■ 王海 黃金洪立水 蔡明臻 劉宇航

廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院

聚光光伏發(fā)電國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

■ 王海 黃金*洪立水 蔡明臻 劉宇航

廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院

從國內(nèi)外聚光光伏發(fā)電技術(shù)的主要研究方向入手，分別介紹了聚光倍率、聚光器、太陽能跟蹤方式、冷卻與熱管理系統(tǒng)4方面的研究現(xiàn)狀，展望了太陽能聚光光伏技術(shù)的應(yīng)用前景。

Ⅲ-V族；聚光光伏；聚光器；聚光倍率；跟蹤方式；熱管理

0　引言

太陽能光伏發(fā)電在經(jīng)過分別以晶體硅太陽電池和薄膜電池為核心技術(shù)的第一代和第二代光伏發(fā)電技術(shù)后，形成了以利用光學(xué)元件將太陽光匯聚后再進(jìn)行發(fā)電的聚光光伏發(fā)電技術(shù)（CPV），即第三代光伏發(fā)電技術(shù)［1］。當(dāng)前太陽電池的市場價(jià)格仍較高，而聚光光伏發(fā)電技術(shù)采用太陽能聚光方式，在采光面積相同的條件下，以價(jià)格相對(duì)較低的聚光器將太陽電池取代，不僅降低了太陽能光伏發(fā)電成本，而且提高了光電轉(zhuǎn)換效率，使太陽能光伏發(fā)電具有跟常規(guī)能源競爭的能力，因此得到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注［2］。

1　聚光光伏發(fā)電的研究現(xiàn)狀

1976年，美國Sandia實(shí)驗(yàn)室首次成功建成了一個(gè)功率為1 kWp、轉(zhuǎn)換效率為12.7%的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)的聚光器為點(diǎn)聚焦的菲涅爾透鏡，聚光比為50；太陽電池為硅電池；跟蹤系統(tǒng)為雙軸跟蹤［3］。此后的聚光光伏發(fā)電技術(shù)的研究中，基本圍繞CPV的聚光倍率、聚光器、太陽跟蹤方式，以及散熱方式等方面展開。

1.1聚光倍率

在高倍率（＞300倍）聚光中，以Ⅲ-V族材料為基礎(chǔ)的太陽電池在500倍聚光倍率的情況下，其發(fā)電效率能達(dá)到35%～43.5%。Green等［4］在418倍的聚光倍率條件下，利用多結(jié)太陽電池（GaInP/GaAs/GaInNAs太陽電池）得到了其I-V曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：多結(jié)太陽電池在該條件下的發(fā)電效率達(dá)43.5%。

在中倍率（40～300倍）聚光中，使用改良的晶體硅太陽電池在100倍聚光倍率下，其發(fā)電效率能夠達(dá)到22%～27%。上海太陽能工程技術(shù)研究中心在采用200倍聚光倍率的條件下，利用其研制出的三結(jié)GaAs聚光電池，最高效率達(dá)33%［5］。

在低倍率（＜40倍）聚光中，Bunea等［6］通過研究硅基光伏發(fā)電系統(tǒng)表明，隨著聚光倍率的提高，系統(tǒng)的發(fā)電效率也會(huì)隨之增大，而且面積約為常規(guī)背結(jié)電池1/4的改進(jìn)電池在 5倍聚光下效率可高達(dá)22.8%。表1列出了部分不同聚光倍率下的光伏發(fā)電效率。

1.2聚光器

近年來，隨著Ⅲ-V族多結(jié)太陽電池制造技術(shù)的成熟，高倍聚光光伏發(fā)電成為趨勢，與低倍聚光光伏發(fā)電相比，高倍率聚光器可進(jìn)一步減少光伏發(fā)電系統(tǒng)中單位面積太陽電池的使用量，以及進(jìn)一步降低光伏發(fā)電系統(tǒng)的單位功率發(fā)電成本［7，8］。

表1　部分聚光倍率下的光伏發(fā)電效率［9］

高倍聚光器設(shè)計(jì)可分為成像設(shè)計(jì)和非成像設(shè)計(jì)，如將菲涅爾透鏡作為聚光器就是采用成像設(shè)計(jì)方法。但成像方法設(shè)計(jì)的聚光器在較高倍數(shù)聚光時(shí)，存在高寬比大、電池表面光照均勻性差等問題［10］。由于陽光不能均勻地投射在電池組件表面，將引起電池間的電阻不均勻?qū)е码姵匦式档停?1］。針對(duì)這種問題，Chong等［12］設(shè)計(jì)了一種非成像平面聚光器，它由360塊規(guī)格為4.0 cm×4.0 cm的平面鏡組成，并且布置成24行和15列具有約5760 cm2的全反射區(qū)域，如圖1所示。該聚光器目前被安裝在馬來西亞的拉曼大學(xué)（UTAR），模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明：非成像平面聚光器能夠產(chǎn)生更均勻的輻射分布和相當(dāng)高的聚光倍率。

圖1　由360塊平面鏡組成的非成像平面聚光器

而在太陽能工業(yè)熱利用中，太陽能中溫應(yīng)用領(lǐng)域（100～350 ℃）的熱利用技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用范圍，可有效緩解當(dāng)前能源短缺，以及因能源消費(fèi)帶來的環(huán)境污染的壓力。但非聚光集熱器往往不能滿足一般工業(yè)生產(chǎn)所需的200 ℃以上溫度要求，通常所使用的拋物面聚光器對(duì)太陽能跟蹤控制又有較高要求，因此有人提出將復(fù)合拋物面聚光器（CPC）應(yīng)用到太陽能中溫應(yīng)用領(lǐng)域［13］。卡里多尼亞大學(xué)的Abu-Bakar等［14］將旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的復(fù)合拋物面聚光器（RACPC）應(yīng)用于聚光光伏中，如圖2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：通過使用旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的復(fù)合拋物面聚光器（RACPC），不僅增加了CPV系統(tǒng)的電力輸出，同時(shí)減少了光伏材料與相應(yīng)的CPV系統(tǒng)成本，最重要的是為CPV系統(tǒng)的太陽追蹤系統(tǒng)提供很寬的視場。

圖2　旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的復(fù)合拋物面聚光器

目前，在聚光光伏發(fā)電研究中，通常采用菲涅爾透鏡折射聚光系統(tǒng)和拋物面反射聚光系統(tǒng)。但兩者對(duì)太陽能跟蹤精度要求高，且因聚光鏡面積較大，導(dǎo)致在戶外使用時(shí)易積塵、風(fēng)阻大，需經(jīng)常對(duì)聚光鏡進(jìn)行清洗，同時(shí)也對(duì)整個(gè)裝置穩(wěn)定性有較大考驗(yàn)［15］。此外，在聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為保證太陽電池正常工作，一般需要加裝冷卻散熱裝置，使其工作溫度不超過100 ℃，這不僅額外增加整個(gè)系統(tǒng)太陽能跟蹤過程中的負(fù)載能耗，而且加大了裝置的復(fù)雜程度。侯靜等［16］依據(jù)多曲面聚光器在聚光應(yīng)用中免跟蹤、制造成本低、接收角大的優(yōu)勢，提出一種多曲面槽式聚光器，如圖3所示。通過建立詳細(xì)完整的三維模型，采用光學(xué)追跡、幾何光學(xué)分析等方法對(duì)模型中的光學(xué)性能進(jìn)行仿真計(jì)算研究。結(jié)果表明：當(dāng)入射偏角≤2.8°時(shí)，此聚光系統(tǒng)的幾何光學(xué)效率為99.81%，聚焦中心偏移量隨入射偏角呈線性變化。此外，為了增加整個(gè)裝置的穩(wěn)定性，降低其生產(chǎn)成本，可采用延長其出光口到光伏組件距離，降低太陽能跟蹤精度來實(shí)現(xiàn)。

圖3　多曲面槽式太陽能聚光器

同時(shí)，在高倍聚光光伏技術(shù)的研究中，利用菲涅爾透鏡將太陽光聚焦到電池片上，通過光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生電能的技術(shù)使用較廣泛。但在實(shí)際應(yīng)用中，往往由于跟蹤器跟蹤精度低、支架遇風(fēng)會(huì)抖動(dòng)等因素存在，導(dǎo)致無法保證太陽光始終垂直入射于菲涅爾透鏡。為解決這個(gè)問題，郭麗敏等［17］提出在菲涅爾透鏡和太陽電池之間增加一個(gè)可拆卸的、倒置的、去掉頂部的棱錐形二次反射鏡來提高聚光光伏的接收角（如圖4所示），后經(jīng)設(shè)計(jì)并運(yùn)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行光學(xué)模擬，結(jié)果表明：該二次反射鏡能很好地提高聚光光伏的接收角，并改善了菲涅爾透鏡聚焦光斑的能量均勻性。

圖4　菲涅爾透鏡和二次反射鏡的實(shí)體模型

此外，為提高太陽能聚光器的接收機(jī)性能，意大利博洛尼亞天文臺(tái)的Giannuzzi等［18］提出一種基于反射誘導(dǎo)控制的靜態(tài)像差的通用方法。他們認(rèn)為導(dǎo)致密集陣列的成像鏡耦合性能嚴(yán)重下降的原因是：太陽輻照度分布是鐘形，在特定串聯(lián)的太陽電池發(fā)生失配損失。通過對(duì)一個(gè)基于7個(gè)直徑為2.6 m的鏡子、額定功率為10 kW的密集陣列聚光器（如圖5所示）進(jìn)行濃度比、光斑匹配，結(jié)果表明：“平”的光分布使光伏利用設(shè)備單元接近其極限效率，獲得了顯著的增益，而且這是一種無需二次光學(xué)或復(fù)雜的碟分割及特殊功能的接收裝置的電氣方案。

圖5　太陽能聚光器模型

1.3太陽能跟蹤方式

太陽能與潮汐能、風(fēng)能等可再生能源一樣具有間歇性和分散性的特點(diǎn)。另外其光照強(qiáng)度和方向隨時(shí)間、季節(jié)、氣候等因素不斷變化，太陽能自身的這種隨機(jī)性缺點(diǎn)使其不能得到人們的充分利用，導(dǎo)致聚光光伏發(fā)電效率低下。如果能使太陽電池板垂直于太陽光照方向，那么就可在有限的使用面積內(nèi)收集更多的太陽輻射，則能充分利用豐富的太陽能資源［19-21］，從而實(shí)現(xiàn)提高發(fā)電效率、降低發(fā)電成本的目的［9］。為了提高太陽能發(fā)電效率，太陽能跟蹤系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

現(xiàn)在的太陽能自動(dòng)跟蹤方式主要有兩種。一種是通過使用傳感器測量系統(tǒng)接收太陽輻射與實(shí)際太陽輻射的偏差調(diào)整太陽電池位置的光電追蹤方式；另一種是依據(jù)太陽運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算設(shè)定的程序跟蹤法［22，23］。其中光電跟蹤方式有著電路簡單、測量精確度高的優(yōu)點(diǎn)。喬丹科技大學(xué)的Batayneh等［24］根據(jù)光電跟蹤方式設(shè)計(jì)出雙軸式太陽能光伏發(fā)電智能控制跟蹤系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)由2個(gè)電機(jī)、4個(gè)光敏傳感器和1個(gè)單片機(jī)組成。將4個(gè)光敏傳感器定位在4個(gè)不同地點(diǎn)，使用單片機(jī)采集4個(gè)光敏傳感器的數(shù)據(jù)，并計(jì)算輸出2個(gè)電機(jī)相應(yīng)的速度，從而實(shí)現(xiàn)光伏面板對(duì)太陽的自動(dòng)跟蹤。當(dāng)4個(gè)光敏傳感器輸出電壓為零，則表明沒有太陽輻射，此時(shí)光伏系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)；當(dāng)輸出電壓不為零，意味著當(dāng)前接收的太陽輻射和這些光敏傳感器的輸出電壓值所指示面板的最佳位置不匹配，系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)2個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來重新調(diào)整光伏面板的位置，使其垂直于太陽光照方向，以獲得最大的太陽輻射［23］。而程序跟蹤法是由太陽運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算設(shè)定的，其計(jì)算過程相對(duì)復(fù)雜，跟蹤過程中不能消除產(chǎn)生的累積誤差，導(dǎo)致不能充分接收太陽輻射能［23，25］。因此，當(dāng)前許多研究人員提出將光電跟蹤與程序跟蹤相結(jié)合，揚(yáng)長補(bǔ)短。云南師范大學(xué)的楊康等［26］設(shè)計(jì)出一種新型單軸跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)選取太陽電池作為光強(qiáng)檢測器件，將其以相同朝南傾角安置于跟蹤系統(tǒng)附近，提供光強(qiáng)信號(hào)，同時(shí)對(duì)跟蹤步長進(jìn)行優(yōu)化。通過對(duì)后期系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析可知，新型單軸跟蹤系統(tǒng)相對(duì)傳統(tǒng)固定式系統(tǒng)而言，其太陽能利用率提高約21%。

圖6　雙軸式太陽能跟蹤系統(tǒng)

此外，為了用較少能量實(shí)現(xiàn)太陽跟蹤，墨西哥蒙特利技術(shù)研究所的León等［27，28］設(shè)計(jì)出一個(gè)半自動(dòng)太陽跟蹤器（SPSTC），其配置一個(gè)最小的機(jī)械力用于系統(tǒng)跟蹤太陽所需的運(yùn)動(dòng)，如圖7所示。它主要由一個(gè)微定日鏡陣列、一個(gè)菲涅耳透鏡及一個(gè)接收器構(gòu)成。所述陣列用于追蹤太陽的位置，并且太陽光反射到菲涅耳透鏡，同時(shí)使其保持水平，以降低整個(gè)系統(tǒng)中的風(fēng)載。另外太陽光接收器位于透鏡聚焦處，并保持靜止，這樣就可減少太陽跟蹤系統(tǒng)的重量，從而減少所需運(yùn)動(dòng)的能量。

圖7　由熱接收器、菲涅爾透鏡和微定日鏡陣列構(gòu)成的半自動(dòng)太陽跟蹤器

太陽能跟蹤系統(tǒng)除了上述視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤和光電追蹤方式外，北德克薩斯大學(xué)的Cheng等［29］推出一種基于電潤濕跟蹤的光流體太陽能聚光系統(tǒng)，如圖8所示。研究表明：如果在透明單元中存在兩種不混溶的流體，就可通過電潤濕的方法來主動(dòng)控制流體-流體界面的方向，而這兩種液體之間自然形成的彎月面就可作為一個(gè)動(dòng)態(tài)光學(xué)棱鏡用于太陽能跟蹤。該集成式光流體太陽能聚光系統(tǒng)由液體棱鏡跟蹤器結(jié)合固定或靜態(tài)聚光元件（菲涅爾透鏡）構(gòu)成。這種方法不僅能減少CPV系統(tǒng)成本，而且能通過消除機(jī)械跟蹤功耗來提高發(fā)電效率。實(shí)驗(yàn)表明：與傳統(tǒng)的采用晶體硅太陽電池的光伏系統(tǒng)相比，基于電潤濕跟蹤技術(shù)的太陽能聚光系統(tǒng)將產(chǎn)生70%以上的綠色能源，并減少50%的成本。

圖8　一種液-液界面取向的電調(diào)制剖視圖

1.4冷卻與熱管理系統(tǒng)

目前太陽能光伏市場中，投入量產(chǎn)的單晶硅電池轉(zhuǎn)換效率約為17%，多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率約為16%。而現(xiàn)今較為熱門的薄膜電池量產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率也僅約為10%。如圖9所示，聚光光伏發(fā)電的過程為放熱過程， 并且隨著太陽電池上熱量的積聚，溫度不斷上升，其發(fā)電性能會(huì)顯著下降［2，30］。太陽電池板溫度每升高1 ℃，輸出功率減小0.4%。溫度是導(dǎo)致其發(fā)電效率大幅衰減的重要原因之一［31］。因此，CPV系統(tǒng)可以通過引入有效的熱管理或冷卻系統(tǒng)加以改進(jìn)來提高發(fā)電效率。

圖9　不同工作溫度下太陽電池的轉(zhuǎn)換效率

拉曼大學(xué)的Chong等［32］提出將一種汽車散熱器用于聚光光伏（CPV）發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行散熱，如圖10所示。為了驗(yàn)證該汽車散熱器冷卻系統(tǒng)是否能有效地降低CPV系統(tǒng)的溫度，將該散熱器置于總反射區(qū)為4.16 m2、聚光倍率為377倍的非平面聚光器中測試。現(xiàn)場測量結(jié)果表明，CPV系統(tǒng)的發(fā)電效率成功地從22.39%提高到26.85%，CPV系統(tǒng)中太陽電池的溫度從59.4 ℃降低到37.1 ℃。

圖10　汽車散熱器的冷卻系統(tǒng)的所有組件及水在實(shí)驗(yàn)裝置中的流動(dòng)方向

另外，冷卻裝置應(yīng)具有較低的熱阻系數(shù)，且使太陽電池的溫度具有良好的均勻性，才能最大限度地提高整個(gè)CPV系統(tǒng)的效率和可靠性［33］。萊里達(dá)大學(xué)的Barrau等［34］設(shè)計(jì)了一種混合射流沖擊/微通道冷卻裝置（見圖11），并測試其在戶外真實(shí)太陽的條件下太陽電池的溫度分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置的微通道中沿著流路各部分寬度的變化可減少局部熱阻，并且CPV系統(tǒng)的太陽電池溫度分布（σT=0.7）相當(dāng)均勻，整個(gè)系統(tǒng)具有較高的效率和良好的可靠性。

圖11　冷卻裝置

而針對(duì)商用高倍聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)，印度馬德拉斯理工學(xué)院的Reddy等［35］設(shè)計(jì)出基于微通道的商用高倍聚光光伏（HCPV）電池的高效冷卻器。通過構(gòu)建一個(gè)將微通道封閉在等寬的并行流道陣列組合模型（見圖12），使用商業(yè)CFD軟件ANSYS 13模擬優(yōu)化微通道散熱器的幾何形狀數(shù)值，發(fā)現(xiàn)微通道的最優(yōu)配置為：寬度為0.5 mm，長度為12 mm，間距為0.5 mm。在120 mm×120 mm CPV模塊中，微通道中的溫升為10 ℃；在每個(gè)通道的液體流速為0.105 L/s的情況下壓降為8.5 kPa；整個(gè)微通道中的負(fù)載為4 W，占整個(gè)CPV系統(tǒng)發(fā)電量約0.2%。

圖12　平行微通道散熱器結(jié)構(gòu)

由于微通道冷卻器具有體積小的特點(diǎn)，在理論上可用其對(duì)毫米級(jí)等微尺度的熱源進(jìn)行冷卻。但在實(shí)際使用過程中，因冷卻器部分產(chǎn)生的溫降和壓損較大，輔助設(shè)備諸如泵或風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的額外能耗增大［11，36］。如果能在太陽電池發(fā)電過程中與外界恒溫冷源直接通過強(qiáng)制對(duì)流換熱，那么無論從冷卻效果還是經(jīng)濟(jì)上來講都是一種很好的方法。印度理工學(xué)院的Sahay等［37］設(shè)計(jì)出一套由9塊100 W的太陽電池板及1個(gè)鼓風(fēng)機(jī)組成的發(fā)電系統(tǒng)，其中風(fēng)機(jī)運(yùn)行是用1個(gè)獨(dú)立的光伏板專門為其提供電力，如圖13所示。通過驅(qū)動(dòng)鼓風(fēng)機(jī)提供足夠的空氣形成強(qiáng)制對(duì)流，利用管道將冷卻的空氣輸送給每個(gè)太陽電池板。對(duì)流后的熱空氣通過一個(gè)與地面耦合的熱交換器將熱量傳遞到地面，以達(dá)到降低太陽電池板溫度的目的。

圖13　微通道冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

其次，液浸冷卻聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)也是作為太陽電池散熱的途徑之一，但是液浸冷卻聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)會(huì)帶來二次散熱的問題。針對(duì)該問題，天津大學(xué)的陳為強(qiáng)等［38］提出將分離式熱管換熱器作為二次散熱裝置（見圖14），利用熱管的高傳熱特性將熱量及時(shí)移走。根據(jù)現(xiàn)有小型液浸冷卻聚光光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一種新結(jié)構(gòu)分離式熱管換熱器，利用模擬熱源考察分離式熱管換熱器的傳熱性能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，在小型液浸聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)中采用熱管換熱器，能在較短時(shí)間內(nèi)及時(shí)帶走太陽電池上積聚的熱量，并確保其能正常工作。

圖14　分離式換熱器與小型液浸聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)連接的實(shí)物圖

同時(shí)研究表明，作為循環(huán)介質(zhì)，納米流體與水相比，納米顆粒具有優(yōu)異的光吸收性能和納米流體良好的熱輸運(yùn)性能，有研究者提出將納米流體用作直接吸收式太陽能集熱器的循環(huán)工質(zhì)。北卡羅萊納州立大學(xué)的Xu等［39］設(shè)計(jì)出一種使用納米流體導(dǎo)熱的CPV/T系統(tǒng)，如圖15所示。利用聚光倍率可調(diào)的拋物面聚光器將太陽輻射聚焦并反射到一個(gè)光圈比該聚光器小得多的集中器上。納米流體作為導(dǎo)熱流體用于去除太陽電池板上多余的熱量，以便使太陽電池溫度保持在所期望的工作溫度范圍內(nèi)。然后納米流體通過熱交換器內(nèi)循環(huán)將熱量傳遞給水，而生產(chǎn)的熱水可存儲(chǔ)在罐中提供給下游使用。這樣就可花費(fèi)很少的額外成本，既可解決CPV系統(tǒng)的冷卻問題，又可獲得熱能。而且由于納米流體在冷卻通道的出口溫度可通過改變冷卻劑的體積流速來調(diào)節(jié)，以獲得更高品位的熱能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)通過控制流率設(shè)定太陽電池的納米流體出口溫度為62 ℃時(shí)，系統(tǒng)的整體效率、光電效率和光熱效率分別為11%、59%和70%。

圖15　典型CPV/T系統(tǒng)

此外，由于光譜分頻技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同光譜的太陽輻射能的分配，因此在聚光光伏利用中可將高效光伏轉(zhuǎn)換譜段的太陽輻射輸送至太陽電池，將其余譜段的太陽輻射能集熱回收。光譜分頻技術(shù)不僅從源頭上降低了太陽電池的熱負(fù)荷，還實(shí)現(xiàn)光伏轉(zhuǎn)換過程與光熱轉(zhuǎn)換過程的相互獨(dú)立，使得熱利用系統(tǒng)可獲取比傳統(tǒng)電熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)更高的集熱溫度。烏沙克大學(xué)的Kandilli等［40］在研究綜合熱利用時(shí)，提出聚光光伏熱聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（CPVCS）（見圖16），將熱反射鏡放置在焦點(diǎn)處透過太陽能光譜中的可見光、反射紅外光（IR）和紫外光（UV）部分，反射后的IR和UV射線再經(jīng)適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)裝置反射并發(fā)送到真空管，在此可向外提供熱能。而透過的可見光部分聚焦到太陽電池上用以發(fā)電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：光伏發(fā)電效率、真空集熱管熱效率和整體CPVCS的熱效率分別為15.35%、49.86%和7.3%；太陽電池、真空集熱管和整體CPVCS的 火用效率分別為12.06%、2.0% 和1.16%。

圖16　CPVCS系統(tǒng)及其部件

2　結(jié)語

經(jīng)過30多年的發(fā)展，聚光光伏系統(tǒng)基于聚光倍率、聚光器、太陽能跟蹤方式、熱管理與冷卻系統(tǒng)4個(gè)方面的研究，讓光伏行業(yè)的前景更顯光明；而且在目前太陽能資源豐富的地區(qū)，CPV技術(shù)與常規(guī)能源相比，已具有一定競爭性。隨著太陽電池效率的不斷提高，行業(yè)規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大，預(yù)計(jì)其成本將會(huì)大幅下降。而如何獲得低成本、高效率、穩(wěn)定性好、可靠性高的CPV系統(tǒng)也將是今后研究所要解決的主要問題。

同時(shí)，我國應(yīng)在已基本掌握晶體硅光伏器件全生產(chǎn)鏈的生產(chǎn)技術(shù)并迅速成為晶體硅光伏器件生產(chǎn)大國的基礎(chǔ)上，將光伏技術(shù)研究上的重點(diǎn)轉(zhuǎn)向包括聚光電池及聚光型光伏發(fā)電系統(tǒng)在內(nèi)的新領(lǐng)域開發(fā)，調(diào)整硅電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展結(jié)構(gòu)，降低硅電池生產(chǎn)鏈的能耗和污染，實(shí)現(xiàn)我國的清潔能源計(jì)劃。

［1］ 何祚庥. 太陽能聚光光伏發(fā)電技術(shù)前景無限［J］. 中國科技投資， 2012， （1）: 27-28.

［2］ 袁愛誼， 王亮興. 聚光光伏發(fā)電技術(shù)研究與展望［J］. 上海電力， 2009， （1）: 13-18.

［3］ 黃磊. 大型聚光光伏跟蹤裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化［D］.武漢：武漢理工大學(xué)， 2013.

［4］ Green M， Emery K， Hishikawa Y， et al. Solar cell efficiency tables（version 39）［J］. Progress in Photovoltaics: Research & Applications， 2012， 20 （1）: 12-20.

［5］ 徐銳. 聚光光伏發(fā)電技術(shù)的研究［D］.淮南：安徽理工大學(xué)，2012.

［6］ Bunea M M， Johnston K W， Bonner C M， et al. Simulation and characterization of high efficiency back contact cells for lowconcentration photovoltaics［A］. 35th IEEE Photovoltaic Specialists Conference （PVSC）， Honolulu， Hawaii， 2010.

［7］ 姚祖義， 張平. 光學(xué)玻璃熱壓成型高次非球面太陽能聚光元件［P］. 中國：CN101329442， 2008-12-24.

［8］ 葉張波. 基于熱管的高輻射能流密度太陽能電池板傳熱特性研究［D］.上海：上海電力學(xué)院， 2010.

［9］ Zubi G， Bernal-Agustín J L， Fracastoro G V. High concentration photovoltaic systems applying III-V cells［J］. Renewable and sustainable energy reviews， 2009， 13（9）: 2645-2652.

［10］ 張海燕. 基于平面鏡反射的聚光光伏系統(tǒng)研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)， 2012.

［11］ 翁政軍， 楊洪海. 應(yīng)用于聚光型太陽能電池的幾種冷卻技術(shù)［J］. 能源技術(shù)， 2008， 29（1）: 16-18.

［12］ Chong K K， Siaw F L， Wong C W， et al. Design and construction of non-imaging planar concentrator for concentrator photovoltaic system［J］. Renewable Energy， 2009， 34（5）: 1364-1370.

［13］ 鄭飛， 李安定. 一種新型復(fù)合拋物面聚光器［J］. 太陽能學(xué)報(bào)， 2004， 25（5）: 663-665.

［14］ Abu-Bakar S H， Muhammad-Sukki F， Ramirez-Iniguez R， et al. Rotationally asymmetrical compound parabolic concentrator for concentrating photovoltaic applications［J］. Applied Energy， 2014，136（136）: 363-372.

［15］ Mejia F， Kleissl J， Bosch J L. The effect of dust on solar photovoltaic systems［J］. Energy Procedia， 2014， 49（1）: 2370-2376.

［16］ 侯靜， 常澤輝， 溫雯， 等. 多曲面槽式聚光光伏發(fā)電組件光學(xué)性能研究［J］. 電源技術(shù)， 2014， 38（6）: 1081-1084.

［17］ 郭麗敏， 衛(wèi)明， 楊光輝， 等. 高倍聚光光伏可拆卸型二次反射鏡設(shè)計(jì)與研究［J］. 紅外與激光工程， 2013， （10）: 422-425.

［18］ Giannuzzi A， Diolaiti E， Lombini M， et al. Enhancing the efficiency of solar concentrators by controlled optical aberrations: Method and photovoltaic application［J］. Applied Energy， 2015，145: 211-222.

［19］ 薛建國. 基于HYM8563和單片機(jī)的低功耗太陽能電池自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］. 沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005， 1（2）: 113-116.

［20］ 羅維平. 基于歐姆龍PLC的太陽能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研究［J］. 電子技術(shù)應(yīng)用， 2009， 35（9）:138-140.

［21］ 仝曉梅， 鞏瑞春. 基于嵌入式技術(shù)的太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)［J］. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品， 2015， （1）: 1-2.

［22］ 黃祥康， 陳鑫， 李樹蓉， 等. 太陽跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)， 2013， （2）: 138-142.

［23］ 賈傳圣， 郝敏啟. 基于單片機(jī)控制太陽能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］. 電氣制造， 2014， （12）: 23-25.

［24］ Batayneh W， Owais A， Nairoukh M. An intelligent fuzzy based tracking controller for a dual-axis solar PV system［J］. Automation in Construction， 2013， 29（1）: 100-106.

［25］ Stamatescu I， Fǎgǎrǎ?an I， Stamatescu G， et al. Design and implementation of a solar-tracking algorithm［J］. Procedia Engineering， 2014， 69（1）: 500-507.

［26］ 楊康， 張劍鋼， 李景天， 等. 新型太陽能單軸跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］. 云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2014， （5）: 21-24.

［27］ León N， García H， Ramírez C. Semi-passive solar tracking concentrator［J］. Energy Procedia， 2014， 57: 275-284.

［28］ León N， Ramírez C， García H. Rotating prism array for solar tracking［J］. Energy Procedia， 2014， 57: 265-274.

［29］ Cheng J， Park S， Chen C L. Optofluidic solar concentrators using electrowetting tracking: Concept， design， and characterization［J］. Solar Energy， 2013， 89（2）: 152-161.

［30］ Pérez-Higueras P， Munoz E， Almonacid G， et al. High concentrator photovoltaics efficiencies: Present status and forecast［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2011，15（4）: 1810-1815.

［31］ 楊晶晶， 劉永生， 谷民安， 等. 太陽能光伏電池冷卻技術(shù)研究［J］. 華東電力， 2011， 39（1）: 81-85.

［32］ Chong K K， Tan W C. Study of automotive radiator cooling system for dense-array concentration photovoltaic system［J］. Solar Energy， 2012， 86（9）: 2632-2643.

［33］ Dede E M， Liu Y. Experimental and numerical investigation of a multi-pass branching microchannel heat sink［J］. Applied Thermal Engineering， 2013， 55（1）: 51-60.

［34］ Barrau J， Perona A， Dollet A， et al. Outdoor test of a hybrid jet impingement/micro-channel cooling device for densely packed concentrated photovoltaic cells［J］. Solar Energy， 2014， 107（9）: 113-121.

［35］ Reddy K S， Lokeswaran S， Agarwal P， et al. Numerical investigation of micro-channel based active module cooling for solar CPV system［J］. Energy Procedia， 2014， 54: 400-416.

［36］馬久明， 秦紅， 董丹. 硅太陽電池降溫保效的方法分析［J］.節(jié)能技術(shù)， 2014， 32（2）:133-138.

［37］ Sahay A， Sethi V K， Tiwari A C， et al. A review of solar photovoltaic panel cooling systems with special reference to Ground coupled central panel cooling system （GC-CPCS）［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2015， 42: 306-312.

［38］ 陳為強(qiáng)， 王一平， 黃群武， 等. 液浸冷卻聚光光伏系統(tǒng)中熱管二次散熱的實(shí)驗(yàn)［J］. 化工進(jìn)展， 2013， 32（S1）: 31-35.

［39］ Xu Z， Kleinstreuer C. Concentration photovoltaic-thermal energy co-generation system using nanofluids for cooling and heating［J］. Energy Conversion and Management， 2014， （87）: 504-512.

［40］ Kandilli C. Performance analysis of a novel concentrating photovoltaic combined system［J］. Energy Conversion and Management， 2013， 67（67）: 186-196.

2015-05-29

國家自然科學(xué)基金（51476038）；廣州市應(yīng)用基礎(chǔ)研究專項(xiàng)（2013J4100010）

黃金 （1975—），男，博士、教授，主要從事新型能源材料與儲(chǔ)能技術(shù)、太陽能熱利用轉(zhuǎn)換技術(shù)方面的研究。huangjiner@126.com