聚光光伏

聚光光伏（CPV）是指將匯聚後的太陽光通過高轉化效率的光伏電池直接轉換為電能的技術，CPV是 聚光太陽能發電技術中最典型的代表。

基本介紹

• 中文名：聚光光伏
• 外文名：concentrator photovoltaics
• 英文縮寫：CPV
• ：
• 優點：高光電轉換效率

簡介

使用晶體矽電池和薄膜電池進行光電轉換，分別是第一、第二代太陽能利用技術，均已得到了廣泛套用。利用光學元件將太陽光匯聚後再進行利用發電的聚光太陽能技術，被認為是太陽能發電未來發展趨勢的第三代技術。

聚光光伏的原理

聚光光伏是通過採用聚光技術，以相對便宜的聚光器來代替昂貴的太陽電池，將太陽光匯聚到太陽電池表面進行發電的一種技術。

聚光器

聚光系統包括聚光器、二次聚光器、反射鏡等，聚光光伏套用中主要考慮的是聚光的倍數以及聚光後光斑的輻射強度分布以及光譜情況等。

聚光器依據光學原理可以分為折射聚光器、反射聚光器、複合聚光器、熱光伏聚光器等。聚光光伏所使用的折射聚光器分為菲涅爾透鏡和普通透鏡兩種。其中菲涅爾透鏡是平面化的聚光鏡。菲涅爾透鏡具有質量輕、成本低、套用結構簡單的優點。具體設計屬於非成像光學範疇，它沒有光學元件所定義的焦平面，可以產生遠好於傳統成像光學的光強度增益。菲涅爾透鏡又可分為弓形和完全平面形兩種。弓形菲涅爾透鏡具有更好的光學性能，但是加工難度相對較高。折射聚光器存在的問題主要是太陽光在經過每一個折射面時會有約4%的損失，透鏡的
透光效率也受到透鏡材料、加工工藝以及太陽照射時間的影響，同時存在不同程度的色散現象。為提高光斑太陽輻射均勻性，有很多研究提出了多種不同形式的透鏡設計。但是在實際套用中，在透鏡的複雜程度和聚焦後光斑的質量之間，經常不得不進行折衷處理。

反射聚光器主要有拋面鏡、平板、拋物槽、組合拋物面(CPC)等幾種類型。反射材料主要是鍍銀玻璃和鍍鋁面，也有使用高分子材料的高反射率薄膜製作反射面。反射聚光的優點是不存在色散現象，光斑輻照分布均勻，反射效率可以接近100%。缺點是常規反射聚光器由於需要在反射面上固定太陽電池，太陽電池的安裝要比折射聚光器複雜，而且固定裝置會在反射面上、進而在太陽電池表面產生陰影。另外，如果反射面受到污損，反射率會急劇衰降。一種比較特殊的反射聚光器是利用卡塞格林透鏡的原理。其優點是可以在相對較小的尺寸實現較大的聚光比，有的研究提出可以通過對二次反射透鏡進行光學鍍膜的方式實現對不同波段太陽光的分光，從而可以選擇由對不同波段敏感的太陽電池組成複合光伏發電系統，提高整個系統的光電轉換效率。缺點是結構相對複雜，對跟蹤精度要求較高。

在實際套用中，由於對日跟蹤系統的精度以及風向的影響，實際太陽入射方向常常會稍微偏離聚光器軸向方向，太陽電池表面光斑的光強分布會迅速衰降。以某400 倍菲涅爾透鏡為例，如果入射角偏離0.5°，光學效率將衰降為64%，如果入射角偏離1°，光學效率將降為0。為增加對太陽光入射偏離角度的容忍度，一般採用在太陽電池表面增加二次光學元件的方式。主要有光漏斗和二次透鏡兩種，一般可以將容忍度提高到1°。同時二次光學元件可以增強太陽電池表面的光強分布均勻性。

太陽電池

聚光光伏所使用的太陽電池是聚光光伏技術的核心和基礎，早期主要使用晶體矽太陽電池。由於GaInP/GaAs/Ge 多結電池光電轉換效率高，並且因其具有很好的高溫特性可實現高倍聚光，目前國際上普遍趨向於使用GaInP/GaAs/Ge 多結太陽電池發展高倍聚光光伏技術。典型的GaInP/GaAs/Ge 三結電池由約30 層結構構成，採用MOCVD 技術或MBE 技術製作。

跟蹤系統

一般情況下，對於聚光率超過10 的聚光系統，為保證聚光效果，均須採用跟蹤系統。跟蹤系統分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種。雙軸跟蹤系統又根據轉動軸的組合方式分為極軸式、基座式、水平樞軸式、轉盤式等幾種。總體上講，極軸式控制相對簡單，但是精度稍低；極軸式和基座式結構相對簡單，安裝比較容易，但是受風的影響比較大，而且單系統容量受到結構強度和結構成本影響有所限制；水平樞軸式受風力影響較小，占用空間相對較少，用於屋頂套用比較多，但是安裝相對複雜。轉盤式結構高度和受風力影響最小，能夠有效降低結構成本，單系統容量也可以做得較大。但是轉盤式安裝是各種形式中最複雜的，需要做大量的調整工作以保證每個太陽陣列保持一致。

系統套用

在綜合考慮性能和成本的前提下，根據需要採取不同的聚光器、太陽電池、跟蹤系統形式進行工程化設計，組成聚光光伏系統。

其中散熱是必須優先考慮的因素，因為太陽光匯聚後會在太陽電池表面形成非常高的溫度。如果不能及時散熱，太陽電池光電轉換效率會受到很大影響，甚至會燒毀太陽電池。散熱分為主動散熱、被動散熱兩種方式，也有很多設計提出利用主動散熱方式發展電熱聯用方式從而更好地提高太陽能利用效率。關於散熱技術的套用研究一般主要借鑑以往半導體晶片散熱研究中所積累的技術。系統的可靠性、維修性也是需要重點考慮的因素，如果設計不當，後期的運行成本甚至可能超過前期的系統購置成本。

市場展望

據IMSResearch最新發布的報告透露，2012年聚光光伏市場規模將實現翻番，達到近90MW，銷售額達3.25億美元。此外，IMSResearch預計到2016年這一新興技術的裝機量將快速發展，總裝機量將達到近1.2GW。

IMSResearch日前發布的《2012年全球聚光光伏市場》報告指出，到2012年聚光光伏市場裝機量將達到近90MW，同時營收將增長逾60%至3.25億美元。這家研究公司預測，儘管受到來自傳統光伏系統強有力的競爭，但聚光光伏系統在目標市場仍然充滿吸引力。IMSResearch分析師以及這份報告的作者之一JemmaDavies認為：“聚光光伏系統供應商正被迫不斷削減成本，從而使CPV系統成本能與快速下跌的光伏系統成本相競爭。相對來說，聚光光伏仍是新興技術，面臨著其可融資性的問題。儘管如此，聚光光伏系統供應商仍在美國市場取得了很大的進展，預計2012年市場占有率將達到13%，到2016年將進一步增至27%。”

雖然長遠來看，聚光光伏市場仍將是一個細分市場，但這份報告發現，聚光光伏的發展前景仍然十分樂觀。到2016年，聚光光伏將有望達到適宜其發展的高直接正常輻射(DNI,DirectNormalIrradiation)地區(通常是DNI高於6kWh/平米/日的地區)總裝機量的18%。2012年，高倍聚光光伏系統(HCPV)是市場主流。然而，據預測今後五年低倍聚光光伏系統(LCPV)裝機量將快速增長，到2016年將占據聚光光伏市場20%的市場份額。這份報告的另一位作者SamWilkinson補充道：“目前低倍聚光光伏系統供應商尚未大舉進入市場。然而，隨著SunPower等知名企業進駐，2013年裝機量將大幅增長，最終這些產品將占據一定的市場份額。”

據該報告透露，最具吸引力的聚光光伏市場將是美國、中美洲、中東及非洲市場(尤其是南非)。尤其在光照充足的美國西南部、智利、沙烏地阿拉伯、摩洛哥等地區，聚光光伏系統將呈現高速發展態勢。預計至2016年，聚光光伏系統將占據這些地區光伏裝機市場27%的份額。

IMSResearch在這份2012年報告中提供了30多家聚光光伏系統廠商的資料。截至2011年底為止，由於市場體量尚小，僅前五家廠商就把持了聚光光伏總裝機量的90%。Amonix曾是聚光光伏市場最大的供應商，然而隨著今年初該公司停業及新廠商的進入，市場競爭格局將發生重大改變。據該報告透露，Soitec和SolFocus等廠商將在2012年的聚光光伏市場獲得更大的市場份額。

優點

第一， CPV技術由於光電轉化效率高等特點，是能用於建造大型支撐電源的最理想的太陽能發電技術。

第二，與晶矽和薄膜太陽能發電技術相比，CPV目前3~4美元/Wp的建設成本並無優勢，但隨著生產規模的擴大、電池效率的提高、聚光模組的改進等，成本會大幅下降，潛在優勢大。

第三，同等發電量情況下CPV電廠占地面積小，而且由於跟蹤系統的傾角改變，陰影面積改變不影響地面生態。

第四， CPV系統的發電過程中幾乎不耗水，僅需少量水用於清潔光伏組件的玻璃外殼，有明顯的節水優勢。

此外還有很多優勢不再敘述，最為這樣一個有優勢的技術為何沒有大範圍套用呢，因為目前的技術還不成熟，還有很多問題遇難題需要解決，例如在技術問題上如何改進材料進一步提高光伏電池的耐光能力，高倍聚光下，如何解決光照不均勻，效率低的問題，還有如何實現產業的規模化自動化一體化，如何應對天氣問題對聚光光伏的系統的影響，另外光強不均勻，會導致電池表面受熱不均，故對材料的要求也很高，還有散熱器性能的研發等等。正是由於這一系列的優勢與問題，CPV系統沒能真正發揮它的高效率，然而卻給我們立下很大的探索和研究空間，因此，CPV有著巨大的發展前景。

技術難點

CPV太陽能發電系統原理比較簡單，為什麼到現在全世界也沒有幾家公司做出特別穩定且便宜的發電系統呢!在CPV領域原則上講聚光倍數越高造價就越便宜但是使用聚光的方式就會出現以下問題。

1、讓單晶矽承受較高倍聚光

雖然砷化鎵可以承受1000倍的光強，但是現在砷化鎵價格昂貴，並且砷化鎵中的砷是劇毒物質，不可能大幅度的降低製造成本，另外在以環保為主題的國際環境下也不可能大量使用，最後只能是單晶矽;但是單晶矽一般只能承受3到5倍的光強，在CPV領域3到5倍的聚光幾乎不怎么能降低成本，要想大幅度降低成本必須達到10左右。為了達到10倍的聚光必須用特製的單晶矽。

2、散熱

普通的矽光電池板在夏日中午時溫度能到75度以上，普通的矽電池板在兩倍太陽光強下時間一長就會起泡，在5倍太陽光強下10分鐘就會就會起泡，在10倍太陽光強下5分鐘就會起泡，起泡後太陽能電池片就會被氧化，在很短的時間內就會大幅降低效率，另外起泡後由於受熱不均勻，常常有電池片炸裂的，這樣系統就完全不可用。

如果太陽能電池板使用鋁或者銅製的散熱片進行自然散熱，需要大量的散熱片，造價特別貴，貴到比矽光片還要貴;如果使用強制風冷，就要使用大量的電能，得不償失，並且風扇的壽命與可靠性不高，要想達到高可靠性必須有錯誤檢查與冗餘設定，這樣就會成幾倍增加造價，如果在夏天的中午風扇壞了，整個矽光電池板有可能被徹底燒壞。如果使用水冷除了要使用電力外，造價也不便宜，水冷由於管路多，連線點多，還需要水泵，故障點必然多，可靠性還不如風冷，當然水冷的效率要高於風冷，但是在故障率決定一票否決制的太陽能系統中不可用。

3、反光板

普通的鏡子，塑膠反光板由於反射層與骨架層(比如玻璃)熱脹冷縮係數不一樣在室外2-4年反射面就會脫落，在沙漠高溫差地方可能幾個月就完全不能使用了，並且反光率會慢慢下降。

另外國內外也有用高反射率的薄鋁板，但是這種鋁板不能經受冰雹，並且不能擦洗，如果擦洗會產生永久性損傷，這種鋁板使用期限為8年左右，並且反光率逐年降低，8年就基本只有40%的反光率了，遠遠不能達到太陽能系統要求的25年;鋁板有貼保護膜的，但是保護膜造價高，也不防冰雹，不能解決所有問題。另外為了降低成本鋁板一般都為0.3毫米左右，這樣加工特別困難，加工成本特別高。

4、跟蹤器

光伏電池只有在聚光器的焦點才能工作，因為地球陽每時每刻都在轉動，所以必須使用跟蹤器才能保證光伏電池處於聚光器的焦點;跟蹤器是CPV系統的主要系統之一，沒有跟蹤器系統就不能運行，跟蹤器除了保證系統能運行外還能比不帶跟蹤的系統平均多30-40%的電。但是跟蹤器是機械結構，長年累月的運行會出故障，並且會有磨損，跟蹤器如果出現故障系統就不能運行(發不出電)，如果有磨損了跟蹤精度就會降低，由於CPV系統對跟蹤精度是有要求的，如果精度降低整個發電系統就不能正常運行。

技術展望

有別於傳統矽晶型以及薄膜型，聚光型太陽光電(HCPV)的技術最顯著的優點在於它的高光電轉換效率。這種太陽電池晶片在聚焦太陽光500倍左右時它的光電轉換效能介於36-40%之間，光電模組的效能在22-28%之間。整個系統的效能在18-20%之間。以年度發電量而言，在相同的條件下，系統(結合雙軸追日技術)約是傳統矽晶型的1.2-1.4倍左右 ，此點是HCPV技術的競爭優勢。HCPV技術最適合套用於大型電廠，特別是在陽光日照充足、乾燥、低濕度的地區 。

目前HCPV 的核心技術-三結化合物電池和高倍聚光技術的開發和製造已經突破了國外企業的封鎖，目前在國內實現大規模量產的企業有國內上市企業三安光電旗下的日芯光伏，他們已經能夠實現1000倍聚光和40%以上的光電轉換效率。

日芯光伏科技有限公司參與了我國《聚光型光伏模組和模組設計鑑定和定型》認證技術規範制定工作，為通過本次認證，日芯光伏科技有限公司經過了申請、送樣、型式試驗、工廠檢查、合格評定、發證等認證環節，也為我國今後聚光光伏組件的質量認證工作積累了寶貴經驗。

系統效率比較 能量轉化效率

薄膜型太陽能 7%～9%

晶矽型太陽能 14%～17%

第一代核能電廠 30%

火力發電 36.8%

聚光光伏(CPV) 27%～30%

聚光光熱 (CSP) 13%～19%