聚光光伏的菲涅爾透鏡設計

2020-11-28 索比光伏網

發表於：2011-10-27 15:35:15     作者：索比太陽能

來源：Solarbe.com

（Shine Magazine/《光能》雜誌 & www.solarbe.com/索比太陽能光伏網 記者 明今編譯）

    聚光光伏太陽能技術運用於商業項目電站具有非常大的優勢，尤其適用於大規模的公用事業級電站。聚光光伏技術是太陽能行業的「破壞性技術」——在陽光充足氣候乾燥地區的大規模電站項目上，它有可能取代傳統的薄膜和晶體矽光伏技術。聚光光伏發電運行過程中不需要用水，而且能更好地利用土地，每英畝的發電量比任何其他技術都多。尤其在陽光充沛、土地緊張、水資源缺乏的地區，發展聚光光伏是最好的選擇。

    整合了廉價光學部件的聚光光伏系統能夠極大地減少晶體矽的使用。成功的高聚光光伏系統的光學設計必須取得光學系統上的平衡，包括成本、效率、製造、跟蹤誤差敏感性、熱負荷和耐久性。

    例如，Amonix聚光光伏系統，它使用高效率、低成本的丙烯酸菲涅爾透鏡收集太陽光。菲涅爾透鏡比傳統的透鏡更薄、更大、更平，它最初設計是用來集中燈塔發出的光。運用了專用的二次光學元件的菲尼爾透鏡能夠把普通強度500倍的光集中到III-V族多結太陽能電池上。III—V族多結太陽能電池是由分層的、有不同的帶隙的半導體材料製造的。陽光進入頂層，這個頂層擁有最大的帶隙，陽光繼續穿過太陽能電池直至帶隙比光子的能量還小的時候，光子就會被吸收。通過以這種方式匹配帶隙和光子能量，多結太陽能電池比單結太陽能電池效率更高。因為這樣的話，光子能量在被吸收的過程中的熱損失就減少了。目前商用的III – V多結太陽能電池的轉換效率能達到約40%。
 
    雖然III-V多結電池技術有很悠久的傳統，但是它們在聚光光伏方面的應用還有很大的改進空間。在過去的一年中，優化的光學設計使系統的額定功率增長10%以上。為了繼續尋求新的突破，工程師正在探索權衡各方面因素、可替代的光學設計、材料和熱管理。

    要想取得良好的光學設計，以下是需要考慮的關鍵因素：

    跟蹤靈敏度
    具有良好的容錯性的高聚光伏設計能產生更好的效率和發電能力。但是要想增加聚光效果又必然涉及效率的權衡。

    熱管理
    聚光效果增加能節省成本，一定程度上也能提高電池效率。然而，更高的聚光強度也增加了太陽能電池的熱負荷，這又會降低電池效率。因此，最優的聚光強度就必須達到效率和溫度之間的良好平衡。

    菲涅爾透鏡
    III-V多結太陽能電池可以實現統一的功率通量分布的高填充係數。不幸的是，菲涅耳透鏡產生的磁通分布不均勻。合適的菲涅爾鏡頭的設計提高了通量分布可以減輕在太陽能電池串聯電阻造成的損失，並達到更高聚光強度時相對較高的填充係數。

    如果不注意清洗的話，太陽能電池的性能會隨著時間而下降。對高聚光光伏來說，透鏡距離地面的高度對減輕電池表面汙染有重要影響。在拉斯維加斯進行的一項研究發現，3個月的汙染率達2%。這正好和觀測到的發電能力下降一致。

    光學元件的影響
光學設計對聚光光伏系統的運營性能有重大影響。運用了合適的光學設計的多結太陽能電池能極大地提高發電能力，同時減少半導體材料的消耗。但是要想達到最佳效果，聚光光伏系統需要在成本、材料和運營係數上保持平衡。

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