太阳能聚光光伏系统发电技术及实现的文献综述
摘要：目前研究及应用较为广泛的是太阳能光伏发电技术，光一电转换是利用光生伏打效应原理制成光伏电池，将光能直接转换成电能加以利用。“光伏发电”是将太阳光的光能直接转换为电能的一种发电形式。太阳能光伏发电是系统中唯一供给负载使用的能量来源，这是发展最早也是应用最普遍的方式。使用晶硅电池和薄膜电池进行光电转换，分别是第一、第二代太阳能利用技术，均已得到了广泛应用。利用光学元件将太阳光汇聚后再进行利用发电的聚光太阳能技术，被认为是太阳能发电未来发展趋势的第三代技术。对于家庭住宅而言，配备聚光光伏发电系统，可缓和白天电力紧张的局面，提高电网功率因素和降低电路损耗。聚光光伏电站的并网发电，最终将取代常规能源发电。本文通过查阅相关文献，了解聚光光伏发电系统的工作原理和基本组成结构，了解多种聚光器的类型，从而选择聚光光伏系统中聚光器的合理方案并优化，了解电气控制设计各模块的功能，明确设计方案，实现聚光模拟程序和单晶硅太阳电池的输出模拟程序，进行调试必要时提出整改设计方案。
关键词：聚光光伏系统，光伏电池，聚光器，聚光模拟程序
一、前言
能源是现代社会存在和发展的基石。随着全球经济社会的不断发展，能源消费也相应的持续增长。随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越明显。在化石能源供应日趋紧张的背景下，大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。但是太阳能同样也具有能流密度小,光照过程不连续,使太阳能的利用有着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题,从而对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。因此必须改善现有技术、降低装置成本,提高利用效率是太阳能利用中函待解决的关键问题。太阳能的收集方法很多,有热收集、光电收集或光化收集等装置收集器的主要功能是将太阳辐射能转变为可用的能形式。聚光光伏发电系统能提高发电效率和有效降低发电成本，其中发挥最重要作用的是聚焦发电太阳能高倍收集器,即太阳能聚光器。太阳能聚光器是将太阳光通过透镜或者其它的方式聚集起来增加能流密度以提高太阳能电池发电效率的一种现有技术。而它将配合太阳跟踪技术以及高效的聚光电池为高倍聚焦发电提供了可能,这样就大大节约了成本,提高了太阳能利用率。对聚光光伏系统的核心部件（包括碟式聚光器,聚光器,菲涅尔透镜）的原理,外形和光路进行了比较研究并选定菲涅尔透镜作为聚光器,设计了一个完整的聚光光伏系统最后,针对聚光和非聚光条件下,太阳电池在不同环境温度,不同聚光比以及不同冷却方式下的工作温度和输出特性进行了数值模拟和实验研究。结果表明聚光后,电池输出特性有显著改进。
二、国内外相关研究
分析现有的各种聚光光伏系统形式，通过借鉴中国现有成熟的太阳能热水器技术和大规模生产经验，以由线聚焦菲涅尔透镜及 CPC 作为二级聚光器组成的聚光倍率 200～300倍的复合线聚光器、低成本单结或双结砷化镓太阳电池、简单时间控制的单轴跟踪系统组成的光热联合聚光系统，由于能源综合利用效率高、控制要求相对简单、成本可以接受，将非常适合于城市内屋顶应用，而目前该种聚光光伏系统形式尚未见到有大规模开发应用的公开报道。以菲涅尔透镜为聚光器、三结太阳电池、极轴式或基座式跟踪系统，综合控制方式组成的高倍聚光光伏发电系统因其发电能力强、易于生产、运动部件可以密封保护、易于维护等优点将非常适用于大规模光伏电站。在克服各项工程化技术难题后，这两种聚光光伏系统形式效率及成本优势明显，将是聚光光伏未来重要发展方向。我国太阳能资源十分丰富，中国科学院周孝信院士等通过对 2050 年中国能源需求及各类能源开发情况进行分析，预测在 2050年，在水电、核电、风能等新型能源充分开发以及光伏建筑集成充分发展情况下，大规模光伏发电电站方式仍需至少装机 500 GW。国内已经具有以中国电科集团第十八研究所为代表的三结砷化镓太阳电池研发力量，聚光光伏产业所涉及的聚光、散热、对日定向跟踪及控制、双轴运动系统等技术在国内均有成熟的或可以借鉴的技术，以此为基础发展聚光光伏产业可以有效促进相关技术向聚光光伏产业的扩展，通过整合可以在国内形成完整的、具有自主知识产权的聚光光伏产业链，从而带动经济的发展。同时，聚光光伏产业在全世界刚刚兴起，我国与先进国家技术差距并不是很大，如果现在发展，在借鉴先进技术基础上，可以迅速赶上并超越先进国家技术水平。因此，中国发展聚光光伏正当其时，经过不懈努力，中国的聚光光伏事业也必将得到极大的发展，形成具有中国特色的地面光伏产业发展模式。
太阳能电池—从1839年法国科学家E.Becquerel发现液体的光生伏打效应（简称光伏现象）算起，太阳能电池已经经过了几百多年漫长的发展历史。从总的发展来看，基础研究和技术进步都起到了积极推动作用。对太阳电池的实际应用起到决定性作用的是美国贝尔实验室三位科学家 Chapin、Fuller 及 Pearson关于单晶硅太阳电池的研制成功，在太阳能电池发展史上起到里程碑的作用。至今为止，太阳能电池的基本结构和机理没有发生改变。
2002年5月，首次太阳能聚光发电国际会议的召开表明：聚光光伏发电技术已经作为一项很有潜力的技术,引起了更为广泛的关注。为了制定光伏聚光元件和组件的标准，促进光伏聚光系统的市场化,欧洲委员会从2000年6月到2003年5月资助了一个C.rating项目。由于不同地区所采用的聚光光伏发电系统,实际聚光系统的系统成本和最优结构要受系统类型,跟踪方法,聚光率及气候类型的影响,为了确定以硅电池为基础的最优系统结构,欧洲委员会从2002年至2006年资助了IDEOCONTE项目,计划主要通过对以下几方面进行研究:比较能量成本和不同系统类型之间的关系；比较能量成本和跟踪方法之间的关系；比较能量成本和聚光率之间的关系；比较能量成本和气候类型之间的关系。从而明确在一光照范围内,聚光系统的实际成本及最优系统结构。
