用于太阳能光伏发电的高倍聚光系统

应 用 光 学

Journal of Applied Optics Vol 132No.3M ay 2011

文章编号:1002-2082(2011)03-03-06

用于太阳能光伏发电的高倍聚光系统

张 平1,2

,洪剑麟1

,夏 念1

,金小伟

1

(1.杭州永莹光电有限公司,浙江杭州310051;2.华中科技大学,湖北武汉430074)

摘 要:研究了基于三结型(InGaP/InGaAs/Ge)高效太阳能电池的太阳能光伏发电的高倍聚光系统。该系统采用高次非球面光学玻璃卡塞格林系统,运用Zem ax 和Tr acepro 光学设计软件完成200~500倍太阳能聚光系统的设计,同时设计了单片型高倍太阳能聚能光学组件,用热压成型方法研制了太阳能聚能透镜(副镜)。采用16个性能相同的聚光光学组件和相同数量的三结型太阳能电池组成高倍聚光型太阳能光伏组件,极大地提高了聚光比,为太阳能光伏发电的高倍聚光器设计提供参考和依据。

关键词:太阳能;高倍聚光器;热压成型;非球面透镜;光伏发电

中图分类号:T N29;T H 706 文献标志码:A

Solar photovoltaic power generation with high -concentration -ratio system

ZH ANG Ping 1,2,H ONG Jian -lin 1,XIA Nian 1,JIN Xiao -w ei 1

(1.Hang zhou Y ongy ing O pt ic &Electr onic Co.,L td.,H ang zho u 310051,China;2.Huazho ng U niver sity of Science and T echnolog y,W uhan 430074,China)

Abstract:Based on three -junctio n (InGaP/InGaAs/Ge)high efficient solar cell,the PV conver -sion of a hig h pow er optical system w as achiev ed,which used hig h -order precision aspheric Cassegrain sy stem.Tw o so lar PV systems of 200-500times co ncentratio n -ratio w ere o btained w ith Zemax and Tracepro.One o f them w as a monolithic system w ith solar condenser compo -nent.Seco ndary m ir ror o f high pow er solar PV sy stem w as m anufactured using ho t -pr ess for ming.16sets of optical concentration elem ents co mbined w ith three -junction (InGaP/In -GaAs/Ge)hig h efficient solar cells of the same volumes w ere used to form a com plete unit of a hig h pow er solar condenser PV system.T he solar concentration ratio is greatly increased,w hich pr ovides a g ood refer ence for the desig n of solar PV pow er generation and high -conver -g ence -ratio facilities.

Key words:solar energ y;high -pow er condenser;hot -press forming;aspheric lens;photovoltaic pow er generation

收稿日期:2010-10-16; 修回日期:2010-11-16

基金项目:浙江省重大科技专项(优先主题)研究与产业化项目(2008C11038)。作者简介:张平(1946-),女,浙江杭州人,教授、技术顾问,主要从事光电工程、光电光学系统设计和非球面光学应用研究工作。E -mail pzhang8@sina.com

引言

光伏发电经历了第一代晶硅电池(17%左右的转换效率)和第二代薄膜电池,第三代高效H CPV 系统发电。CPV 采用多结的III -V 族化合物电池,具有全光谱、高转换效率(可达36%左右

的转换效率)等优点,采用廉价的聚光型光伏系统可减少给定功率所需的太阳能电池面积。

为了大幅度降低太阳能光伏发电成本,我们致力于太阳能光伏发电高倍聚光系统及采用热压成型方法研制500倍聚光太阳能聚能透镜(副镜),

聚能透镜可构成高倍聚光型太阳能发电用光伏组件,并通过境外合作者完成样品CPV国际标准IEC62108的各项测试。在研发过程中,同时申请相关专利5项,其中发明专利2项。采用新结构和热压成型工艺研发高功率聚光型太阳能光伏组件,提高太阳能高倍聚光光伏组件的转换效率,降低太阳能光伏发电成本。

1用于太阳能光伏发电高倍聚光型太阳能光伏组件

采用热压成型方法研制成的500倍聚光太阳能聚能透镜(副镜)可构成高倍聚光型太阳能发电用光伏组件,该组件采用模块式的设计方案,由4 @4个模块构成,每个模块包括:高倍率的太阳能聚光器件(可提高太阳能聚光比500倍);多结太阳能电池组件和散热机构(接收太阳的谱段范围350 nm~1800nm,太阳能转换效率高达36%),太阳辐射有效能是波长的函数,在0~380nm、380nm ~1100nm、1100nm~2.5nm范围内的有效能占总有效能的比例分别为15%、65%和20%。将高倍率的太阳能聚光器件与太阳能电池制成太阳能光伏组件,外加太阳能自动跟踪聚焦式系统,可数百倍地提高发电功率,降低光伏发电的成本。

在构成太阳电池阵列时,为避免组合损失,应尽可能选用参数一致的太阳电池组件。按照系统所需功率及电压的大小,可以用多个(例如几个、几十个、几百个甚至成千上万个)组件按串、并联规则组合一起,构成光伏阵列,以便把太阳能直接转换为电能后向负载供电。为了确保太阳能光伏系统的性能与功能,光伏模块应通过IEC62108等国际标准检测,以保证电池板的安全性、光电性能和环境可靠性。聚光器提高光能密度的倍数称为聚光比,当光学系统为理想系统时,可以用几何聚光比X c来表示聚光的程度,即为聚光器接收太阳辐射的入射面积与光电转换表面积之比。但在实际情况下,考虑r为光学系统的反射率,对于折射聚光器用透过率t代替,k为聚光器的光效率(受光面的光能和入射的光能之比),实际聚光比为X c实=rk X c理

设计举例。高倍聚光型模块可采用卡塞格林光学系统和多结太阳能电池组成,使太阳光聚光比为500倍,如高次非球面主镜口径(256m m@256m m)、高次非球面副镜口径(45mm@45 m m),在导光棱镜的端面附近设置多结太阳能电池(光电池的接收面积为10mm@10mm),非球面主镜和次镜表面经镀膜处理,可反射红外段波和可见光波段的太阳光(350nm~1750nm)(镜面反射率高达95%以上),考虑塞格林光学系统产生遮拦现象而引起光能损耗、材料吸收、成型和安装工艺、生产尺寸、面形误差造成变化引起光损耗,整个光学系统透过率约为83%。综上所述,当入射太阳能强度为800W/m2,以三结型InGaP/In-GaAs/Ge太阳能电池为主要部件的聚光太阳能电池以其高效率(可达到36.23%以上),系统采用?1b精度的跟踪量,构成新一代太阳能聚光器。单个模块的输出功率约为17W,整个高倍聚光型太阳能光伏组件考虑系统透过能量损耗等因素,并满足三结型InGaP/InGaAs/Ge太阳能电池正常工作条件,由4@4个模块构成的光伏组件可输出功率最大值为214W(P max),最大电压为39V (V max),最大电流5.5A(A max)。

2用于高倍太阳能聚光系统设计要点2.1用于高倍聚光型太阳能光伏组件电池

目前高效三结GaInP/GaInA s/Ge太阳能电池主要生产厂家为美国Spectrolab、EM CORE、德国AZUR、意大利CES、比利时ENE、中国天津电源研究所、上海空间研究院811所等。以三结型InGaP/InGaAs/Ge太阳能电池为主要部件的聚光太阳能电池以其高效率(可达到36.23%以上)、高温性能好(工作温度每升高1e性能仅下降0.2%,可在200e情况下正常工作,聚光倍数可达500倍以上等特点被国际公认为最有发展前途和最具商用价值的新一代太阳能器件。

我们在系统研制时使用了2种高效三结太阳能电池,以设计和开发太阳能聚光器的光学器件。一种太阳能组件是应用EM CORE T1000三结型高效太阳能电池,1cm见方的砷化镓聚光太阳能电池在500倍聚光下等效于7张12.5cm见方的硅光电池,由16个装有T1000三结型高效太阳能电池的聚光器模块组成光伏组件。另一种为中国公司生产的三结InGaP/InGaA s/Ge太阳能电池(已封装),如图1所示。

在锗基板上用电子-空穴阳极组成三结型In-GaP/InGaAs/Ge太阳能电池,波长使用范围为

# 390 #应用光学2011,32(3)张平,等:

用于太阳能光伏发电的高倍聚光系统

图1三结InGaP/InGaA s/G e太阳能电池Fig.1Three-junction(InGaP/InGaAs/

Ge)solar cell

0.3L m~1.8L m,入射照明可接受高达1200suns (太阳聚光比)和更高的电流密度,每节标准尺寸为10@10mm2(受光面积)。三结型高效太阳能电池10@10m m2受光面积电池输出参数如表1所示。

表1电池输出参数

Table1Output parameters of cell

1X

(10@10)mm2

470X

(10@10)mm2

1150X

(10@10)mm2

1X

(5@5)mm2

效率31.23%36.23%33.07%29%

V o c/V 2.583 3.051 3.078 2.57

J sc13.9mA/cm2 6.49A/cm215.92A/cm2 4.0mA/cm2 V mp/V 2.32V 2.704V 2.523V 2.29V

J mp13.46mA/cm2 6.27A/cm215.04A/cm2 3.9mA/cm2 P m p31.23mW/cm217.03W/cm238.03W/cm28.93mW/cm2 2.2高倍率聚光型太阳能聚光器件的设计

现在分析高倍光伏聚光器光学结构类型。常用的聚光系统通常分为折射聚光系统和反射聚光系统。聚光系统可采用光学树脂制造的菲涅尔透镜,具有耐冲击,强度高,相对密度小,透过率高,光学性能优良,成型工艺简单,成本低廉等优点,降低了太阳能发电的成本。但是传统菲涅尔透镜存在难以实现高接收角,聚光后光强分布不均匀和易老化变形,聚光器结构庞大等问题,当聚光组件光强分布不均匀时将产生较大的光电流,会有较大的能量损失,同时电池结温也较高,因而开路电压下降。上述因素将导致太阳能电池光电转换效率降低。

为了增加聚光比,高倍聚光型模块宜采用卡塞格林光学系统,卡塞格林系统在大口径红外系统中有重要作用。采用主反射镜和副反射镜系统的最大优点是:口径可做得较大、镀银反射膜,使用段波很宽,从紫外到远红外贿高反射率、无色差,采用高次非球面,光学结构简单,系统紧凑,像质优良。采用卡塞格林系统组成光伏组件,太阳能聚能透镜口径根据使用要求设定,设计时要尽量考虑缩小副镜口径引起遮拦,每个聚光器安装一个1cm2的三结电池;根据太阳能电池的尺寸(10mm@10mm,5m m@5mm)和太阳能光伏组件的要求,用Zem ax和T rancePro光学设计程序设计高倍太阳能聚光系统,非球面面形根据高次非球面曲面方程表达式进行光学设计。Z(r)=(A (r/DP)2+B(r/DP)4+C(r/D P)6+D(r/DP)8+ E(r/DP)10+F(r/DP)12)*DP。设计时考虑焦点伸出量,镜筒尽可能短,保持在太阳能电池接收面上恒定的聚光光斑大小。如设计500倍聚光系统,跟踪精度?1b,可采用被动散热。用Tr an-cePro光学设计程序模拟设计的500倍卡塞格林系统和导光棱镜构成的太阳能聚光系统如图2所示。主镜和副镜采用高次非球面光学结构,主镜的口径为256mm@256m m以上,主镜的口径和副镜口径比< 5.7。副镜口径增大会使中心遮拦比增大,在导光棱镜的四侧内表面发生全反射,导光棱镜的出口口径根据太阳能电池的尺寸(10mm @10mm)

大小而确定。

图2500倍卡塞格林系统和导光棱镜构成的太阳能聚光系统

Fig.2Solar concentration system consisted of500times Cassegrain system and light guide prism

2.3新结构高倍率聚光型太阳能聚能组件的光学设计

新器件可采用热压成型工艺一次加工而成。用Zem ax光学设计程序设计新结构的太阳能聚光器件(用1个光学元件完成由3个光学器件主镜、次镜、导光棱镜组成的卡塞格林系统),如图3所示。设计成的新结构的高倍率的太阳能聚光器件的会聚原理是:由高次非球面主镜、高次非球面次镜、导光棱镜组成卡塞格林系统,太阳光由太阳能

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应用光学 2011,32(3) 张 平,等:用于太阳能光伏发电的高倍聚光系统

聚光器件的平面1入射,进入高次非球面主镜2,反射后进入高次非球面次镜3,由高次非球面次镜反射后最后经导光棱镜会聚在焦面4附近,在聚光器件的导光棱镜端面附近(其焦面附近)设置高效专用太阳能电池5。太阳光聚光能力将是原来的200~400倍,高次非球面主镜D1(根据设计要求而定)和导光棱镜的口径根据光电池的接收面积(5mm @5mm)

而定。

图3 新结构的高倍率的太阳能聚光器件光学原理图Fig.3 Optical principle diagram of high pow er solar con -denser with new structure

热压成型高次非球面光学玻璃太阳能聚能透镜的技术要求如下:a)非球面面形精度0.1m m;b)非球面表面质量80/50,非球面表面划痕和麻点要求;c)点状缺陷、线状缺陷、边缘破损按聚光镜要求;d)聚能透镜镀内反射膜和保护膜,镜面反射率>95%(350nm ~1750nm),对膜层的祥细要求省略。整个光学系统透过率为83%。

图4为用Zemax 光学设计程序设计新结构的太阳能聚光器件。图中右上是系统中心和角度为1b 时在探测器面上的聚光光斑大小,画中下方是探测器面前后1m m 面上聚光光斑大小。系统采用?1b 精度的跟踪量,构成新一代太阳能聚光器,图中的聚能透镜是圆形。

2.4 新结构高功率聚光型太阳能聚能组件

图5为新结构超高倍率聚光型太阳能聚能组件(方形),高倍率的太阳能聚光器件(采用卡塞格林系统)组成,在聚光器件导光棱镜的端面附近设置多结太阳能光电池。太阳能电池组件结构是由下述主要部件组成:

1)上玻璃盖板。上盖板覆盖在太阳电池组件的正面,构成组件的最外层,透光率高、坚固具有弹性、起到长期保护电池的作用。具有

良好的

图4 用Zemax 程序设计新结构高倍聚光型太阳能光

学件

Fig.4 Design of new structure high power solar optical

component with Zemax

电绝缘性能,能适用自动化的组件封装;

2)在玻璃盖板和太阳电池间有密封胶,在太阳电池和下底板设有绝缘层。

3)太阳电池组件设有边框,以保护组件和组件与方阵的连接固定。边框为密封胶构成对组件边缘的密封。有连条、引线护套、电极引线等。为了保证组件的机械刚性和有效散热,选用有一定厚度的合金铝板组为组件的背面层,在上面粘接一层充分保证组件的电绝缘性的材料,在该材料上粘接收太阳能的光电池盒。采用的太阳电池组件的优点是有一定的标称工作电流输出功率,工作寿命长,组合引起的电性能损失小,组合成

本低。

图5 新结构高倍率聚光型太阳能聚能组件(方形)Fig.5 New structure high power solar optical components

(square)

3 结果分析

根据图2设计的500倍卡塞格林系统和导光棱镜构成的太阳能聚光系统,采用16个性能完全

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应用光学 2011,32(3) 张 平,等:用于太阳能光伏发电的高倍聚光系统

相同,基于三结型(InGaP/InGaAs/Ge)超高效太阳能电池模块组成的太阳能光伏发电组件如图6所示。为了极大地提高太阳能的利用率,最大限度地提高聚光比,将高倍率的太阳能聚光器件的圆外形尺寸改成方形,以便和太阳能光电池的方形相吻合,使太阳能的利用率提高25%。采用多个小面积、高功率聚光型太阳能聚能组件可构成太阳能自动跟踪聚焦式系统,使输出功率提高数百倍。当单个模块的输出功率约为17W 时,整个高倍聚光型太阳能光伏组件除去系统透过能量损耗等因素,可输出功率实际值约为214W

。

图6 用于太阳能发电500倍聚光型太阳能光伏

组件

Fig.6 500times solar concentration PV sets for solar

pow er generation

公司采用专用设备,根据标准研制成功热压成型圆形光学非球面太阳能聚能透镜(已镀膜副镜)如图7所示。研制的热压光学玻璃成型的非球面太阳能聚能透镜的副镜新产品参照国家标准制定了企业标准,并通过浙江省计量科学研究院和杭州市质量技术监督检测院检验,符合标准技术要求,已提供给美国能源设备公司SOLFOCUS,同时研制出了转型的新一代聚光型高倍热压成型方形非球面镜片(副镜)。SolFocus 是首家获得聚光型太阳能(CPV)模块IEC 认证的公司,是领先的聚光型太阳能电池(CPV)系统开发商,其SF -1000P 模块成为首款满足国际电工委员会(IEC)62108标准严格的性能、资格和安全要求的CPV 产品。

高次非球面太阳能聚能透镜的非球面采用三坐标测试仪,测试结果如图8所示。图8中的横坐标表示元件的外形尺寸,纵坐标表示元件的非球面的Z 方向的值。由上述分析可知,研制的太阳

能聚能透镜产品的非球面面形精度控制在0.1m m

范围以内。

4 结论

高倍聚光型太阳能光伏组件采用模块式的设计方案,整个组件由16个性能完全相同模块组成,每个模块由卡塞格林光学系统和三结型(InGaP/InGaAs/Ge)高效太阳能电池结合组成,太阳光聚光比是原来的500倍,采用热压成型方法研制成制造高倍率的聚光太阳能器件,该器件被大规模工业化,有望解决太阳能光伏发电系统成本昂贵的问题。

用Zemax 和Tracepro 光学设计软件设计了新结构的太阳能聚光器件(用1个光学元件完成由3个光学器件主镜、次镜、导光棱镜组成的卡塞格林系统),使器件的太阳光聚光比是原来的200~400倍。新器件可采用热压成型工艺一次加工而成,提高了太阳能高倍聚光光伏组件的转换效率,采用热压成型方法研制高倍聚光太阳能聚能透镜

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393#

(副镜),降低了太阳能光伏发电成本。

参考文献:

[1]刘华,卢振武,朱瑞,等.聚光光伏系统的发展及未

来趋势[J]中国光学和应用光学,2008,1(1):49-56.

L IU H ua,L U Zhen-w u,ZH U R ui,et al.Develop-

ment and tendency ofphotov oltaic co ncentrato r sys-

tem[J]Chinese Jo ur nal of O pt ics and A pplied Op-

tics,2008,1(1):49-56.(in Chinese w ith an Eng lish

abst ract)

[2]G AR BO U SHIA N V,GO RDON R.O ptical desig n

considerations for high-concentr ation pho tovo lta ics

[J].SP IE,2006,6339:633905/1-9.

[3]袁爱谊,王亮兴.聚光光伏发电技术研究与展望

[J].上海电力:可再生能源发电,2009(1):13-18.

YU A N A-i yi,W A NG L iang-x ing.Research and

pr ospect of concent rating phot ovo ltaic g ener atio n

technolog y[J].Shang hai Po wer:Renewable Energ y

Pow er Generating,2009(1):13-18.(in Chinese

w ith an Eng lish abstract)

[4]韩延民,代彦军,王如竹.太阳能高倍聚光的方案优

化及装置构建[J].上海交通大学学报,2009,43

(2):261-265.

HA N Y an-min,DA I Yan-jun,W A NG Ru-zhu.

Schemes o ptimization and device confor mation of high

co ncentrat ing solar energ y[J].Jo ur nal of Shang hai

Jiaoto ng U niversity,2009,43(2):261-265.(in

Chinese with an English abstr act)

[5]张立文,张聚伟,田葳,等.太阳能光伏发电技术及

其应用[J].应用能源技术,2010,147(3):4-8.

ZH AN G L-i wen,ZH A NG Ju-w ei,T IA N W ei,et

al.T echnolog y and applicat ion o f so lar energ y PV

generation[J].A pplied Ener gy T echno lo gy,2010,

147(3):4-8.(in Chinese w ith an English abstr act) [6]GREEN E,T A Y LO R S,COW L EY S,et al.Co rr e-

latio n betw een collimated flash test and in-sun meas-

ur ements of hig h concentr atio n pho tovo lta ic mo dules

[J].SPIE,2009,7410:DO I:10.1117/12.827367.

# 394 #