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聚光光伏技术的最新发展

2014-1-5 21:13| 发布者: 有机硅测试技术| 查看: 9000| 评论: 0

摘要: 内容摘要 聚光光伏(CPV)是指将汇聚后的太阳光通过高转化效率的光伏电池直接转换为电能的技术,CPV是聚光太阳能发电技术中最典型的代表。目前,聚光光伏还处于不断的探索和研究中,它被认为是既使用晶硅电池和薄膜 ...
       世界上多个研发机构都在考虑把二次聚光器引入聚光系统。而采用高倍聚光光伏原理是,聚光倍数越高,所需太阳电池面积越小,从而有效减少系统占地面积和降低电池成本。目前已有研究基于SMS 非成像设计方法结合光束扩展原理和边界光线原理,设计了一种1 000 倍聚光的高倍光伏聚光器。在由主透镜和二次透镜组成的聚光器的设计中没有引入反射镜,实现了高倍聚光器的轻量化设计。优化后的聚光器参数为: 高宽比 0. 39,几何聚光率 1 000,集光角1. 5°,电池接收到的光线范围为 ± 78°。在考虑聚光器材料对光线的吸收和散射的条件下,聚光器的光学效率高85%。接收面上光照分布均匀,能够满足太阳能电池对光照均匀性的要求。平行光束照射时,集光角内聚光器的光学效率高于80%。在配置两轴跟踪系统的情况下,1 000 倍聚光的聚光器可以实现高效率聚光。

       旋转曲面光伏发电聚光器的旋转曲线采用小抛物线来拟合,可控制太阳光经每段旋转小抛物曲面反射后,照射到预期的电池板圆环区域内,使得电池板不同圆环区域接收到的反射光趋于均匀。通过计算机编程,实现旋转曲面的数控加工。根据工业化生产的加工工艺和电池板的尺寸,确定聚光比,与目前较为普及的固定式平板光伏发电和现有的聚光器相比,旋转曲面光伏发电聚光器具有光电转换效率高、结构简单、性价比高等优点;而且,聚光比可根据当地太阳的日照强度进行合理设计,适宜应用于不同规模的太阳能光伏发电系统中。

      其次在太阳能光伏电池系统上:

      CPV的核心是多接面太阳能电池,将高、中或低能隙的太阳电池由太阳光入射方向依序串联式堆叠成三接面太阳能电池,以吸收短、中、长波长的太阳光。以美国公司SolFocus为例,其CPV发电模型的基本单位是一个由两面镜子组成的系统。系统内,阳光通过感光杆被引至面积仅为l平方厘米的光电池。一块太阳能面板由许多这样的单位组成,而太阳能面板置于跟踪装置上,可以随着太阳位置的变化东升西落CPV值得称道的地方除了所使用的光电材料比传统光电技术要少,同时还可以节约大量的水。 

       三 结高效GaAs太阳电池技术

      以 III-V 高效电池代替硅电池并采用聚光技术,以相对便宜的聚光器来代替昂贵的太阳电池,是降低太阳电池发电成本的有效途径。三结 GaAs 太阳电有很好的高温特性(为高电压低电流器件),通过聚光将显著提高电池电流输出特别在高倍聚光后,可获得更高的光电转换效率,获得更高的功率输出。虽然三结 GaAs 电池比单晶硅电池贵几十倍甚至上百倍,对于空间应用来说,性能和可靠性比价格更重要,这种电池已经替代硅电池成为空间光伏电源主流。同时,技术和工艺还在持续改进, 空间用高效三结 GaInP/GaAs/Ge 电池的平均效率已经达到28%, 最高效率超过 30%。
       另外在跟踪系统方面:

       目前,太阳能光伏发电设备一般都固定电池板的位置和朝向,高度角则按要求选用最佳角度, 使得接受阳光的照射面积固定,但降低了光的利用,效率因而比较低,与其他发电技术相比优势不足。因此,跟踪系统应运而生,它可以随时跟踪太阳,以获得更充分的照射。主要类型有单轴,双轴和混合式跟踪系统及其他。

      有少数太阳能光伏发电设备采用单轴跟踪太阳的方案,即将电池板高度角固定一个最佳角度,利用电机驱动垂直轴水平旋转电池板阵列跟踪太阳,这种方案的发电效率有所提高,比固定方位角提高效率10%左右。

      另还有少数太阳能光伏发设备采用双轴跟踪太阳的方案,即利用电机驱动电池板阵列进行方位角跟踪太阳,同时利用电机驱动电池板阵列进行高度角跟踪太阳,该方案亦可使发电效率获得较大提高,有研究基于高精度的太阳位置算法,应用"PC+运动控制卡"和虚拟仪器技术构建了双轴太阳跟踪系统,采用增加一级光电编码器对系统实时运动误差的反馈,能够实时修正跟踪过程中的误差,从而实现了高精度而且稳定可靠的跟踪,目前该系统已被成功应用于高倍聚光光伏发电系统中。  除此之外,还要考虑跟踪成本问题,常用的解决方法是最大功率点跟踪的实现优化。以国内某公司生产的JTD太阳能聚光光伏电站为例,它是将聚光太阳能电池制成一个面积庞大的整体模块装置,由自动跟踪控制装置按所要求的方向控制其转动以跟踪太阳,这样虽然提高了太阳能电池的利用效率,但由于该模块的重量,体积庞大,使跟踪成本很高,已研究的发明装置内设置的最大功率点跟踪功能的光伏控制器可大幅度提高发电效率。通过控制光伏阵列的端电压,使光伏阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能化的始终输出最大功率,采用具有最大功率点跟踪功能(MPPT)的光伏控制器在日照和温度变化下,可获得最大功率输出,发电效率大为提高。

      还有一种研究成果是双光电传感器联合控制太阳跟踪装置,它包括粗跟踪光电传感器模块、精跟踪光电传感器模块、控制电路、聚光电池组件、聚光架、驱动机构。粗跟踪光电传感器模块、聚光电池组件安装在聚光架上,精跟踪光电传感器模块安装在聚光电池组件上;驱动机构安装在聚光架上且接受控制电路的控制。通过粗跟踪传感器模块与精跟踪传感器模块采集太阳位置,由信号采集处理模块采集信号,经计算处理模块计算处理,并发出控制信号驱动控制电机,带动整个机构动作,从而实现大范围、精准的跟踪太阳。

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