1、 中山大学硕士学位论文 线性聚光光伏系统太阳电池性能主要影响因素研究 中山大学 硕士学位论文 V 线性聚 光光伏 系统 太阳 电池性能 主要 影响因素研究 摘 要 近些 年来，太阳能光伏发电特别是 平板光伏（ PV）发电的应用如火如荼。光伏产业链的各个环节包括生产设备商、原料供应商、光伏组件生产商、光伏系统集成商发展都非常迅猛并且相对较为成熟。同时围绕 PV 组件制定了较为完善的光伏标准。相比较而言，聚光光伏（ CPV）产业的发展要滞后的多，同时人们对 CPV 的关注度与认知度也要低的多。本文 工作的一个主要部分就是 对聚光光伏系统 发展进行调研，并对其发展现状、技术 成果、发展趋势进行了分析
2、和总结 ，给人们呈现一个清晰的 CPV 产业轮廓。同时对一种新型 线性聚光光伏系统进行了实验分析与 应用 评估 。本文包括 CPV 产业分析与总结和线性 CPV 具体实验两部分。 第一部分 CPV 产业分析与总结。描述了 CPV 系统的基本构成、分类、发电原理等基本问题。对整个 CPV 产业做了全面的调查与总结。找到目前 CPV 发展的瓶颈和将来要解决的问题。指出 CPV 发电系统的复杂性、多样性导致了制定相关行业标准的困难性。 与平板 PV 组件相比 目前国内 对 CPV 发电关注很少，对整个 CPV 市 场也缺乏一种完整的认识。 国内 从事 CPV 研究的机构不仅数量少而且层次低。本文第一
3、部分尽量完整描述 CPV 发展的现状。使大家对 CPV 发电的优缺点有更深刻的理解。 第二 部分为实验部分，本部分论述了作者硕士期间的主要工作 搭建 新型聚光光伏系统平台， 尝试对聚光电池组件进行新式封装。完善跟踪控制装置的设计与制作。对 聚光光伏发电系统各组成部分包括菲涅尔透镜聚光电池组件机械传动装置控制跟踪 系统和冷却系统进行 优化组合。 并且对硅太阳电池聚光组件在低倍聚光条件下的发电特性进行了理论分析和实验验证。指出聚光光强、聚中山大学硕士学位论文 VI 光组件工 作温度等因素对聚光组件发电量及发电效率的影响。提出了为提高整个系统的发电效率而进行改造升级的可能性及具体实施措施。该种线性聚
4、光光伏系统的研制理念特别是跟踪方式的选择及散热装置的设计是进行 CPV 系统研究的重要尝试和探索。 作为 一个新型透射式聚光发电系统也填补了国内在这一领域研究空白。 最后，本文论述了 CPV 系统的发展趋势和前景。并且对未来几十年 CPV 各组成部分的技术提升做了一个推测。指出 几十年后 CPV 系统在大中型并网电站应用中必将占据重要位置。 关键字：聚光光伏（ CPV）系统；并网；菲涅尔透镜；跟踪控制 中山大学 硕士学位论文 VII The Study of Main Impacting Factors of Solar Cell in a Linear Concentrator PV Sys
5、tem ABSTRACT Photovoltaic (PV) technology especially the flat-plate PV module is developing very fast in recent years. Industrial chains of PV mainly include the manufacturers of production equipments, providers of saw materials, producers of PV modules and integrators of PV systems, etc. All of the
6、m have been developing rapidly and maturely. At the same time some PV standards are established now. Contrast Concentrator PV (CPV) system with flat-plate PV module, it is found that industry of CPV has a slower developing speed. And the people give less attention and passion on the CPV. One importa
7、nt part of thesis is to give readers a clear outline of the CPV industry through collecting relative CPV research institutions and companies. Also the thesis introduces a new type of linear concentrator system and gives an experiment analysis. So the thesis mainly concentrates on the summarization o
8、f the CPV industry and the CPV experimental part. The first part is summarization and analysis of CPV industry. It describes the basic structure, classification and the principle of CPV system. And it makes a comprehensive survey and in order to find the development bottleneck of CPV. Due to the com
9、plexity and diversity it is difficult to set down the uniform standards for CPV industry. Less concern with the CPV leads to less sufficient understand. So considering the situation mentioned above the author makes great efforts to describe the real situation of the CPV industry in order to make the
10、 advantages and disadvantages of CPV more profound understood. 中山大学硕士学位论文 VIII The second part is experimental part. First it describes the main work of the author that is construction of a new type of concentrator PV system. CPV system includes some parts such as the Fresnel lens module, the concen
11、trator solar module, the mechanical driving device, the tracking control system and the cooling system, etc. The main job is to optimize all of them and get good performance of the whole CPV system. Meantime the author tries a new type of module encapsulation method and designs the device of trackin
12、g control system. Through this new type of CPV system the author gets the IV characteristic of concentrator solar module under low concentration and points out factors such as concentration irradiation, working temperature which can impact efficiency of the concentrator PV module. New ideas especial
13、ly the mode of tracking and the design of the heat-dissipating part are important attempt and exploration on CPV system research. As a new type of linear concentrator system our experimental platform is innovate in China. Finally, the thesis introduces the developing trend and perspective of CPV sys
14、tem, and deduces the technological enhancement range of some CPV main parts in the future. Also the author points out the possible application of CPV system in the field of middle and large grid-connected PV power stations. Keywords: Concentrator PV(CPV) system; grid-connected; Fresnel lens； Trackin
15、g control 目录 IX 目 录 论文原创性声明 （ ） 学位论文使用授权声明 （ ） 知识产权保护声明 （ ） 中文摘要 （ ） 英文摘要 （ ）目录 （ ） 第 1章 绪论 （ 1） 1.1 聚光光伏系统的发展历史 （ 1） 1.2 聚光 光伏系统 构成及基本原理 （ 3） 1.3 聚光光伏系统的研究进展和商业应用 （ 5） 1.4 聚光光伏发电系统市场发展及技术提高 （ 6） 1.5 硕士论文的主要工作 （ 7） 第 2章 聚光光伏产业的现状及成本分析 （ 9） 2.1 聚光光伏发电系统的构成 （ 9） 2.2 聚光光 伏 发电系统的分类 （ 13） 2.3 聚光光伏系统应用实例
16、（ 15） 2.4 CPV 系统的成本分析 （ 22） 2.5 CPV系统的测试与标准 （ 24） 第 3 章 新型线性聚光光伏发电系统 实验研究 （ 25） 3.1 线性聚光系统基本构成 （ 25） 3.2 实验结果与分析 （ 43） 3.3 实验平台的完善和实验补充 （ 60） 第 4章 中低倍硅聚光电池发电理论分析及 CPV聚光比的理论推导 （ 62） 4.1 中低倍硅聚光电池发电理论分析 （ 62） 4.2 聚光器聚光比 理论分析 （ 69） 第 5 章 聚光光伏发电的应用前景 （ 74） 5.1 CPV 系统发展 趋势 及影响因素 （ 74） 中山大学硕士学位论文 X 5.2 CPV
17、 研究发展愿景 （ 76） 5.3 CPV 系统应用之路 （ 79） 结束语 （ 80） 参考文献 （ 82） 攻读硕士学位期间发表的论文与专利 （ 89） 附录： 从事 CPV 研究的科研单位及公司 （ 90） 广州地区太阳光辐射数据 （ 92） 致谢 （ 95） 第一 章 绪论 1 第一章 绪论 众所周知能源问题是关系到国计民生乃至国家安全的大问题，目前国际上许多冲突甚至战争都是因争夺能源而起。在能源结构方面目前的形势仍然是煤 、 石油 、 天然气等 常规能源占主导地位。但是常规能源毕竟有限，为了子孙后代的长远发展。开发利用新能源逐渐摆脱对常规能源的依赖是我们生存的需要而不仅仅是环保的需要
18、。开发可再生能源已成为二十一世纪世界各国经济发展中的重要影响因素之一。特别是在一些特殊应用领域 1-2，太阳能发电与常规能源发电相比有其不可替代的独特优势。美国“百万屋顶计划” ,德国“十万屋顶计划” ， 日本“阳光屋顶计划”等一些发达国家相关政策的推出与实施，太阳能发电行业在最近 10年内以年均 40%的 速度 增长。专家预测，到 2030年光伏发电在世界总发电量中将占到 5-20%。 但是 硅材料的高成本等问题使得目前太阳电池的生产成本仍然很 高 ， 用较便宜的聚光器件来部分代替昂贵的太阳电池已成为降低光伏发电成本有效途径之一。 1.1 聚光光伏系统发展历史 聚光光伏系统的发展历史主要分为
19、四个阶段： 第一阶段 20 世纪 70年代中期到 80年代中期的研究初创期 3。聚光光伏系统（ CPV system）的研究开始于 70 年代年主要是 因为 受 到 1973 年石油危机的影响。 1976 年美国用于聚光系统的经费预算为 125 万美元。七十年代中期美国Sandia 实验室开发第一个聚光系 统 4。该系统聚光比 50、效率 12.7%、峰值功率1kW。几乎在同一时期， Sandia 委托 Spectrolab 开发了聚光比 25、效率 10.9%、峰值功率 10kW 的聚光系统。随后法国、西班牙和意大利也设计出类似的聚光光伏系统。 同时 还有很多其他的聚光发电新概念被提出来但却
20、没有实施。早期的这些 CPV 系统 主要是验证聚光光伏发电这一概念。这一阶段最大的 CPV 发电系统是中山大学硕士学位论文 2 Martin Marietta 公司为沙特阿拉伯安装的 350kWp 聚光电站和安装于美国田纳西州奥斯汀市 300kW Entech 聚光发电系统。 第二阶段 80 年代中期到九十年代中期 的 规范成长期。 伴随着 80 年代早期石油危机结束油价开始回落， 政府支持力度开始减小。从 1975 年到 1992 年世界范围内用于聚光光伏的研发投入 刚刚 超过 4000 万美元，这一数目仅占平板 PV 组件研发投入的一小部分。 这一时期出版了第一本关于聚光光伏的专著 5。美
21、国出现了 Amonix 和 Entech6两家较有代表性的聚光光伏公司。 第三 阶段 90 年代中期到 2005 年前后以后改造升级期。特别是在欧洲，各种聚光新理念开始付诸实施。比如这一时期开发了 Euclides7 技术。同时开始 侧重于聚光电池的研究。斯坦福大学的 Swanson 和他的同事们研制的 背 点接触（ PC）结构的 Si聚光电池 90年代中期的聚光效率已达到 26%8。 2007年美国 Spectrolab将 族 化合物三结聚光电池效率做到 40.7%9。并且效率还有不断提升的趋势。表 1-1 指出 2012 年以前多结聚光电池效率的提 高过程。 由于 族 三结聚光电池具有更高
22、的发电效率，因此许多 CPV 公司正积极进行改造升级，用 族 三结聚光电池来代替原来的 硅 聚光电池。 表 1-1 多结聚光电池效率的提高过程 9 第 四阶段 2005 年以后的商业应用期，尽管目前全世界 CPV 发电系统 总安装量为 MW 级 ， 远远落后于晶硅组件 GWp 安装规模。美国 Amonix 公司和澳大利亚Solar Systems 公司是目前 两家较有代表性且 比较成功的商业化公司，并且单个聚光光伏阵列的峰值功率也都能够达到几十 兆瓦 （ MW） 的规模。 随着“中华人第一 章 绪论 3 民共和国可再生能源法”的出台，我国也开始逐步加大包括光伏发电在内的可再生能源发展的 支持力
23、度。国内已经出现了一批在国际上都相当有影响力的光伏公司， 与 CPV 系统相关的公司却寥寥无几。 由于 CPV 发电系统与平板光伏组件系统相 比所固有的优势和特点， CPV 系统必将在大中型并网光伏电站领域占有一定市场份额。 1.2 聚光光伏发电系统的构成及基本原理 平板光伏系统应用规模跨度很大，可以从 1 2W的太阳能灯到 兆瓦 级的光伏电站。 聚光光伏发电系统由于其本身组成的复杂性及运行期间的维护需求决定了在大中型并网光伏电站的应用中才能发挥 CPV系统的优势。目前很多研究机构和公司为了研究的需要推出各自的 CPV示范发电系统。这种 CPV示范系统的规模可大可小。 图 1-1 聚光光伏系统举例 聚光光伏系统根据聚光 比跟踪方 式聚光方式的不同可以分为若干类。但
