常规单晶硅太阳电池在低倍聚光条件下应用研究

2003年4月

太　阳　能　学　报　　　　　　　　　　　　　Vol124,No12

ACTAENERGIAESOLARISSINICA

Apr.,2003

文章编号:025420096(2003)0220253204

常规单晶硅太阳电池在低倍聚光条件下应用研究

苑进社

(西安理工大学应用物理系,西安710048)

摘　要:利用常规单晶硅光伏电池,在进行输出特性研究的基础上,设计研制出带有非对称复合抛物面聚光器的光伏发电系统。该系统利用聚光器的有效聚光比随季节的变化,使光电池上接收到的太阳辐射量全年相对均衡,结果不仅降低了发电成本而且可改善系统的可靠性。

关键词:单晶硅太阳电池;光伏发电;非对称CPC聚光器中图分类号:TK615　　　　文献标识码:B

　　近十几年来,光伏发电技术为解决特殊场合和边远地区用电问题发挥了重要作用。但由于太阳电池价格昂贵阻碍了大规模开发应用,世界各国特别是发达国家一直在探索降低成本的途径。降低硅太阳电池成本的途径主要有:(1)从太阳电池本身入手,采用新工艺、新材料、新技术,提高太阳电池的转换效率。所采取的主要措施有通过减少能形成复合中心的重金属杂质及晶格缺陷,延长少数载流子的复合寿命;优化控制掺杂浓度避免出现高掺杂效应;通过使用减反射膜减少反射损失;通过延长入射光的光程,增加光的吸收等。(2)从光伏发电系统入手,改进硅光电池制造工艺,使其适应于在聚光条件下应用。同时引入聚光器,提高入射到太阳电池单位面积上的太阳辐射能流密度,用最小的太阳电池面积获取尽可能多的电能。也就是利用廉价丰富的材料代替昂贵的半导体材料[1～3]。

从技术上的难易程度及经济上所预见的可行性,引入聚光器是降低光伏发电成本的一条重要途径。G.R.Whitfield等人利用激光埋栅硅光电池分别对辅带点聚焦菲涅耳聚光器、线聚焦复合抛物面聚光器等装置进行了实验研究[1]。结果表明,其发电成本降为(1.5～1.8)美元/峰瓦,而常规光伏电池发电成本为4.3美元/峰瓦。这些装置除对光电池有特殊要求外需要配备跟踪系统。而且未能解决冬夏太阳辐射差异引发的系统可靠性差的问题。

本工作利用常规单晶硅光伏电池,在进行输出特性研究的基础上,设计研制出带有非对称复合抛物面聚光器的光伏发电系统。利用聚光器有效聚光

　　收稿日期:2002201210

比随季节的变化,使光电池上接收到的太阳辐射量增加且全年相对均衡。对于基本恒定的负载避免了

夏季供电过剩冬季供电不足的问题,结果不仅降低了发电成本而且提高了系统的可靠性。

1　设计思路1.1　太阳电池输出特性太阳电池受光照时,输出功率与入射光功率之比η称为太阳电池的效率

(F・F)IscVocPmImVmη=(1)==

APin

APin

APin

式中A———太阳电池的有效面积,Pin———单位面积入射光功率。

为提高太阳电池的转换效率,必须提高短路电流Isc、开路电压Voc和填充因子FF。当光照射的太阳电池被短路时,结处于零偏压,其短路电流密度Jsc等于光生电流密度JL,正比于单位时间内入射的能量大于禁带宽度的光子数Nph和入射光强Φ。

(2)Jsc=JL∝Nph∝<由(2)式可知,短路电流Jsc与太阳光强成正比,而且

开路电压Voc也随太阳光强的增加按对数规律增

ν<1.1eV的光子占有26%的加。在太阳光谱中,h

能量,高于1.1eV的剩余能量占41%,这部分能量对产生电子2空穴对没有贡献。即使一个理想的硅太阳电池也只能将44%的太阳辐射能转换成电能。因此,引入聚光器,提高入射到太阳电池单位面积上的太阳辐射能流密度,可提高光生电流密度,从而提高其输出功率,降低发电成本。随着光强的增加光

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电池结温随之升高,由开路电压Voc的表达式[4]可得

dVocCn1dEgkBCp)]=-ln[(+

dTqdTqJscNdNa

=

1dEg1Eg(--Voc)

qdTTq

(3)

化。因此采用该聚光器后,散射辐射的贡献在冬夏

季大致相同,但冬季所收集的直接太阳辐射比夏季收集的多。该聚光器冬季具有较高的聚光比,夏季聚光比较小,保持全年入射到太阳电池表面的辐射量相对均衡,这有利于提高太阳能光伏发电系统的可靠性,有利于在提高太阳辐射能流密度的同时,使光电池温度控制在合理的范围内。

对于硅太阳电池,温度每增加1℃,Voc下降室温值的0.4%,效率的降低也同样。若硅太阳电池在20℃时效率为20%,当温度升到120℃时,效率仅为12%。因此,在引入聚光器提高入射光强的同时,需

2　装置构成及参数

选用50×50单晶硅常规太阳电池38片串联封装成组件,输出功率10W。封装形式为两层EVA

夹层,背面TPT,正面覆盖钢化玻璃,外形尺寸520×240,边框为铝合金型材。非对称CPC聚光器反射面为玻璃钢加工成型的基材表面贴镀铝薄膜。具体参数为抛物面1的最大接收半角14.5°,理论聚光比为4,理论高度为218cm,截短后高度为64cm,聚光比约为3.6。抛物面2的最大接收半角23.5°,理论聚光比为2.5,理论高度为90cm,截短后高度为32cm,聚光比约为2,镀铝薄膜反射率为0.85。CPC聚光器截短后对聚光比和光强分布影响不大[6]。考虑在无需跟踪的条件下,欲使接受器全年接收到的太阳辐射量最多,太阳电池板倾角应接当地纬度设置,整个装置应面朝南东西向放置。这样系统的有效聚光比在工作日随太阳高度角的变化而变化,全年随季节的变化自动调整。系统有效聚光较单一工作日而言早晚较大,中午较小;就全年而言冬季较大,夏季较小。其效果使接受器接收到的太阳辐射量相对均衡,在提高太阳电池输出功率的同时,有利于温度控制。装置实物照片见图2,作为对比图3

考虑降低太阳电池的工作温度。

1.2　聚光器选型设计

地面实际应用的常规单晶硅电池输出功率往往达不到标称值,这是因为入射光强未达到标准条件(大气质量1.5,光强1kW/m2,环境温度25℃)。即使夏季在太阳辐射较丰富的地区达到标准条件的时段也是有限的,且地理纬度越高冬夏太阳辐射差异越大。对于负载基本恒定的光伏发电系统往往会出现夏季供电过剩,冬季供电不足。传统解决方法是以浪费太阳电池为代价,造成其发电系统价格昂贵。因此,聚光器的设计原则应是冬季具有较大的聚光比,夏季聚光比较小,即满足全年入射的太阳辐射量相对均衡又保证光电池的工作温度比较合理。通过对各种低倍聚光器的性能比较分析发现复合抛物面聚光器(CPC)比较合适。这种CPC型聚光器不仅提供大的接收角,且可作为不需跟踪聚光器使用[5]。考虑到冬夏太阳辐射的差异,可将CPC做成非对称型。它是一个二维系统,其两侧是抛物面,它们的焦点分别位于出射孔径的两侧。这两个抛物面具有不同的焦距。因而,其聚光比在光源足够扩展

[5]

的情况下为1/sinθ。非对i(θi为最大接受半角)称CPC2PV基本原理示意图见图1。

图1　非对称CPC2PV基本原理示意图

Fig.1　DiagramofunsymmetricalCPC2PVsystem

当太阳位于聚光器的接受角范围内时,直接太阳辐射的有效聚光比由于孔径投影区的变化而变

图2　非对称CPC光伏发电装置

Fig.2　UnsymmetricalCPC2PVsystem

　2期　　　　　　　　　　　　　苑进社:常规单晶硅太阳电池在低倍聚光条件下应用研究　　　　　　　　　　　　　　255

辅带CPC聚光的太阳电池伏安特性曲线。测试日

典型值短路电流Isc由原390mA增加至800mA,开路电压Voc由原19.8V下降至17.5V。非对称CPC聚光使输出功率增加约一倍。温度数据显示环境温度为30°时,光电池组件工作温度典型值达70°。温升曲线见图5。由于太阳电池的本征载流子浓度随温度上升而增大,导致开路电压Voc下降。如果采取散热措施降低光电池的工作温度,聚光的效果会更显著。

图3　V型槽聚光器光伏发电装置

Fig.3　V2Booster2PVsystem

为辅V型槽聚光器的光伏发电装置。

3　性能测试及结果讨论

性能测试主要用仪器①横河3873型温度数据

采集系统②横河3086X2Y函数纪录仪③TC2200型太阳能电池通用测试仪。由标准太阳电池检测太阳辐射强度,通过改变通用测试仪的电子负载,由X2Y函数纪录仪绘出输出特性曲线。同时温度数据采集系统打印各点温度值和环境温度值。在相同太阳辐射条件下测出平板光电池组件的短路电流值I1和同一光电池组件在非对称CPC装置中的短路电流值I2,比值I2/I1定义为非对称CPC的有效聚光比。

图5　光电池组件工作温度

Fig.5　WorkingTemperatureofthePVpanel

影响Isc和Voc的因素还有光电池的串联和并

联电阻。当光强较强时应主要考虑串联电阻的影响。性能测试结果发现常规单晶硅太阳电池在低倍聚光条件下使用,蒸镀栅线的光电池优于丝印栅线的光电池。

4　结　语

利用非对称CPC聚光器不仅能增加常规单晶硅太阳能电池的输出功率,而且能改善光伏发电系统的可靠性。这对于降低太阳能光伏发电成本是一条切实可行的途径。常规单晶硅太阳能电池在低倍聚光条件下使用,聚光器的聚光比和光电池工作温度是影响其输出特性的主要因素,在系统设计中应综合考虑。光电池的散热方式及光电池组件接收面

图4　系统与平板电池输出特性曲线

Fig.4　Outputperformanceofthesystem

上太阳辐射强度的均匀性尚需做大量的工作进行试验探索。CPC聚光器的选材以及装置的整体结构和长期性能有待进一步实验研究。

[参考文献]

[1]　WhitfieldGR,etal.TheDevelopmentandTestingof

由输出特性曲线可得夏季非对称CPC的有效

聚光比约为2,见图4。图中虚线为在相同测试条件下没有CPC聚光的太阳电池伏安特性曲线,实线为

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SmallConcentratingPVSystems[J].SolarEnergy,1999,67(3):23—34.

[2]　PoulekV,LibraM.Anewlowcosttrackingridgecon2

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理论和实验研究[J].太阳能学报,1996,17(2):151—

156.

APPLICATIONSOFCONVENTIONALSILICON

CELLSWITHSOLARBOOSTER

YuanJinshe

(AppliedPhysicsDep.,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048,China)

Abstract:Basedontheoutputperformanceofconventionalsinglecrystallinesiliconsolarcells,anunsymmetricalCPC2PVsystemwasdesignedanddevelopedforthesiliconsolarcells.Theeffectiveconcentrationratioofthesystemwouldbealteredwithchangingtheseasons,whichnotonlyraisestheoutputpowerofthepanelbutalsobalancestheamountofsolarirradiationontothereceiverinwholeyear.Asaresult,usingconventionalsiliconso2larpanelswithunsymmetricalCPCisconsiderablescopeforcostreductionandreliability.Thedesign,thestruc2tureandthetestdataofthedevicewerepresentedaswell.Keywords:singlesiliconsolarpanels;PVpower;unsymmetricalCPC