48 个几何聚焦倍率 476 ′外形尺寸 L ′ W′ H长宽高 1680 ′ 570 ′ 247 mmWeight 重量 22 Kg 跟踪精度 0.5 deg. 6 子阵列图片（每个组件 48 个电池片，共 2*4 组件组成一个子阵列）4. 跟踪器技术参数跟踪方法 2-axes 2 轴跟踪水平和垂直 . Control 控制 GPS 技术Tracking Accuracygen 跟踪精度 0.5 or better. 没有太阳及风速大于 45 km/hr 自动复位和返回Azimuthal Traction 方 位 牵 引 力 15 cm Φ rolling pin bearing with 360 rotation.Elevational Traction 高度牵引力 Single telescopic. Linear Actuator. Loading Capacity 载重量 700kg 。Collecting Surface 集光器面积 up to 16 m2, （ plat form may be specified by customer ）Tracker weight 跟踪器重量 Approximately 500 kg including pole weight. 大约 500kg 含支撑杆重量 五、原理图（蓝色代表产生的热水系统、紫红色代表产生的电力，粉色代表控制系统）7 2kWp示范系统（ 2 个子阵列组成）六、成本优势 参数 【 单多晶硅】 PV panel HCPV （跟踪） 太阳能集中倍率 1x 500x 太阳能照射功率 /c ㎡ 0.1w 50w 电池面积 / ㎡ 10,000/c ㎡ 20/c ㎡ 电池效率 15 37 直流瓦数 / ㎡ 150w 370w 电池成本 / ㎡ 2250 1200 人民币 / 瓦 15.00 3.2 对准太阳角度 0 – 90 0 Solar 封装温度 180 240 Generation profile triangle square 炎热夏日午后电池效率损失 30 -5 发电表现 poor excellent 极好 / AC kWh （交流电每度） 2.0 0.78 – 0.24备注单（多）晶硅电池功率 0.015W/c ㎡，带跟踪 HCPV砷化镓电池 0.037W/c ㎡结论以 17转换效率的硅晶圆太阳能电池一个足球场面积， 可产出 500KW之电力，若以多接面化合物半导体太阳能电池 500 倍之聚光效率， 则约可产出 500MW之电8 力，发电效率提升约 1,000 倍，其在高效率聚光型太阳能发电系统 HCPV上，更因转换效率高、所需土地面积小等特性，成为发电厂的另一可能选项。关键技术1. 交流电每度电成本由普通硅板 2.0 降至 0.78– 0.24。电池面积由 10,000c㎡ 减小为 20c ㎡；2. 低成本，完善的散热系统与光热系统完美的组合；3. 与建筑一体化技术进一步开发；4. 可靠性验证；5. 中试、示范推广，运行超过 1 年工程应用案例运行情况。附件 HCPVT与建筑一体化技术介绍在建筑上的应用（聚光光伏光热系统 CPVT，反射器不带跟踪的系统而对接受器（电池）进行自动跟踪太阳实现最大限度聚光接受太阳能， 实现与建筑的一体化。CPVT系统与建筑附着式安装 CPVT 与建筑一体化安装备注 产生的光伏电力直接供建筑内电力负载使用， 而产生的热能直接供建筑物内的全年热水及在冬天采暖，而在夏天空调制冷。9 主反射器（半球）是固定的，里面的带有电池小阵列接受器（ PV cell array ）是自动跟踪。可以喝建筑实现一体化，减少了原来主反射器带自动跟踪系统对周围环境没有影响。