第32卷第3期2011年5月应 用 光 学Journal of Applied Optics Vol 132No.3M ay 2011文章编号:1002-2082(2011)03-0389-06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:ASolar photovoltaic power generation with high -concentration -ratio systemZH 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@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),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。
另一种为中国台湾公司生产的三结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 cell0.3L 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 cell1X(10@10)mm2470X(10@10)mm21150X(10@10)mm21X(5@5)mm2效率31.23%36.23%33.07%29%V o c/V 2.583 3.051 3.078 2.57J sc13.9mA/cm2 6.49A/cm215.92A/cm2 4.0mA/cm2 V mp/V 2.32V 2.704V 2.523V 2.29VJ 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。