1、HCPVT高聚光太陽能光 伏發(fā)電及光熱系統(tǒng)技術(shù)Revised by Petrel at 2021hcpvt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

2、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)

3、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。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 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

4、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。為了解決這一問題，人們不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)換效率相對較低，特別是 碑化鎵薄膜電池價(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。而采用碑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

5、94%以上。由于近年太陽能級硅材料供不應(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 銅錮硒等薄膜電池應(yīng)運(yùn)而生，乘勢發(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)對環(huán) 境造成嚴(yán)重污染，硒和錮是儲(chǔ)量很少的稀

6、有元素，因此大規(guī)模發(fā)展必將受到材 料制約。而碑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)碑化鎵基電池， 以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率。但是，由于碑化鎵基材料價(jià)格昂貴，碑化鎵薄膜電池目 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)用碑 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 的碑化鉀薄膜電池面積。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)，來代替部分昂貴的碑化鎵薄膜電池。在這種聚光系統(tǒng)中，如果聚 光率超過10倍以

7、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 勢是，在低聚光率時(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.碑化鎵(GaAs)的發(fā)展?jié)摿Ρ?GaAs)半導(dǎo)體材料與傳統(tǒng)

8、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，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。碑化鎵除在IC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)合制備碑化鎵太陽能電池。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，碑化鎵在WiMAX和WLAN應(yīng)用市場上，將有明顯增幅

9、，預(yù)計(jì)到 2010年，市場需求近10億美元，增長23%。在碑化鎵太陽能電池上，也有部分要量產(chǎn)的企業(yè)。在碑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。未來碑化鎵發(fā)展勢必將與Si、GaN以及SiGe 一同參與市場競爭。碑化鎵集成電路，用半導(dǎo)體碑化鎵（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

10、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，基于碑 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500- 1000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

11、 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。節(jié)能項(xiàng)目貸款一碳貸通節(jié)能項(xiàng)目保險(xiǎn)-碳險(xiǎn)通節(jié)能公司融資評級節(jié)能項(xiàng)目交易聚光器由于高效碑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)揮碑化鎵光伏電池效率優(yōu)勢、降低聚光光伏、光熱綜 合利用系統(tǒng)成本的關(guān)鍵

12、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，常用的聚光系統(tǒng)通常分為折射聚光系統(tǒng)和反射 聚光系統(tǒng)。對于實(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。跟蹤器對于碑化鎵薄膜電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)來說,對日跟蹤器必不可少。這主要是由 于隨著聚光比的提高，聚光光

13、伏系統(tǒng)所接收到光線的角度范圍就越小，為了更加 充分地利用太陽光，聚光光伏系統(tǒng)必須輔以對日跟蹤裝置。因此，通過對聚光光 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，對于成功開發(fā)碑化鎵薄膜電池聚 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。由于碑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

14、靠性仍需進(jìn)一 步的提高。（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光電轉(zhuǎn)換效 率，同

15、時(shí)又能獲得相當(dāng)可觀的光熱收益，實(shí)現(xiàn)對太陽能的電熱聯(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 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，積極 引進(jìn)和開發(fā)成熟碑化鎵薄膜電池聚光跟蹤

16、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。碑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、III-V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)碑化鎵薄 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)

17、展碑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)聚光碑化鎵薄膜電池產(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。同時(shí)，碑化鎵薄膜 電池聚光跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)和推廣，必將對普及太陽能知識(shí)，增強(qiáng)全社會(huì)

18、對 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)：碑化鎵電池技術(shù)參數(shù)碑化鎵電池晶圓碑化鎵電池封裝基片TripleJunctionSolarCellEnergyConversion 三結(jié)結(jié)構(gòu)太陽能電池cellarea 電池面積：0.3025cm2(5.5mm*5.5mm)名稱內(nèi)容描述RemarkCellType電池類型III-V多結(jié)碑化鎵電池每個(gè)組件電池片子數(shù)量48個(gè)幾何聚焦倍率476外形尺寸(LWH)長寬高1680570247mmWeight重量22Kg跟蹤精度0.5deg. Concen

19、tratorsolarcellchipsize 集中器電池片尺寸-0.4125cm2(5.5mm*6mm),efficiency 效率 35%400Xconc.在 400 倍聚 焦。2 . HCPV組件參數(shù)碑化鎵電池組件圖片(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140W850W/m2DNI 凈輸入太陽能Voc140VIsc1.28AVmpp最大電壓120VImpp最大電流1.17AFillFactor填充因數(shù)78%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

20、池片，共2*4組件組成一個(gè)子陣列)跟蹤器技術(shù)參數(shù)水平和垂直.跟蹤方法 :2-axes2 軸跟蹤C(jī)ontrol 控制:GPS技術(shù)TrackingAccuracygen 跟蹤精度:05orbetter.沒有太陽及風(fēng)速大于45km/hr :自動(dòng)復(fù)位和返回AzimuthalTraction 方位牽引力：15cmrollingpinbearingw ith360rotation.ElevationalTraction 高度牽引力:Singletelescopic.LinearActuator.LoadingCapacity 載重量:700kg。CollectingSurface 集光器面積：upto16

21、m2,(platformmaybespecifiedbycustomer)Trackerweight 跟蹤器重量:Approximately500kg(includingpoleweight).大約 500kg （含支桿重量）五、原理（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-參數(shù)【單多晶硅】PVpanel HCPV （跟蹤）太陽能集中倍率 1x500 x-太陽能照射功率/c m 0.1w50w電池面積/m 10,000/c m20/c m電池效率15%37%直流瓦數(shù)/m 150w370w電池成本/m 22501200人民幣/瓦 15.003.2對準(zhǔn)太陽角度0