HCPVT高聚光太陽能光伏發(fā)電及光熱系統(tǒng)技術(shù)簡介

1、HCPVT高聚光太陽能光伏發(fā)電及光熱系統(tǒng)技術(shù)預(yù)可研報(bào)告背景資料：隨著全球化石能源的日漸枯竭和人類環(huán)保意識(shí)的逐步增強(qiáng),以光伏為核心的太陽能發(fā)電事業(yè)近年來有了快速發(fā)展。但光伏電力比傳統(tǒng)火電價(jià)格高達(dá)4-6倍以上,完全市場化運(yùn)營特別是為普通老百姓所接受還有一定困難。根據(jù)最近剛剛結(jié)束的京都議定書修改，未來高耗能產(chǎn)品輸出將受到嚴(yán)格限制。生產(chǎn)過程須高耗能的單、多晶硅太陽能電池將面臨嚴(yán)苛挑戰(zhàn)。而具環(huán)保低耗能且發(fā)電轉(zhuǎn)換效率更高的砷化鎵太陽能電池，估計(jì)將逐漸取代晶硅太陽能電池市場。目前市場上量產(chǎn)的單晶與多晶硅的太陽電池平均效率約在15上下，為了提煉晶硅原料，需要花費(fèi)極高的能源，所以嚴(yán)格地說，現(xiàn)今的晶硅太陽電池，也

2、是某種型式的浪費(fèi)能源。而砷化鎵太陽能電池，由于原料取得不需使用太多能源，而且光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)38以上，比傳統(tǒng)晶硅原料高出許多，符合修改后的京都議定書規(guī)范，估計(jì)未來將成市場主流。最近美國道康寧公司與德國瓦克公司擬在江蘇省張家港地區(qū)申請(qǐng)大片良田建立有機(jī)硅廠。這一項(xiàng)目如果上馬，將耗費(fèi)我大量寶貴的金屬硅資源，其產(chǎn)品市場卻主要在國外。這一項(xiàng)目對(duì)于我資源的就地開采、加工，也將造成四川、山西等其他生產(chǎn)基地電力等資源的巨大消耗，同時(shí)還會(huì)大量砍伐樹木、排放超標(biāo)的溫室氣體、造成嚴(yán)重的生態(tài)污染。據(jù)有關(guān)專家粗略計(jì)算，僅為上述張家港地區(qū)擬建的有機(jī)硅廠提供一年10萬噸的硅，就需要純凈木炭數(shù)萬噸，折合成木材就遠(yuǎn)不止幾萬噸了

3、。此外，每煉1噸硅僅電爐的電耗就是1.4萬度，生產(chǎn)過程還將釋放大量二氧化碳，存在著大量的粉塵污染，尤其對(duì)半徑10公里以內(nèi)生活的人群來說，其健康會(huì)受到影響，嚴(yán)重的會(huì)造成矽肺病。數(shù)年前，在我國對(duì)高耗能產(chǎn)業(yè)和溫室氣體排放問題還不太注意的時(shí)候，美國道康寧公司就投資在大連建立硅塊的采購、分揀和加工中心，將他們生產(chǎn)的有機(jī)硅和單晶硅所需要的硅產(chǎn)業(yè)逐漸轉(zhuǎn)移到中國。 今年2月京都議定書已正式生效。從長遠(yuǎn)看，我國減排二氧化碳的壓力是巨大的，應(yīng)及早防止高耗能、高排放、高污染型企業(yè)的引進(jìn)，以及高耗能低產(chǎn)值產(chǎn)品的出口。為此，專家建議，國家應(yīng)采取措施遏制跨國公司向我轉(zhuǎn)移高耗能產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)。為了解決這一問題，人們不

4、得不把眼光盯向薄膜電池，使近年薄膜電池異軍突起，引起投資者的極大興趣。但薄膜電池光電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，特別是砷化鎵薄膜電池價(jià)格昂貴，目前僅在空間領(lǐng)域應(yīng)用，給光伏產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模發(fā)展帶來一定制約。而采用砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)即所謂HCPV系統(tǒng),卻能實(shí)現(xiàn)光熱與光伏的綜合利用，并充分降低生產(chǎn)成本、提高轉(zhuǎn)換效率，為光伏產(chǎn)業(yè)更大發(fā)展開辟新的市場空間。一、砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的基本構(gòu)想在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)中，單晶硅和多晶硅等硅基光伏電池幾乎占到全部產(chǎn)量的94%以上。由于近年太陽能級(jí)硅材料供不應(yīng)求，且持續(xù)大幅度漲價(jià)，在一定程度上制約了硅基光伏電池的發(fā)展。因此，如何提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率和降低光伏電池

5、的生產(chǎn)成本，成為目前光伏產(chǎn)業(yè)必須研究和解決的核心問題。人們一方面在研究和擴(kuò)大太陽能級(jí)硅材料的生產(chǎn)，另一方面又在研究和推廣不用或少用硅材料來生產(chǎn)新的光伏電池。在這樣一種背景下，非晶硅、硫化鎘、碲化鎘及銅銦硒等薄膜電池應(yīng)運(yùn)而生，乘勢(shì)發(fā)展。上述光伏電池中，非晶硅電池效率低下，且穩(wěn)定性有待提高。盡管硫化鎘、碲化鎘薄膜電池的效率較非晶硅薄膜電池效率高，成本較晶體硅電池低，且易于大規(guī)模生產(chǎn)，但是鎘有劇毒，會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，硒和銦是儲(chǔ)量很少的稀有元素，因此大規(guī)模發(fā)展必將受到材料制約。而砷化鎵化合物材料具有十分理想的禁帶寬度以及較高的光吸收效率，適合于制造高效電池。此外,還可以通過疊層技術(shù)做成多結(jié)砷化鎵基

6、電池,以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率。但是，由于砷化鎵基材料價(jià)格昂貴, 砷化鎵薄膜電池目前只在航天等特殊領(lǐng)域應(yīng)用，離地面應(yīng)用的商業(yè)化運(yùn)行還有很大距離。    為了降低光伏電池的發(fā)電成本，可采取的有效途徑之一就是研發(fā)和應(yīng)用砷化鎵薄膜電池聚光發(fā)電系統(tǒng)。在獲得同樣輸出功率情況下，可以大大減少所需的砷化鉀薄膜電池面積。相當(dāng)于用比較便宜的普通金屬、玻璃材料做成聚光器和支撐系統(tǒng)，來代替部分昂貴的砷化鎵薄膜電池。在這種聚光系統(tǒng)中，如果聚光率超過10倍以上，則系統(tǒng)只能利用直射陽光，因而必須采用跟蹤系統(tǒng)相互配合，才能充分發(fā)揮效能。在固定溫度下，光伏電池效率隨聚光率變化的一般趨勢(shì)是，在低聚光率

7、時(shí)，電池效率隨聚光率的增加而增加，在高聚光率時(shí)，則隨聚光率的增加而降低。光伏電池在高聚光大電流下，其工作溫度的升高將導(dǎo)致效率的下降，因此，聚光跟蹤系統(tǒng)還需要配備有效的散熱設(shè)備。考慮到系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性，可以通過主動(dòng)制冷方式，在對(duì)光伏電池快速散熱的同時(shí)，充分利用熱能生產(chǎn)熱水，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)太陽能光熱和光伏的綜合利用，以充分發(fā)揮整體效能。二、砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的組成部件    電池片1. 砷化鎵(GaAs)的發(fā)展?jié)摿ι榛墸℅aAs）半導(dǎo)體材料與傳統(tǒng)的硅材料相比，它具有很高的電子遷移率、寬禁帶、直接帶隙，消耗功率低的特性，電子遷移率約為硅材料的5.7倍。因此，

8、廣泛應(yīng)用于高頻及無線通訊中制做IC器件。所制出的這種高頻、高速、防輻射的高溫器件，通常應(yīng)用于激光器、無線通信、光纖通信、移動(dòng)通信、GPS全球?qū)Ш降阮I(lǐng)域。砷化鎵除在I C產(chǎn)品應(yīng)用以外，也可加入其它元素改變能帶隙及其產(chǎn)生光電反應(yīng)，達(dá)到所對(duì)應(yīng)的光波波長，制作成光電元件。還可與太陽能結(jié)合制備砷化鎵太陽能電池。    作為通信、微電子以及光電子的基礎(chǔ)材料GaAs材料，世界上其晶體生長技術(shù)和器件制作技術(shù)已較成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。其中，砷化鎵在WiMAX和WLAN應(yīng)用市場上，將有明顯增幅，預(yù)計(jì)到2010年，市場需求近10億美元，增長23%。在砷化鎵太陽能電池上，也有部分要量

9、產(chǎn)的企業(yè)。在砷化鎵微波元件需求上，可望再倍增，用于蜂窩回程通信的GaAs芯片市場2007年達(dá)到了峰期。未來砷化鎵發(fā)展勢(shì)必將與Si、GaN以及SiGe一同參與市場競爭。    砷化鎵集成電路，用半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs）器件構(gòu)成的集成電路。構(gòu)成GaAs集成電路的器件主要有肖特基勢(shì)壘柵場效應(yīng)管、高電子遷移率晶體管和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管。20世紀(jì)70年代初，由于高質(zhì)量的GaAs外延材料和精細(xì)光刻工藝的突破，使GaAs集成電路的制作得到突破性進(jìn)展。同硅材料相比，GaAs材料具備載流子遷移率高、襯底半絕緣以及禁帶較寬等特征，因此用它制成的集成電路具有頻率高、速度快、抗輻射能力強(qiáng)等

10、優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)是材料缺陷較多，集成規(guī)模受到限制，成本較高。GaAs集成電路可分為模擬集成電路如單片微波集成電路和數(shù)字集成電路兩類。前者主要用于雷達(dá)、衛(wèi)星電視廣播、微波及毫米波通信等領(lǐng)域，后者主要用于超高速計(jì)算機(jī)及光纖通信等系統(tǒng)。2. GaAs電池片技術(shù)特點(diǎn)市場上的聚光光伏電池系統(tǒng)組件大部分仍采用單晶硅太陽能電池，基于砷化鎵基多結(jié)太陽能電池的產(chǎn)品在國際市場上剛剛嶄露頭角，尚未進(jìn)入國內(nèi)市場。高效太陽能電池是聚光光伏、光熱綜合利用系統(tǒng)的核心部件。在5001000倍的高倍聚光條件下，其芯片和模組制作工藝都與低倍聚光下不同，需要重新設(shè)計(jì)工藝條件。在適合高倍聚光的光伏電池工藝中應(yīng)充分借鑒激光器、發(fā)光二極管

11、等器件的先進(jìn)設(shè)計(jì)方法。采用低成本、高熱穩(wěn)定性的不含金的合金作為III-V聚光光伏電池頂部網(wǎng)格電極材料，通過優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和制作工藝，在不改變電池外延結(jié)構(gòu)的條件下，開發(fā)出500至1000倍聚光下高效多結(jié)光伏電池低成本產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)工藝，使光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到30，并獲得較高的工作穩(wěn)定性。    聚光器    由于高效砷化鎵光伏電池的生產(chǎn)成本較高，因此提高聚光器的聚光倍數(shù)、聚光效率和均勻性成為充分發(fā)揮砷化鎵光伏電池效率優(yōu)勢(shì)、降低聚光光伏、光熱綜合利用系統(tǒng)成本的關(guān)鍵之一。光伏聚光器是利用透鏡或反射鏡將太陽光聚焦到光伏電池上。按光學(xué)類型劃分，常用的聚光

12、系統(tǒng)通常分為折射聚光系統(tǒng)和反射聚光系統(tǒng)。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來說，菲涅爾透鏡成為理想之選。它的聚焦方式可以是點(diǎn)聚焦，也可以是線聚焦。點(diǎn)聚焦時(shí),將太陽光聚焦在一個(gè)光伏電池片上；線聚焦時(shí),將太陽光聚焦在光伏電池組成的線列陣上。反射式聚光系統(tǒng)也可以分為點(diǎn)聚焦結(jié)構(gòu)和線聚焦結(jié)構(gòu)。但是傳統(tǒng)菲涅爾透鏡存在難以實(shí)現(xiàn)的高接收角、聚光后光強(qiáng)分布不均勻和易老化變形等問題。而反射式聚光器聚光倍數(shù)較低,難以大幅度降低發(fā)電成本。    跟蹤器    對(duì)于砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)來說,對(duì)日跟蹤器必不可少。這主要是由于隨著聚光比的提高,聚光光伏系統(tǒng)所接收到光線的角度范

13、圍就越小,為了更加充分地利用太陽光,聚光光伏系統(tǒng)必須輔以對(duì)日跟蹤裝置。因此，通過對(duì)聚光光伏系統(tǒng)跟蹤信號(hào)的產(chǎn)生、自動(dòng)控制的機(jī)理、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分的實(shí)現(xiàn)以及保護(hù)應(yīng)急措施的考慮，研究出跟蹤精度高、運(yùn)行安全可靠、抗干擾能力強(qiáng)、制造和運(yùn)用成本低、用戶操作界面友好的太陽能跟蹤器，對(duì)于成功開發(fā)砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)是至為重要的。目前,對(duì)日跟蹤器的設(shè)計(jì)方案眾多,形式不拘一格。點(diǎn)聚光結(jié)構(gòu)的聚光器一般要求雙軸跟蹤,線聚光結(jié)構(gòu)的聚光器僅需單軸跟蹤。由于砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)不得不經(jīng)受安裝地區(qū)惡劣的氣候條件,如風(fēng)、沙、冰雹、雨、雪等的侵蝕和損壞,因此,跟蹤系統(tǒng)的可靠性仍需進(jìn)一步的提高。 

14、0;  （四）散熱器    溫度是影響太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一。聚光太陽電池在運(yùn)行過程中，未被利用的太陽輻射能除一部分被反射外，其余大部分被電池吸收轉(zhuǎn)化為熱能。如果這些吸收的熱量不能及時(shí)排除，電池溫度就會(huì)逐漸升高，發(fā)電效率降低，而且電池長期在高溫下工作還會(huì)因迅速老化而縮短使用壽命。因此，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組件的溫度控制，可采用無機(jī)超導(dǎo)熱管技術(shù)。即以多種無機(jī)元素組合而成的傳熱介質(zhì)，加入到管腔或夾壁腔內(nèi)，經(jīng)真空處理且密封后形成具有高效傳熱特性的元件。該元件將熱量由一端向另一端快速傳導(dǎo)的過程中，表面呈現(xiàn)出無熱阻快速波狀導(dǎo)熱特性。它既可保證聚光光伏電池的

15、光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)又能獲得相當(dāng)可觀的光熱收益，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的電熱聯(lián)用，以滿足普通用戶日常生活用電和熱水。三、砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)意義    在各國政府的大力支持下,以及光伏市場的需求和聚光光伏技術(shù)迅猛提高的趨勢(shì)下,高效、低廉、可靠、穩(wěn)定的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)正在逐步走向產(chǎn)業(yè)化。在國際光伏市場巨大潛力的推動(dòng)下,中國作為世界能源消耗第二大國,對(duì)于高效、低成本的光伏發(fā)電系統(tǒng)的需求更為迫切。與國際上蓬勃發(fā)展的光伏發(fā)電相比,國內(nèi)平板式光伏發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟,而聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)還處于技術(shù)開發(fā)階段。只要我們抓住有利時(shí)機(jī),瞄準(zhǔn)國際光伏電池新材料及器件研究的前沿,

16、積極引進(jìn)和開發(fā)成熟砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，就能在聚光光伏技術(shù)及應(yīng)用方面取得原創(chuàng)性的、突破性的進(jìn)展。    砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)技術(shù)水平高、涉及學(xué)科多、帶動(dòng)作用強(qiáng)的綜合產(chǎn)業(yè)。在這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上，包括了研制系統(tǒng)所需要的鋼材、玻璃、塑膠材料等產(chǎn)業(yè)；包括了與聚光器、跟蹤器所密切相關(guān)的精密儀器加工和自動(dòng)控制等產(chǎn)業(yè)；包括了與高效太陽能電池相關(guān)的關(guān)鍵設(shè)備制造、IIIV族半導(dǎo)體材料外延和器件制作等產(chǎn)業(yè)，包括了與太陽能光熱利用相關(guān)的傳熱、水箱、管道等產(chǎn)業(yè)，還有相關(guān)的蓄電池、逆變器和控制器等產(chǎn)業(yè)。因此，通過研發(fā)砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，能夠帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迅速

17、發(fā)展，提高相關(guān)產(chǎn)業(yè)的整體研發(fā)水平，同時(shí)創(chuàng)造更多的就業(yè)崗位。    發(fā)展砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)，具有良好的節(jié)能減排、環(huán)境保護(hù)和推廣應(yīng)用等社會(huì)效益。以年產(chǎn)聚光砷化鎵薄膜電池產(chǎn)量1MW計(jì)算，比同等產(chǎn)量的晶體硅光伏電池每年可減少耗電800萬千瓦時(shí)，節(jié)約標(biāo)煤0.30萬噸,減排二氧化碳0.58萬噸,二氧化硫40.78噸,二氧化氮34.40噸。此外，這些光伏光熱系統(tǒng)推廣應(yīng)用后每年能夠生產(chǎn)電力200萬千瓦時(shí)，利用熱能266萬千瓦時(shí)，基本滿足1400多個(gè)普通家庭的日常能源需求，由此又可節(jié)省標(biāo)煤0.18萬噸，減排二氧化碳0.34萬噸,二氧化硫23.40噸,二氧化氮19.70噸

18、。同時(shí)，砷化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)和推廣，必將對(duì)普及太陽能知識(shí)，增強(qiáng)全社會(huì)對(duì)新能源的認(rèn)識(shí)，加快新能源的推廣、應(yīng)用和普及步伐，產(chǎn)生積極而又深遠(yuǎn)的影響。同時(shí)會(huì)得到當(dāng)?shù)卣嚓P(guān)部門的大力支持。四、目前商業(yè)化砷化鎵電池及組件技術(shù)參數(shù)： 1. 砷化鎵電池技術(shù)參數(shù)砷化鎵電池晶圓 砷化鎵電池封裝基片 Triple Junction Solar Cell Energy Conversion三結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池 cell area電池面積：0.3025 cm2 ( 5.5mm * 5.5mm ) Concentrator solar cell chip size集中器電池片尺寸 - 0.4125cm2

19、(5.5mm*6mm), efficiency效率 35% 400X conc.在400倍聚焦。2HCPV組件參數(shù)名稱內(nèi)容描述RemarkCell Type電池類型- 多結(jié)砷化鎵電池每個(gè)組件電池片子數(shù)量48個(gè)幾何聚焦倍率476 ´外形尺寸 (L´W´H)長寬高1680 ´ 570 ´ 247 mmWeight重量22 Kg 跟蹤精度± 0.5 deg.砷化鎵電池組件圖片（12*4電池片產(chǎn)生120V峰值電壓）組件電氣參數(shù)ItemDescriptionRemark備注組件效率> 23.5%輸出功率> 140W 850 W/m2

20、 DNI凈輸入太陽能Voc140 VIsc1.28A Vmpp最大電壓120 VImpp最大電流1.17A Fill Factor填充因數(shù)78%3.子陣列技術(shù)參數(shù)一個(gè)子陣列由8個(gè)組件組成，在太陽光下產(chǎn)生大于1kW功率。子陣列圖片（每個(gè)組件48個(gè)電池片，共2*4組件組成一個(gè)子陣列）4.跟蹤器技術(shù)參數(shù)跟蹤方法: 2-axes 2軸跟蹤水平和垂直. Control控制: GPS技術(shù)Tracking Accuracygen 跟蹤精度: ±0.5° or better. 沒有太陽及風(fēng)速大于45 km/hr： 自動(dòng)復(fù)位和返回 Azimuthal Traction方位牽引力: 15 cm

21、 rolling pin bearing with 360°rotation.Elevational Traction高度牽引力: Single telescopic. Linear Actuator. Loading Capacity載重量: 700kg。Collecting Surface集光器面積: up to 16 m2, （plat form may be specified by customer）Tracker weight跟蹤器重量: Approximately 500 kg (including pole weight). 大約500kg(含支撐桿重量)五、原理圖 （藍(lán)色代表產(chǎn)生的熱水系統(tǒng)、紫紅色代表產(chǎn)生的電力，粉色代表控制系統(tǒng)）2kWp示范系統(tǒng)（2個(gè)子陣列組成）六、成本優(yōu)勢(shì) 參數(shù) 【單多晶硅】PV panel HCPV（跟蹤） 太陽能集中倍率 1x 500x 太陽能照射功率/c 0.1w 50w 電池面積 / 10,000/c 20/c 電池效率 15% 37% 直流瓦數(shù) / 150w 370w 電池成本 / ￥2250 ￥1200 人民幣 /瓦 ￥15.00 ￥3.2 對(duì)準(zhǔn)太陽角度 0° 90° 0° Sol