聚光光伏发电国内外研究现状

■ 王海 黄金洪立水 蔡明臻 刘宇航

广东工业大学材料与能源学院

聚光光伏发电国内外研究现状

■ 王海 黄金*洪立水 蔡明臻 刘宇航

广东工业大学材料与能源学院

从国内外聚光光伏发电技术的主要研究方向入手，分别介绍了聚光倍率、聚光器、太阳能跟踪方式、冷却与热管理系统4方面的研究现状，展望了太阳能聚光光伏技术的应用前景。

Ⅲ-V族；聚光光伏；聚光器；聚光倍率；跟踪方式；热管理

0　引言

太阳能光伏发电在经过分别以晶体硅太阳电池和薄膜电池为核心技术的第一代和第二代光伏发电技术后，形成了以利用光学元件将太阳光汇聚后再进行发电的聚光光伏发电技术（CPV），即第三代光伏发电技术［1］。当前太阳电池的市场价格仍较高，而聚光光伏发电技术采用太阳能聚光方式，在采光面积相同的条件下，以价格相对较低的聚光器将太阳电池取代，不仅降低了太阳能光伏发电成本，而且提高了光电转换效率，使太阳能光伏发电具有跟常规能源竞争的能力，因此得到国内外的广泛关注［2］。

1　聚光光伏发电的研究现状

1976年，美国Sandia实验室首次成功建成了一个功率为1 kWp、转换效率为12.7%的聚光光伏发电系统。该系统的聚光器为点聚焦的菲涅尔透镜，聚光比为50；太阳电池为硅电池；跟踪系统为双轴跟踪［3］。此后的聚光光伏发电技术的研究中，基本围绕CPV的聚光倍率、聚光器、太阳跟踪方式，以及散热方式等方面展开。

1.1聚光倍率

在高倍率（＞300倍）聚光中，以Ⅲ-V族材料为基础的太阳电池在500倍聚光倍率的情况下，其发电效率能达到35%～43.5%。Green等［4］在418倍的聚光倍率条件下，利用多结太阳电池（GaInP/GaAs/GaInNAs太阳电池）得到了其I-V曲线，实验结果表明：多结太阳电池在该条件下的发电效率达43.5%。

在中倍率（40～300倍）聚光中，使用改良的晶体硅太阳电池在100倍聚光倍率下，其发电效率能够达到22%～27%。上海太阳能工程技术研究中心在采用200倍聚光倍率的条件下，利用其研制出的三结GaAs聚光电池，最高效率达33%［5］。

在低倍率（＜40倍）聚光中，Bunea等［6］通过研究硅基光伏发电系统表明，随着聚光倍率的提高，系统的发电效率也会随之增大，而且面积约为常规背结电池1/4的改进电池在 5倍聚光下效率可高达22.8%。表1列出了部分不同聚光倍率下的光伏发电效率。

1.2聚光器

近年来，随着Ⅲ-V族多结太阳电池制造技术的成熟，高倍聚光光伏发电成为趋势，与低倍聚光光伏发电相比，高倍率聚光器可进一步减少光伏发电系统中单位面积太阳电池的使用量，以及进一步降低光伏发电系统的单位功率发电成本［7，8］。

表1　部分聚光倍率下的光伏发电效率［9］

高倍聚光器设计可分为成像设计和非成像设计，如将菲涅尔透镜作为聚光器就是采用成像设计方法。但成像方法设计的聚光器在较高倍数聚光时，存在高宽比大、电池表面光照均匀性差等问题［10］。由于阳光不能均匀地投射在电池组件表面，将引起电池间的电阻不均匀导致电池效率降低［11］。针对这种问题，Chong等［12］设计了一种非成像平面聚光器，它由360块规格为4.0 cm×4.0 cm的平面镜组成，并且布置成24行和15列具有约5760 cm2的全反射区域，如图1所示。该聚光器目前被安装在马来西亚的拉曼大学（UTAR），模拟结果与实验结果都表明：非成像平面聚光器能够产生更均匀的辐射分布和相当高的聚光倍率。

图1　由360块平面镜组成的非成像平面聚光器

而在太阳能工业热利用中，太阳能中温应用领域（100～350 ℃）的热利用技术具有广泛的应用范围，可有效缓解当前能源短缺，以及因能源消费带来的环境污染的压力。但非聚光集热器往往不能满足一般工业生产所需的200 ℃以上温度要求，通常所使用的抛物面聚光器对太阳能跟踪控制又有较高要求，因此有人提出将复合抛物面聚光器（CPC）应用到太阳能中温应用领域［13］。卡里多尼亚大学的Abu-Bakar等［14］将旋转非对称的复合抛物面聚光器（RACPC）应用于聚光光伏中，如图2所示。实验结果表明：通过使用旋转非对称的复合抛物面聚光器（RACPC），不仅增加了CPV系统的电力输出，同时减少了光伏材料与相应的CPV系统成本，最重要的是为CPV系统的太阳追踪系统提供很宽的视场。

图2　旋转非对称的复合抛物面聚光器

目前，在聚光光伏发电研究中，通常采用菲涅尔透镜折射聚光系统和抛物面反射聚光系统。但两者对太阳能跟踪精度要求高，且因聚光镜面积较大，导致在户外使用时易积尘、风阻大，需经常对聚光镜进行清洗，同时也对整个装置稳定性有较大考验［15］。此外，在聚光光伏发电系统中，为保证太阳电池正常工作，一般需要加装冷却散热装置，使其工作温度不超过100 ℃，这不仅额外增加整个系统太阳能跟踪过程中的负载能耗，而且加大了装置的复杂程度。侯静等［16］依据多曲面聚光器在聚光应用中免跟踪、制造成本低、接收角大的优势，提出一种多曲面槽式聚光器，如图3所示。通过建立详细完整的三维模型，采用光学追迹、几何光学分析等方法对模型中的光学性能进行仿真计算研究。结果表明：当入射偏角≤2.8°时，此聚光系统的几何光学效率为99.81%，聚焦中心偏移量随入射偏角呈线性变化。此外，为了增加整个装置的稳定性，降低其生产成本，可采用延长其出光口到光伏组件距离，降低太阳能跟踪精度来实现。

图3　多曲面槽式太阳能聚光器

同时，在高倍聚光光伏技术的研究中，利用菲涅尔透镜将太阳光聚焦到电池片上，通过光电转换产生电能的技术使用较广泛。但在实际应用中，往往由于跟踪器跟踪精度低、支架遇风会抖动等因素存在，导致无法保证太阳光始终垂直入射于菲涅尔透镜。为解决这个问题，郭丽敏等［17］提出在菲涅尔透镜和太阳电池之间增加一个可拆卸的、倒置的、去掉顶部的棱锥形二次反射镜来提高聚光光伏的接收角（如图4所示），后经设计并运用计算机进行光学模拟，结果表明：该二次反射镜能很好地提高聚光光伏的接收角，并改善了菲涅尔透镜聚焦光斑的能量均匀性。

图4　菲涅尔透镜和二次反射镜的实体模型

此外，为提高太阳能聚光器的接收机性能，意大利博洛尼亚天文台的Giannuzzi等［18］提出一种基于反射诱导控制的静态像差的通用方法。他们认为导致密集阵列的成像镜耦合性能严重下降的原因是：太阳辐照度分布是钟形，在特定串联的太阳电池发生失配损失。通过对一个基于7个直径为2.6 m的镜子、额定功率为10 kW的密集阵列聚光器（如图5所示）进行浓度比、光斑匹配，结果表明：“平”的光分布使光伏利用设备单元接近其极限效率，获得了显著的增益，而且这是一种无需二次光学或复杂的碟分割及特殊功能的接收装置的电气方案。

图5　太阳能聚光器模型

1.3太阳能跟踪方式

太阳能与潮汐能、风能等可再生能源一样具有间歇性和分散性的特点。另外其光照强度和方向随时间、季节、气候等因素不断变化，太阳能自身的这种随机性缺点使其不能得到人们的充分利用，导致聚光光伏发电效率低下。如果能使太阳电池板垂直于太阳光照方向，那么就可在有限的使用面积内收集更多的太阳辐射，则能充分利用丰富的太阳能资源［19-21］，从而实现提高发电效率、降低发电成本的目的［9］。为了提高太阳能发电效率，太阳能跟踪系统应运而生。

现在的太阳能自动跟踪方式主要有两种。一种是通过使用传感器测量系统接收太阳辐射与实际太阳辐射的偏差调整太阳电池位置的光电追踪方式；另一种是依据太阳运动轨迹计算设定的程序跟踪法［22，23］。其中光电跟踪方式有着电路简单、测量精确度高的优点。乔丹科技大学的Batayneh等［24］根据光电跟踪方式设计出双轴式太阳能光伏发电智能控制跟踪系统，如图6所示。该系统由2个电机、4个光敏传感器和1个单片机组成。将4个光敏传感器定位在4个不同地点，使用单片机采集4个光敏传感器的数据，并计算输出2个电机相应的速度，从而实现光伏面板对太阳的自动跟踪。当4个光敏传感器输出电压为零，则表明没有太阳辐射，此时光伏系统进入休眠状态；当输出电压不为零，意味着当前接收的太阳辐射和这些光敏传感器的输出电压值所指示面板的最佳位置不匹配，系统可通过调节2个电机的转动来重新调整光伏面板的位置，使其垂直于太阳光照方向，以获得最大的太阳辐射［23］。而程序跟踪法是由太阳运动轨迹计算设定的，其计算过程相对复杂，跟踪过程中不能消除产生的累积误差，导致不能充分接收太阳辐射能［23，25］。因此，当前许多研究人员提出将光电跟踪与程序跟踪相结合，扬长补短。云南师范大学的杨康等［26］设计出一种新型单轴跟踪系统，该系统选取太阳电池作为光强检测器件，将其以相同朝南倾角安置于跟踪系统附近，提供光强信号，同时对跟踪步长进行优化。通过对后期系统的运行数据分析可知，新型单轴跟踪系统相对传统固定式系统而言，其太阳能利用率提高约21%。

图6　双轴式太阳能跟踪系统

此外，为了用较少能量实现太阳跟踪，墨西哥蒙特利技术研究所的León等［27，28］设计出一个半自动太阳跟踪器（SPSTC），其配置一个最小的机械力用于系统跟踪太阳所需的运动，如图7所示。它主要由一个微定日镜阵列、一个菲涅耳透镜及一个接收器构成。所述阵列用于追踪太阳的位置，并且太阳光反射到菲涅耳透镜，同时使其保持水平，以降低整个系统中的风载。另外太阳光接收器位于透镜聚焦处，并保持静止，这样就可减少太阳跟踪系统的重量，从而减少所需运动的能量。

图7　由热接收器、菲涅尔透镜和微定日镜阵列构成的半自动太阳跟踪器

太阳能跟踪系统除了上述视日运动轨迹追踪和光电追踪方式外，北德克萨斯大学的Cheng等［29］推出一种基于电润湿跟踪的光流体太阳能聚光系统，如图8所示。研究表明：如果在透明单元中存在两种不混溶的流体，就可通过电润湿的方法来主动控制流体-流体界面的方向，而这两种液体之间自然形成的弯月面就可作为一个动态光学棱镜用于太阳能跟踪。该集成式光流体太阳能聚光系统由液体棱镜跟踪器结合固定或静态聚光元件（菲涅尔透镜）构成。这种方法不仅能减少CPV系统成本，而且能通过消除机械跟踪功耗来提高发电效率。实验表明：与传统的采用晶体硅太阳电池的光伏系统相比，基于电润湿跟踪技术的太阳能聚光系统将产生70%以上的绿色能源，并减少50%的成本。

图8　一种液-液界面取向的电调制剖视图

1.4冷却与热管理系统

目前太阳能光伏市场中，投入量产的单晶硅电池转换效率约为17%，多晶硅电池转换效率约为16%。而现今较为热门的薄膜电池量产的转换效率也仅约为10%。如图9所示，聚光光伏发电的过程为放热过程， 并且随着太阳电池上热量的积聚，温度不断上升，其发电性能会显著下降［2，30］。太阳电池板温度每升高1 ℃，输出功率减小0.4%。温度是导致其发电效率大幅衰减的重要原因之一［31］。因此，CPV系统可以通过引入有效的热管理或冷却系统加以改进来提高发电效率。

图9　不同工作温度下太阳电池的转换效率

拉曼大学的Chong等［32］提出将一种汽车散热器用于聚光光伏（CPV）发电系统进行散热，如图10所示。为了验证该汽车散热器冷却系统是否能有效地降低CPV系统的温度，将该散热器置于总反射区为4.16 m2、聚光倍率为377倍的非平面聚光器中测试。现场测量结果表明，CPV系统的发电效率成功地从22.39%提高到26.85%，CPV系统中太阳电池的温度从59.4 ℃降低到37.1 ℃。

图10　汽车散热器的冷却系统的所有组件及水在实验装置中的流动方向

另外，冷却装置应具有较低的热阻系数，且使太阳电池的温度具有良好的均匀性，才能最大限度地提高整个CPV系统的效率和可靠性［33］。莱里达大学的Barrau等［34］设计了一种混合射流冲击/微通道冷却装置（见图11），并测试其在户外真实太阳的条件下太阳电池的温度分布。实验结果表明，该装置的微通道中沿着流路各部分宽度的变化可减少局部热阻，并且CPV系统的太阳电池温度分布（σT=0.7）相当均匀，整个系统具有较高的效率和良好的可靠性。

图11　冷却装置

而针对商用高倍聚光光伏发电系统，印度马德拉斯理工学院的Reddy等［35］设计出基于微通道的商用高倍聚光光伏（HCPV）电池的高效冷却器。通过构建一个将微通道封闭在等宽的并行流道阵列组合模型（见图12），使用商业CFD软件ANSYS 13模拟优化微通道散热器的几何形状数值，发现微通道的最优配置为：宽度为0.5 mm，长度为12 mm，间距为0.5 mm。在120 mm×120 mm CPV模块中，微通道中的温升为10 ℃；在每个通道的液体流速为0.105 L/s的情况下压降为8.5 kPa；整个微通道中的负载为4 W，占整个CPV系统发电量约0.2%。

图12　平行微通道散热器结构

由于微通道冷却器具有体积小的特点，在理论上可用其对毫米级等微尺度的热源进行冷却。但在实际使用过程中，因冷却器部分产生的温降和压损较大，辅助设备诸如泵或风机产生的额外能耗增大［11，36］。如果能在太阳电池发电过程中与外界恒温冷源直接通过强制对流换热，那么无论从冷却效果还是经济上来讲都是一种很好的方法。印度理工学院的Sahay等［37］设计出一套由9块100 W的太阳电池板及1个鼓风机组成的发电系统，其中风机运行是用1个独立的光伏板专门为其提供电力，如图13所示。通过驱动鼓风机提供足够的空气形成强制对流，利用管道将冷却的空气输送给每个太阳电池板。对流后的热空气通过一个与地面耦合的热交换器将热量传递到地面，以达到降低太阳电池板温度的目的。

图13　微通道冷却系统设计方案

其次，液浸冷却聚光光伏发电系统也是作为太阳电池散热的途径之一，但是液浸冷却聚光光伏发电系统会带来二次散热的问题。针对该问题，天津大学的陈为强等［38］提出将分离式热管换热器作为二次散热装置（见图14），利用热管的高传热特性将热量及时移走。根据现有小型液浸冷却聚光光伏系统设计出一种新结构分离式热管换热器，利用模拟热源考察分离式热管换热器的传热性能。经实验验证表明，在小型液浸聚光光伏发电系统中采用热管换热器，能在较短时间内及时带走太阳电池上积聚的热量，并确保其能正常工作。

图14　分离式换热器与小型液浸聚光光伏发电系统连接的实物图

同时研究表明，作为循环介质，纳米流体与水相比，纳米颗粒具有优异的光吸收性能和纳米流体良好的热输运性能，有研究者提出将纳米流体用作直接吸收式太阳能集热器的循环工质。北卡罗莱纳州立大学的Xu等［39］设计出一种使用纳米流体导热的CPV/T系统，如图15所示。利用聚光倍率可调的抛物面聚光器将太阳辐射聚焦并反射到一个光圈比该聚光器小得多的集中器上。纳米流体作为导热流体用于去除太阳电池板上多余的热量，以便使太阳电池温度保持在所期望的工作温度范围内。然后纳米流体通过热交换器内循环将热量传递给水，而生产的热水可存储在罐中提供给下游使用。这样就可花费很少的额外成本，既可解决CPV系统的冷却问题，又可获得热能。而且由于纳米流体在冷却通道的出口温度可通过改变冷却剂的体积流速来调节，以获得更高品位的热能。实验结果表明：当通过控制流率设定太阳电池的纳米流体出口温度为62 ℃时，系统的整体效率、光电效率和光热效率分别为11%、59%和70%。

图15　典型CPV/T系统

此外，由于光谱分频技术可实现对不同光谱的太阳辐射能的分配，因此在聚光光伏利用中可将高效光伏转换谱段的太阳辐射输送至太阳电池，将其余谱段的太阳辐射能集热回收。光谱分频技术不仅从源头上降低了太阳电池的热负荷，还实现光伏转换过程与光热转换过程的相互独立，使得热利用系统可获取比传统电热联产系统更高的集热温度。乌沙克大学的Kandilli等［40］在研究综合热利用时，提出聚光光伏热联产系统（CPVCS）（见图16），将热反射镜放置在焦点处透过太阳能光谱中的可见光、反射红外光（IR）和紫外光（UV）部分，反射后的IR和UV射线再经适当的光学装置反射并发送到真空管，在此可向外提供热能。而透过的可见光部分聚焦到太阳电池上用以发电。实验结果表明：光伏发电效率、真空集热管热效率和整体CPVCS的热效率分别为15.35%、49.86%和7.3%；太阳电池、真空集热管和整体CPVCS的 火用效率分别为12.06%、2.0% 和1.16%。

图16　CPVCS系统及其部件

2　结语

经过30多年的发展，聚光光伏系统基于聚光倍率、聚光器、太阳能跟踪方式、热管理与冷却系统4个方面的研究，让光伏行业的前景更显光明；而且在目前太阳能资源丰富的地区，CPV技术与常规能源相比，已具有一定竞争性。随着太阳电池效率的不断提高，行业规模继续扩大，预计其成本将会大幅下降。而如何获得低成本、高效率、稳定性好、可靠性高的CPV系统也将是今后研究所要解决的主要问题。

同时，我国应在已基本掌握晶体硅光伏器件全生产链的生产技术并迅速成为晶体硅光伏器件生产大国的基础上，将光伏技术研究上的重点转向包括聚光电池及聚光型光伏发电系统在内的新领域开发，调整硅电池产业的发展结构，降低硅电池生产链的能耗和污染，实现我国的清洁能源计划。

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2015-05-29

国家自然科学基金（51476038）；广州市应用基础研究专项（2013J4100010）

黄金 （1975—），男，博士、教授，主要从事新型能源材料与储能技术、太阳能热利用转换技术方面的研究。huangjiner@126.com