槽式聚光太阳能系统太阳电池阵列

第 29 卷 第 12 期2008 年 12 月半 导 体 学 报JOU RNAL OF SEM ICOND U C TO RSVol. 29 No. 12Dec. ,20083 国家高技术研究发展计划 批准号 2006 AA 05 Z 410 ,国家基础研究发展规划计划前期研究专项 批准号 2007 CB 216405 ,云南省自然科学基金重点资助项目 批准号 2007 C0016 Z ,2005 E0031 M 及教育部出国留学回国人员基金资助项目通信作者 . Email l mdocyn p ublic. km. yn. cn2008206214 收到 ,2008207215 定稿 Ζ 2008 中国电子学会槽式聚光太阳能系统太阳电池阵列 3徐永锋 1 李 明 1 ,2 , 王六玲 1 何建华 1 张兴华 1 王云峰 1 项 明 11 云南师范大学物理与电子信息学院 , 昆明 650092 2 云南师范大学太阳能研究所 , 昆明 650092 摘要 基于槽式聚光太阳能系统分别对单晶硅电池阵列 、 多晶硅电池阵列 、 空间太阳电池阵列和砷化镓电池阵列进行测试实验 . 结果表明 ,聚光后 , 前 3 种电池阵列的 I2V 曲线都趋于直线 ,输出功率急剧减少 ,系统效率下降较快 . 而砷化镓电池阵列有较好的 I2V 曲线 ,其效率由聚光前的 23166 增加到 261 50 ,理论聚光比为 161 92 时 ,输出功率放大 111 2 倍 , 聚光光伏系统中可采用砷化镓电池阵列以提高效率 . 砷化镓电池阵列 Pm 、 FF 和 η 的温度系数分别为 - 01 12 W/ K 、 - 01 10 / K 和- 0121 / K ,为避免温度的影响须采用强制冷却方式保证电池效率 ,同时对外供热 . 研究表明 ,10 片单晶硅电池串联阵列最佳工作时的理论聚光比为 41 23 ; 16 片空间太阳电池串联阵列最佳工作时的理论聚光比为 81 46. 研究工作对提高槽式聚光系统效率和大规模利用聚光光伏发电提供了依据 .关键词 聚光太阳能系统 ; 输出功率 ; 填充因子 ; 温度系数EEACC 8230 G ; 8250 ; 8420中图分类号 TN 304 文献标识码 A 文章编号 025324177 2008 12224212061 引言目前 ,开发利用太阳能已成为世界各国可持续发展的主要战略决策 ,但是 , 太阳能量的分散性却成为利用太阳能的主要障碍 [ 1] . 采用聚光方法 , 几倍乃至几百倍地提高太阳能辐射功率密度 ,以提高单位面积太阳电池的输出功率 ,降低光伏发电成本 , 具有较好的应用前景 [ 2 ] . 国际上 , 20 世纪 70 年代末至 80 年代初 , 美国M I T 的 Hendire 及美国 B r ow n 大学的 Russell 教授最先涉及光伏与光热的研究 [ 3 , 4] ; 1995 年挪威学者对 PV/T 系统进行了实验研究 [ 5 ,6] ;而希腊学者于 2002 年对PV/ T 系统进行了实验研究 [ 7 ,8 ] ,较为详细地报道了用水或用空气作为太阳电池板冷却工质时 ,系统的供电与供热特性 ;澳大利亚国立大学可再生能源研究中心采用 80 个槽式抛物面跟踪太阳反射镜系统 , 聚 22 倍光作用于太阳电池板 ,此时电池的效率达到 22 以上 ,在同等功率输出条件下 ,采用槽式抛物面聚光太阳能光伏发电的成本仅为非聚光平板太阳能光伏发电成本的 60 ,该大学在 2004 年对槽式聚光系统在热电联供方面做了较系统的研究 [ 9 ] . 目前国内只是对单片常规电池进行实验和模拟计算研究 ,并没有相关的实验研究 . 因此本文基于槽式聚光太阳能系统 ,汇集高密度太阳能对单晶硅电池阵列 、 多晶硅电池阵列 、 空间太阳电池阵列 、 砷化镓电池阵列进行实验研究 ,根据太阳电池阵列的特性曲线分析电池性能 ,找出影响电池阵列输出特性的因素 ,并分析了不同光照情况下的 I 2V 曲线 .为保证电池效率及防止电池温度过高 ,采用冷却方法 ,控制冷却流体的流速来调节电池的温度 ,同时得到热能 . 研究工作对槽式聚光太阳能系统进一步优化提供依据 .2 实验槽式聚光太阳能系统集热装置如图 1 所示 , 采用结构简单 、 跟踪方便 、 应用最广泛的槽式抛物面反射聚光器 ,集热器内腔体为纯铝型材 ,内腔体与外腔体之间用保温层隔开 , 太阳电池由导热绝缘胶贴在集热器下表面 . 太阳光由镜面反射汇集在电池上 ,成倍增加单位面积电池的输出功率 ,通过背面圆形管道中的水强制冷却电池温度 ,热水流出导管后被存储起来对外供热 .在聚光条件下 ,太阳电池阵列输出电功率 ,同时得到热能 ,系统可实现热电联供 .图 1 槽式聚光太阳能系统集热装置图Fig. 1 Diagra m of collect or of the trough conce nt rating solarenegy syste m半 导 体 学 报 第 29 卷表 1 聚光前后不同波长光子转化的电流Table 1 Current tra nslated by p hot ons of diff ere nt wavele ngt hs波长 / nm 普通光强下光子转化的电流 /μ A 聚光光强下光子转化的电流 /μ A488 14 141514 . 5 57 577632 . 8 50 511904 . 0 35 3601064 . 0 27 280总值 19936 2047223 结果与分析3. 1 聚光光强的测定槽式抛物反射面由背面镀铝的玻璃热弯而成 , 实际采 光 面 积 为 1440 m m 1450m m , 理 论 聚 光 比 为16192 倍 . 镜子厚度引起的光折射会导致部分光线偏离焦线 ,再加上热弯工艺的误差 , 会引起聚焦比的变化 ,因此对实际聚光光强的测量显得十分必要 . 本文采用激光功率计来测量光强 ,其光子接受器能接受 5 种不同波长的光子 48810 ,51415 ,63218 ,90410 ,106410n m并将其转化成电流 . 让两个光子接受器同时分别在普通光强下和在槽式聚光系统的聚焦线上照射 ,测得的数据如表 1 所示 .由上 表 数 据 , 用 L agerre 插 值 法 , 对 由 400 ～1100n m 波长的光子产生的相应电流数进行拟合 ,并对拟合曲线进行积分 ,得出总电流数 . 两种条件下的总电流数相比 ,得聚光后的平均光强为 101269.3. 2 聚光前后太阳电池阵列的主要参数所采用电池阵列的规格如表 2 所示 .太阳电 池 阵 列 的 参 数 在 聚 光 前 后 是 不 同 的 ,根据测 量 的 Isc 、 V oc 和 I2V 曲 线 来 确 定 电 池 聚 光前后的 Rs 、 F F 和 η . 非 聚 光 情 况 下 晶 体 硅 太 阳 电池串联内阻的数值可以 从 一 条 定 温 的 I2V 曲 线 中获得 [ 10 ] Rs Ak Tq 1I2 - I 1ln mΦ - I 2mΦ - I1- V 2 - V 1I2 - I 1 1其中 Rs 为电池的串联内阻 ; A 为二极管理想因子 ; k为玻尔兹曼常数 ; T 为电池工作温度 ; q 为电子电荷常数 ; m 为光电转化系数 ;Φ 为光照强度 ; I 1 、 V 1 为工作点1 的电流和电压 ; I2 、 V 2 为工作点 2 的电流和电压 . 聚光情况下 ,用一般计算方法获得的电池串联电阻 ,总是比聚光电池实际工作状态下的数值大 . 这是由于高光强表 2 电池阵列的规格Table 2 Standard of cell arrays单晶硅电池阵列多晶硅电池阵列空间太阳电池阵列砷化镓电池阵列面积 / mm2 103 51. 5 117 75 71 62 40 30片数 10 10 16 5连接方式 串联 串联 串联 串联表 3 聚光前后不同种类电池阵列的参数Table 3 Parameters of different cell arrays电池的参数 光强 单晶硅电 池阵列 多晶硅电 池阵列 空间太阳电池阵列 砷化镓电池阵列FF/ 普通光强 59. 22 40. 90 75. 34 78. 52聚光光强 25. 60 33. 98 36. 28 73. 74η / 普通光强 7. 5 7. 66 13. 28 23. 66聚光光强 1 . 77 1. 12 6. 67 26. 50 Pm/ W普通光强 3. 8988 6 . 5031 8. 8265 1 . 3631聚光光强 9. 1793 9 . 5152 44. 3166 15 . 264 R s/ Ω普通光强 0. 88255 0 . 96305 0. 41942 0 . 06667聚光光强 0. 99201 0 . 98671 0. 43184 0 . 08597对电池扩散层和基体载流子浓度的影响所引起的 ,可以用有效电阻 Res来表示 . 电池负载实际工作状态下的串联电阻可以用明暗特性曲线比较法 、 二次光照法等来测定 . T1 表示高光强下电池的工作温度 , T2 表示暗特性曲线法测得的电池温度 . V oc1 是电池在 x 个太阳下的开路电压 , V o 是正向特性曲线的开路电压 .在 x 个太阳下 ,晶硅电池的串联电阻 Rs 可用有效串联电阻 Res代替 ,由公式 2 和 3 求得 [ 11] Res V o - V oc1Iscx- Δ V ocIscx2Δ V oc T1 - T2 d V ocd T 3空间太阳电池是硅基电池中的一种 ,聚光后其串联电阻的计算方法和常规晶硅电池的计算方法一样 .砷化镓电池的串联电阻可由公式 4求得 [ 12 ] Rs V o1 - V ocIsc4V o1 是暗场下电池正向电流的大小与光照下电池的短路电流 Isc 相等时的正向电压 .电池的填充因子和效率可由公式 5和 6 求得 F F PmVoc Isc5η PmA t Pin 6其中 FF 为太阳电池的填充因子 ;η 为电池效率 ; Pm为电池的最大输出功率 ; At 为包含栅线图形面积在内的太阳电池面积 ; Pin 为单位面积入射光面积 . V oc和 I sc分别为太阳电池的开路电压和短路电流 . 据上述公式计算得到的数据如表 3 所示 .由表 3 可知 ,聚光后所有电池阵列的 FF 都变小 ,Pm 和 Rs 都增加 . 因为聚光后 ,太阳能量密度增加 ,电池中的光生载流子变多 ,电池的短路电流变大 ,同时引起电池温度升高 , Rs 增加 ,当 Rs 增加 ,电池的 FF 降低 . 聚光后 ,前 3 种晶硅电池阵列的 FF 和 η 下降较多 ,FF 分别下降了 33162 ,6192 和 39106 ;η 分别下降了 5173 ,6154 和 6161 ;在理论聚光比为 16192时 ,最大功率分别放大了 2135 ,1146 和 5102 倍 . 砷化镓电池 阵列的 FF 由 78152 下降 到 73174 , 下降 了4178 ,叠层砷化镓电池的极限效率可以达到 40 左右 [13 ] ,本系统采用砷化镓电池阵列聚光后效率增加了2184 ,最大输出功率放大了 1112 倍 . 由表 3 可得 ,在2242第 12 期 徐永锋等 槽式聚光太阳能系统太阳电池阵列图 2 普通光强下不同种类电池阵列的 I2V 曲线Fig. 2 I2V curve of different cell arrays in common irradiance同种聚光条件下 ,晶硅电池阵列的 Rs 越大 ,其输出功率会越小 ,并且 η 会越低 .3. 3 不同光强下各种太阳电池阵列的 I2V 曲线图 2 是各种太阳电池在普通光强下的 I2V 曲线对比图 . 在不聚光情况下 ,砷化镓电池阵列的 I2V 曲线最好 ,多晶硅电池阵列的 I2V 曲线最差 . 该种多晶硅太阳电池阵列的串联内阻大 ,在普通光强下其 I2V 曲线都接近直线 ,输出性能不高 ,若用在聚光太阳能系统中会影响系统的效率 . 对于太阳电池 ,自身的 I2V 曲线越接近矩形 ,则其 FF 和 η 会越高 . 因此 FF 和 η 的高低顺序依次是砷化镓电池阵列 、 空间太阳电池阵列 、 单晶硅电池阵列 、 多晶硅电池阵列 ,与表 2 计算值顺序相符 . 图 3为聚光后各种太阳电池阵列的 I2V 曲线对比图 . 由图可知 ,晶硅电池阵列的 I2V 曲线都接近直线 ,而砷化镓电池阵列的 I2V 曲线图形与聚光前比变化不大 ,仍接近矩形 .太阳电池阵列的 I2V 特性公式为 I I L - I 0 {exp [ qnA KT V I Rs ] - 1} - V I RsRsh 7图 3 聚光光强下不同种类电池阵列的 I2V 曲线Fig. 3 I2V curve of different cell arrays in concentrating irradi 2ance图 4 不同聚光光强下砷化镓电池阵列的 I2V 曲线Fig. 4 I2V curve of GaAs cell array in different irradiance由 7 式可得电池阵列的输出功率公式为 Pm nA KTIq ln I L - II0 1 - I2 Rs 8其中 IL 为光生电流 ; I0 为反向饱和电流 ; I 为负载电流 ; Rs为电池的并联电阻 ; n 为太阳电池串联的片数 . 由8 式可知当有大电流通过时 , 如果电池的串联内阻大 ,内阻上损失的功率多 ,则输出功率相应较小 . 晶硅电池阵列串联内阻大 ,聚光后其 Pm 上不去 ,FF 和 η 也急剧下降 . 另外由于抛物镜面的制造工艺精度和镜面厚度引起光强的不均匀性 ,对电池阵列的输出特性也有严重影响 ,为减小光强不均匀性的影响 ,尽量用自身内阻小和单片面积小的太阳电池 . 砷化镓电池阵列串联内阻小 ,其 Pm 、 FF 和 η 品质较高 .由图 2 和 3 可知砷化镓电池阵列在聚光前后都保持好的 I2V 特性曲线 , Isc 由 0115A 放大到 1180A ,V oc由 12159V 变为 11150V ,略有下降 . 因为砷化镓材料具有带宽 Eg 1143eV 与太阳光谱匹配良好 、 吸收系数大 、 抗辐射能力强 、 高温性能好等优点 [14 ] . 砷化镓电池在阳光的激发下 ,其光生载流子属直接跃迁型 ,相应的吸收系数很大 ,砷化镓电池阵列的 I sc会增大 . 聚光后太阳电池温度升高 ,而电池的 V oc 随温度的升高而降低 ,砷化镓电池阵列的 V oc 在聚光后会有所下降 .为较好地开发利用聚光光伏发电系统 ,需找出聚光后晶硅电池阵列光伏发电系统最佳聚光比 ,因此 ,采用遮光方法进行实验研究 . 由图 4 可知 ,随着光强的增加 ,砷化镓电池阵列的 I2V 特性曲线图形始终保持不变 , Isc随着光强的增加逐渐增加 ,最大功率点逐步升高 .单片晶硅电池可以工作在 10～ 20 倍太阳下 ,但聚光光伏发电系统中电池阵列由许多单片电池组成 ,阵列的整体内阻比单片电池的内阻要大 ,因此研究电池阵列的最佳聚光比具有较高的实用价值 . 从图 5 和 8 可以看出 ,在 0125 倍聚光光强 理论聚光比为 4123 下 ,该种单晶硅电池阵列有较好的 I2V 曲线 ,且在此聚光倍数下 ,其效率最高 ,为 5167 . 由图 6 可知 ,在 015 倍聚光光强 理论聚光比为 8146 下 ,该种空间太阳电池阵列有较好的输出特性 ,由图 8 可知空间太阳电池阵列的效率随着光强的增加先增加然后减小 ,在 015 倍聚光光强时达到最大值为 8166 .3242半 导 体 学 报 第 29 卷图 9 空间太阳电池阵列的 P m ,FF 和 η 随温度的变化Fig. 9 Change of Pm , FF and η of super cell array at diff ere ntte mperatures在该聚光太阳能系统中 ,10 片单晶硅电池串联阵列最佳工作时的理论聚光比为 4123 ;16 片空间太阳电池串联阵列最佳工作时的理论聚光比为 8146. 由图 7和图 8 可知 ,砷化镓电池阵列的 FF 随光强的变化不大 ,且其效率随光强的增加而增加 ,因此综合性能较好的砷化镓电池阵列是聚光光伏系统最优的选择 .聚光后温度对电池的负面影响很大 ,V oc ,FF 和 η均有负的温度系数 . 文献 [ 2 ,15 ,16 ] 已对常规晶硅电池在聚光条件下温度的影响作了研究 ,本文只对空间太阳电池阵列和砷化镓电池阵列进行温度实验 . 实验结果如图 9 和 10 所示 ,聚光后 ,这两种电池的 Pm 、 FF 和η 都随着温度升高而减少 ,空间太阳电池阵列 Pm 、 FF和 η 的温度系数分别为 - 0107W/ K , - 01007 / K 和- 0101 / K; 砷化镓电池阵列 Pm 、 FF 和 η 的温度系数分别为 - 0112W/ K , - 0110 / K 和 - 0121 / K. 空间太阳电池用作空间卫星电源系统 ,其抗高温能力强 ,输出性能受温度影响小 ;砷化镓电池阵列的输出性能受温度的影响也不是很大 ,考虑其有较高效率 ,在聚光太阳能系统中 ,砷化镓电池阵列是较好的选择 . 为了高效率利用太阳能 ,必须采用换热系数高的工质对太阳电池阵列进行强制对流以提高电效率 ,并根据工质带来热量的品质进行热能的梯级利用 .实验测试表明 ,采用空间太阳电池阵列后 ,系统的热效率为 42103 ,由于砷化镓电 池阵列是由 5片串联 ,并未覆盖整个腔体 ,只能测得图 10 砷化镓电池阵列的 Pm ,FF 和 η 随温度的变化Fig. 10 Cha nge of Pm , FF andη of GaAs cell array at diff er2ent temp eratures4242第 12 期 徐永锋等 槽式聚光太阳能系统太阳电池阵列电效率为 26150 ,但是其内腔体和太空电池阵列的内腔体一样 ,测试条件也相同 ,若忽略两种电池导热系数的差别 ,则采用砷化镓电池阵列的太阳能聚光系统的太阳能利用效率可达到 68153 左右 .4 结论1 基于槽式聚光太阳能系统 ,对单晶硅电池阵列 、 多晶硅电池阵列 、 空间太阳电池阵列 、 砷化镓电池阵列进行测试实验并分析 ,得知砷化镓电池阵列是理想的聚光光伏发电电池阵列 ; 对电池阵列在不同光强下的研究表明 ,低倍聚光光伏发电系统中 ,可以采用单晶硅电池阵列和空间太阳电池阵列 .2 串联内阻的影响是聚光光伏发电系统的一大障碍 ,常规单片电池可以工作在 10～ 20 倍的太阳下 ,10 片单晶硅电池串联后却只能工作在 4123 倍的太阳下 ,再加上光强不均匀性的影响 ,因此在大规模聚光光伏发电系统中必须用自身内阻小和单片面积小的电池 .3 在聚光光伏发电系统中 ,温度对电池的输出特性影响巨大 ,采用强制冷却的方式保证电池效率的同时又对外供热 . 采用砷化镓电池阵列后系统太阳能的利用率达到 68153 左右 ,做到了高效合理的利用太阳能 .4 本实验通过对电池阵列在聚光后的特性研究 ,分析输出功率和效率的影响因素 . 研究工作对槽式聚光系统进一步优化提供依据 ,为聚光光伏发电提供较好的科学依据和参考 .致谢 本项目研究工作中 ,得到可再生能源材料先进技术与制备教育部重点实验室 、 云南省 “ 十一五” 重点学科、 云南师范大学创新团队等的帮助 ,在此表示感谢 .参考文献[ 1 ] Ning Duo. 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The exp erime ntal results show t hat t he I2V curveof the crystalline silicon , polysilicon and sup er cell ar rays are beeline in t he conce nt rating solar ir ra dia nce , w hic h re duce the eff i 2ciency and decrease the outp ut p ow er. H ow ever t he I2V curve of GaAs cell array is ve ry good in the conce nt rating sola r ir ra di2ance , t he eff icie ncy of GaAs cell array increases f r om 231 66 to 261 50 , and t he outp ut of GaAs m agnif ies 12 times. So it isconside ra ble t o imp r ove the eff icie ncy if the GaAs cell has bee n adop ted in the conce nt rating PV syste m. The te mp erature coeff i 2cients of Pm , FF andη of GaAs cell ar ray are - 01 12 W / K , - 01 10 / K , and - 01 21 / K. In or der to keep better eff icie ncy , thef orce d cooling m ust be applie d. A t t he same time , the qua ntity of heat can bee n recove red f or using. All those wor k are benef its t of urt her study in imp roving the eff icie ncy of tr ough conce nt rating solar syste m and cosmically ma king use of conce nt rating PV sys2te m.Key words conce nt rating sola r syste m ; outp ut pow er ; f ill f act or ; te mp erature coeff icie ntEEACC 8230 G ; 8250 ; 8420Article ID 0253 24177 2008 1222421 2063 Project supp orted by t he N ational High Tech nology Resea rc h a nd D evelop me nt Progra m of China N o. 2006 A A 05 Z 410 , the Ea rlier Sp ecial Re 2sea rc h Progra m of t he State Key D evelop me nt Progra m f or Basic Resea rch of China N o. 2007 CB 216405 , the Key Progra m of the N atu 2ral Science Foundation of Yunna n Province N os. 2007 C0016 Z , 2005 E0031 M , and t he Foundation of the Chinese Minist ry of Educationf or Retur ned Sch olarsCorresp onding aut h or. Email lm docyn p ublic. k m. yn. cnReceived 14 J une 2008 , revised ma nuscrip t received 15 July 2008 Ζ 2008 Chinese Institute of Elect ronics6242