槽式聚光太阳能系统太阳电池阵列.pdf

本文由 wangy985 贡献pdf 文档可能在 WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。第 29 卷 12 期 第 2008 年 12 月半 导 体 学 报J O U RN AL O F S EM I CON D U C TO RS Vol. 29 . 12 No Dec. ,2008 徐永锋 1 李 1 , 2 , 王六玲 1 明 何建华 1 张兴华 1 王云峰 1 明 1 项( 1 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) 1 引言3 国家高技术研究发展计划 ( 批准号 : 2006 AA 05 Z410) , 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 . cn 2008206214 收到 , 2008207215 定稿 Ζ 2008 中国电子学会目前 , 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 He n di re 及美国 B r ow n 大学的 R ussell 教授最 先涉及光伏与光热的研究 [ 3 , 4 ] ; 1995 年挪威学者对 PV / [ 5 ,6 ] T 系统进行了实验研究 ; 而希腊学者于 2002 年对 [ 7 ,8 ] PV / T 系统进行了实验研究 , 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 I2V 曲线 . 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 231 66 %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 P m , F 和 η 的温度系数分别为 - 01 12 W/ K , 01 10 %/ K 和 F - 01 21 %/ 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) 1222421206 槽式聚光太阳能系统太阳电池阵列 3 2 实验e negy syste m 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 . 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 t he t r ough conce nt rati ng s ola r 2422 表 1 聚光前后不同波长光子转化的电流半 导 体 学 报表 3 聚光前后不同种类电池阵列的参数第 29 卷Ta ble 1 Cur re nt t ra nslate d by p hot ons of diff ere nt wavele ngt hs 波长 / n m 488 514 . 5 632 . 8 904 . 0 1064 . 0 Table 3 Parameters of different cell arrays 电池的参数FF/ % 普通光强下光子 转化的电流 / μ A 14 57 50 35 27 19936 聚光光强下光子 转化的电流 / μ A 141 577 511 360 280 204722 光强 普通光强 聚光光强 普通光强 聚光光强 普通光强 聚光光强 普通光强 聚光光强单晶硅电 多晶硅电 池阵列 池阵列59. 22 25. 60 7. 5 1 . 77 3 . 8988 9 . 1793 0 . 88255 0 . 99201 40. 90 33. 98 7 . 66 1 . 12 6 . 5031 9 . 5152 0 . 96305 0 . 98671 空间太阳 电池阵列75. 34 36. 28 13 . 28 6 . 67 8 . 8265 44 . 3166 0 . 41942 0 . 43184 砷化镓 电池阵列78. 52 73. 74 23 . 66 26 . 50 1 . 3631 15 . 264 0 . 06667 0 . 08597 η % / Pm / W 总值3 结果与分析3. 1 聚光光强的测定Rs / Ω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 × 1450 m m , 理 论 聚 光 比 为 161 92 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( 4881 0 , 5141 5 , 6321 8 , 9041 0 , 10641 0 n 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 a ge r re 插 值 法 , 对 由 400 ～ 1100 n 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 101 269 . 3. 2 聚光前后太阳电池阵列的主要参数表 2 电池阵列的规格 多晶硅电池 阵列117 × 75 10 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 R es 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 R es 代替 , 由公式 ( 2) 和 ( 3) 求得 [ 11 ] : V o - V oc1 Δ V oc ( 2) R es = Δ V oc I scx d V oc = ( T1 - T2 ) dT I scx ( 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 oc I sc ( 4) 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 I sc , oc 和 I2V 曲 线 来 确 定 电 池 聚 光 V 前 后 的Rs , F 和 η 非 聚 光 情 况 下 晶 体 硅 太 阳 电 F . 池 串 联 内 阻 的 数 值 可以 从 一 条 定 温 的 I2V 曲 线 中 获 得 [ 10 ] : m Φ - I 2 V2 - V1 AkT 1 ( 1) Rs = × ln m Φ - I 1 q I2 - I1 I2 - I1 其中 R s 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 ; I1 , 1 为工作点 V 1 的电流和电压 ; I2 , 2 为工作点 2 的电流和电压 . 聚V 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Table 2 Standard of cell arrays 空间太阳 电池阵列71 × 62 16 V 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 I sc 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 : FF = Pm V oc I sc η = Pm A t Pin ( 5) ( 6) 单晶硅电池 阵列103 × 5 51. 10 砷化镓电 池阵列40 × 30 5 面积 / mm2 片数 连接方式串联串联串联串联其中 F F 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 ; A t 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 R s 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 , R s 增加 , 当 R s 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 331 62 % ,61 92 %和 391 06 % ; η 分别下 降了 51 73 % ,61 54 %和 61 61 % ; 在理论聚光比为 161 92 时 , 最大功率分别放大了 21 35 ,11 46 和 51 02 倍 . 砷化镓 电池 阵 列 的 FF 由 781 52 % 下 降 到 731 74 % , 下 降 了 41 78 % , 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 21 84 % , 最大输出功率放大了 111 2 倍 . 由表 3 可得 , 在第 12 期徐永锋等 : 槽式聚光太阳能系统太阳电池阵列2423 同种聚光条件下 , 晶硅电池阵列的 R s 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I = I L - I 0 {exp [ 图 3 聚光光强下不同种类电池阵列的 I2V 曲线2 是各种太阳电池在普通光强下的 I2V 曲线对 图 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 : V + I Rs q ( V + I Rs ) ] - 1 } nA KT Rsh ( 7) Fig. 3 I2V curve of different cell arrays in concent rating irradi2 ance Fig. 2 I2V curve of different cell arrays in co mmon irradiance 图 2 普通光强下不同种类电池阵列的 I2V 曲线( 7) 式可得电池阵列的输出功率公式为 : 由Pm = IL - I nA KTI ( 8) + 1 - I 2 Rs ln I0 q 其中 IL 为光生电流 ; I0 为反向饱和电流 ; I 为负载电 流 ; R s 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 , 和 η 品质较高 . FF 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 , I sc 由 01 15A 放大到 11 80A , V oc 由 121 59V 变为 111 50V , 略有下降 . 因为砷化镓材料具 有带宽 ( Eg = 11 43eV ) 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 , I sc 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 01 25 倍聚光光强 ( 理论聚光比为 41 23 ) 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 51 67 %. 由图6 可知 , 在 01 5 倍 聚光光强 ( 理论聚光比为 81 46 ) 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 01 5 倍 聚光光强时达到最大值为 81 66 %. Fig. 4 I2V curve of GaAs cell array in different irradiance 图 4 不同聚光光强下砷化镓电池阵列的 I2V 曲线2424 半 导 体 学 报第 29 卷图 9 空间太阳电池阵列的 Pm , FF 和 η 随温度的变化Fig. 9 Cha nge of P m , F F a nd η of sup e r cell a r ray at diff ere nt te mp e rat ures 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 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. 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 , 和 FF 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 - 01 07W/ K , - 01 007 %/ K 和- 01 01 %/ K ; 砷化镓电池阵列 Pm , 和 η 的温度系数 FF 分别为 - 01 12W/ K , - 01 10 %/ K 和 - 01 21 %/ 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 421 03 % , 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e nt te mp erat ures Fig. 10 Cha nge of Pm , F F a nd η of GaAs cell a r ray at diff e r2 第 12 期徐永锋等 : 槽式聚光太阳能系统太阳电池阵列2425 电效率为 261 50 % , 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 681 53 % 左右 . . Actas Energy Solaris Sinica ,2006 ,27 (1) :19 (in Chinese) [ 黄国 tor 华 ,施玉川 , 杨宏 , 等 . 常规太阳电池聚光特性实验 . 太阳能学报 , 2006 ,27 (1) :19 ] [ 3 ] Hendrie S D. Photovoltaic/ t hermal collecto r develop ment p ro2 gram : Final Repo rt M I T. New York : Lincoln Labo rato ry , 1 9 8 2 [ 4 ] Russell T , Beall J , Loferski J J , et al. Co mbined p hotovoltaic/ t hermal collecto r panels of imp roved design. Proceedings of IEEE Photovoltaic Specialist Conference , 1 9 8 1 [ 5 ] Zo ndag H A , Devries D W , van Helden W G J . The yield of dif 2 ferent co mbined PV2t hermal collecto r designs. Solar Energy , 2003 ,74 : 253 [ 6 ] Sandnes B , Pekstad J . A p hotovoltaic/ t hermal ( PV/ T) collector wit h polymer abso rber plate , experimental and analytical model . Solar Energy , 2 0 0 2 , 7 2 : 6 3 [ 7 ] Bengene T ,Lovvik O . Model calculatio n on a flat2plate solar heat collector wit h integrated solar cells. Solar Energy , 1 9 9 5 , 5 5 : 4 5 3 [ 8 ] Tripanagno stopoulous Y , Nousis T , Soulist s M . 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Em ail : l m docyn @p ublic . k m . yn . c n R eceive d 1 4 J une 2 0 0 8 , revised m a nusc rip t received 1 5 J uly 2 0 0 8 Abstract : A se ries exp e ri m e nt w o r ks h ave bee n d o ne w it h si ngle c r yst alli ne silic o n s ola r cell a r ray , p olysilico n sola r cell a r ra y , su2 p e r cell a r ra y a n d GaAs cell a r ray t h r ough t he t r oug h co nce nt rati ng sola r syst e m . The exp e ri m e nt al results s h ow t h at t he I2V cur ve of t he cr yst alli ne silic o n , p olysilic o n a n d sup e r cell a r rays a re beeli ne i n t he c o nce nt rati ng s ola r ir ra dia nce , w hic h re duce t he ef f i2 cie ncy a n d dec rease t he outp ut p ow e r . H ow eve r t he I2V cur ve of GaAs cell a r ra y is ve r y goo d i n t he c o nce nt rati ng s ola r ir ra di2 a nce , t he ef f icie ncy of GaAs cell a r ray i ncreases f r o m 231 66 % t o 2 61 50 % , a n d t he outp ut of GaAs m agnif ies 12 ti m es . So it is c o nside ra ble t o i mp r ove t he ef f icie ncy if t he GaAs cell h as bee n a dop t e d i n t he c o nce nt rati ng PV syste m . The te mp e rat ure c oef f i2 cie nts of P m , F F a n d η of GaAs cell a r ray a re - 01 12 W / K , - 01 1 0 %/ K , a n d - 01 21 %/ K. I n o r de r t o keep bet te r ef f icie ncy , t he f orce d c ooli ng m ust be ap p lie d . A t t he sa m e ti m e , t he qua ntit y of heat ca n bee n recove re d f o r usi ng . A ll t h ose w o r k a re be nef its t o f urt he r st udy i n i mp r ovi ng t he ef f icie ncy of t r oug h c o nce nt rati ng s ola r syste m a n d cos mically m a ki ng use of co nce nt rati ng PV sys2 te m . Key words : co nce nt rati ng sola r syst e m ; outp ut p o