新型菲涅尔线聚焦聚光太阳电池组件研究

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2003年5月May2003ACTAPHOTONICASINICA新型菲涅尔线聚焦聚光太阳电池组件研究

汪　韬　赛小锋　李晓婷　李宝霞　高鸿楷

(中国科学院西安光学精密机械研究所,光电子学室,西安710068)

3

),摘　要　以聚甲基丙烯酸甲脂为材料,采用热压成型工艺加工成型线聚焦菲涅尔聚光透镜(8×

可用于空间、地面光伏系统太阳电池组件的聚光系统,并对在其聚光条件下,太阳电池的电流电压特性进行测试,结果表明,该菲涅尔线聚焦棱镜能有效提高太阳电池的单位输出功率1模具的机械加工精度和光学抛光精度低,是造成其部分聚光率损失的原因1关键词　菲涅尔透镜;太阳聚光器;聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)中图分类号　　TN15　　　　文献标识码　　A

入射时,菲涅尔聚光棱镜的反射损失为最小,即入射

0　引言光线与棱镜顶面法线的夹角等于出射光线与棱镜底

近年来,随着太阳能、风能等可再生能源技术的面法线的夹角时,透过棱镜的光通量损失最小[1]1迅速发展1特别是太阳能光伏发电技术的发展,为据此优化设计太阳电池及一维太阳跟踪光伏系统的空间卫星供电电源系统,地面光伏发电系统,及未来菲涅尔线聚焦聚光棱镜1设计光学聚光率为日照强能源解决提供了广阔前景1但其面临发电价格高

度的8倍1其设计外形如图11

昂,太阳电池材料紧缺、昂贵的问题,需要进一步地降低成本和提高效率1为减少太阳电池片的实际用量,人们早已开始了对太阳电池聚光器的研究1聚光系统主要为反射式[1](如CPC、SMTS等)和透射式(Fresnel,全息等)两种1而且光学树脂具有耐冲击强度高,相对密度小,透过率高,在太阳光谱0.3～2μm范围内透过率达92%以上,光学性能优良,抗老化,成型工艺简单、产品成本低廉等优点1利用光学树脂透镜和级联太阳电池合成的聚光型太阳电池极大地提高了单位电池片产生的电量,大大降低了发图1　菲涅尔线聚焦聚光棱镜外形截面

[2,3]

电成本,提高了太阳能光伏发电的竞争力1欧美Fig.1　Schematicoftruncatedtheoptimumline2focus

　　　fresnellens开展SCARLET计划(空间应用技术),和美国可再生

菲涅尔聚光透镜的加工,采用热压成型工艺加能源实验室开展地面光伏发电的应用[4～6]1

工成型[7]1热压采用的模具以铬钢为材料,用钼丝早先点聚焦菲涅尔聚光透镜具有高的聚光率,

线切割加工成型,再经光学抛光为镜面,设计要求表造成太阳能电池温度过高,加剧了太阳电池的热退

面粗糙度达到RX0.005～RZ0.0051以PMMA为菲化效应,因此必须在太阳电池背面加装散热片,而且

涅尔聚光透镜材料,先将PMMA板材按设计尺寸切必须对太阳进行二维跟踪1本文采用三维优化设

计,考虑太阳能电池的热退化效应并兼顾简化太阳割加工为矩形毛坯,用模具固定,升温至110℃,加跟踪系统,设计具有较大集光角,只对太阳进行一维压定型,保持压力恒温10min左右,最后冷却至室跟踪太阳电池组件的线聚焦菲涅尔聚光透镜1以温,除去模具成型(如图2)1PMMA为材料,采用边缘光线原理设计和热压成型

),组装工艺加工完成了线聚焦菲涅尔聚光透镜(8×

了聚光太阳电池组件,对其电流电压特性进行了测试,结果表明:用该菲涅尔线聚焦棱镜的聚光太阳电池组件能有效地提高太阳电池的单位输出功率1

1　实验

根据边缘光线原理,当入射光线沿最小偏折角

Tel:0298472151收稿日期:20020611

图2　菲涅尔聚光透镜热压成型工艺Fig.2　Sketchmapoffresnellensprocessbyheatandpressure

626光　子　学　报32卷

　　以自行研制的单结GaAs/Ge太阳能电池为部

J0与光照无关,保持不变且为一小量,这样实际效

件,电池面积为1cm1按照设计的几何参量固定菲

2

果是太阳电池的输出电流J的增长倍数略高于光通量的增长倍数1

高强度光照射近似条件下,开路电压为

Vph

涅尔聚光透镜和太阳能电池,组装成聚光太阳电池组件(如图1),焦距f为220mm.镜宽为126mm,菲涅尔线聚焦太阳能电池整体为拱形1

=VD-

kBT2　结果与讨论

测试在户外正午进行,太阳辐射强度为3W/m2(采用YFJ210型阳光辐射计测量),如图2,采用自行研制的GaAs/Ge太阳电池分别在无菲涅尔聚光透镜和菲涅尔聚光透镜聚光条件下测试其特性,结果如图3,在菲涅尔线聚焦聚光透镜聚光条件下,电池的短路电流密度JSC由14.7mA/cm2提高为72mA/cm2,提高为原来的4.倍1开路电压VOC由0.79V提高为原来的0.87V,提高为原来的1.1倍

e

ln

NA+ND+Δn(dp)+Δp(dn)

Δn(dp)+Δp(dn)

这样太阳电池的开路电压随光生载流子增加而增长,当入射光通量很大时,此时载流子浓度NA+ND远小于光生载流子浓度Δn(dp)+Δp(dn),Vph趋近于VD,并在一定条件下趋于饱和,太阳电池输出电流J的增长倍数略高于光通量的增长倍数1最大输出功率的提高将大于菲涅尔线聚焦聚光透镜的聚光率1实测最大输出功率提高倍数为5.74倍,大于短路电流提高倍数1其最大输出功率提高倍数小)1主于菲涅尔线聚焦聚光棱镜设计的聚光率(8×

1输出功率由7.63mW/cm2提高为原来的

43.78mW/cm2,提高为5.74倍,电池效率由11.87%提高到14.58%1填充因子提高为原来的1.05倍1见表11

表1　聚光和无聚光条件下太阳电池的各项参量无棱镜

ISC/mAVOC/VIm/mAVm/VPmax/mW

要原因在于,菲涅尔线聚焦聚光棱镜的实际聚光率小于设计值1采用YFJ210型阳光辐射计,测量菲涅尔线聚焦聚光透镜的聚光率,当太阳辐射强度为180W/m2时,加载菲涅尔线聚焦聚光棱镜的太阳辐

有棱镜7210001876018001724317814158691

比率41111051501104517411221105

η/%

FF/%

14170017911106016971631118766156

射强度提高为840W/m2,与无聚光透镜相比,提高了4.67倍,实测的实际聚光率为4.671

3　损失分析

采用YFJ210型阳光辐射计,对菲涅尔线聚焦聚光透镜的集光率进行测量,与无聚光棱镜相比,太阳

),辐射强度提高为原来的4.67倍,低于设计值(8×其主要原因有:

1)表面反射,PMMA的表面反射率达10%,对于棱镜边缘,基本为大角度入射,反射率相应更高,光通量的损失相应更大1太阳光穿过菲涅尔棱镜,在棱镜的上表面和下表面分别发生反射1当棱镜的倾角变大,入射角变大,反射损失变大1

2)由于模具的形状为不规则锯齿型,造成其光学抛光难度较高,因而模具抛光精度不高,表面粗糙度未达到要求的RX0.005～RZ0.0051热压成型后菲涅尔棱镜表面光洁度下降,入射光线在棱镜表面有较为严重的散射,造成实际聚光效果的下降1

3)由于加工精度的,棱镜的棱角不能为要

图3　聚光和无聚光条件下太阳电池的Ⅰ2Ⅴ特性Fig.3　TheⅠ2Ⅴcurvesofthesolarcellsunderfresnel　　　lensandwithoutlens

　　理论上随电池表面光通量的增加,短路电流呈线性增加

)ΔλJph=∫egF(λ

λ

)为入射太阳光的光子流Jph为光生电流密度,F(λ

密度,g为光学产生率,是光波长和电池纵向深度的

)成倍增长时,Jph随之增长1函数,当F(λ

J=-Jph+J0[exp(eVph/kBT)-1]

求的尖角,而是圆角,园角半径R≈0.2mm,造成通

过菲涅尔线聚焦聚光透镜棱镜元边缘的光线不能按设计要求的角度折射,造成部分光通量的损失,特别是大角折射菲涅尔棱镜边沿处,棱镜的镜宽很短(镜宽2～4mm),造成经棱镜元边缘透射光线无法按设

当Jph成倍增长时,电池的p2n结反向饱和电流密度

5期汪韬等.新型菲涅尔线聚焦聚光太阳电池组件研究

627

计要求透射至太阳电池表面1

4　结论

本文设计了一种用于太阳电池组件的菲涅尔线

),理论上棱镜越细密越好,但由聚焦聚光透镜(8×

于实际加工有一定的精度,所以应根据情况取

舍1该透射式菲涅尔线聚焦聚光透镜,聚光量适中,只需对太阳进行一维跟踪,随着不同季节太阳纬度的变化,调整太阳电池组件南北方向的倾角即可1太阳电池的温度不高,热退化效应不显著,有利于延长其使用寿命,可用于空间、地面光伏发电系统的聚光系统1菲涅尔线聚焦聚光透镜以PMMA为材料,采用热压成型工艺加工成型,安装成聚光太阳电池组件,并对在其聚光条件下太阳电池的电流电压特性进行测试,结果表明,在菲涅尔线聚焦聚光透镜下,电池的短路电流、开路电压、最大输出功率、电池效率和填充因子均有所提高1其中最大输出功率提高为原来的5.7倍1该菲涅尔线聚焦棱镜能有效提高太阳电池单位面积的输出功率,在达到同样的输出功率的条件下,可以有效地降低太阳能电池组件中太阳能电池板的使用量,使用量不到原来的五分之一,降低了太阳电池组件的成本.由于加工精度的和模具表面抛光精度不高等原因,造成菲涅尔棱镜表面光洁度下降,实际聚光效果下降,未达到理

论值1改进措施如选择更合适的模具钢材料,如9Cr13Mo,可以改善模具的抛光工艺,在菲涅尔棱镜表面涂敷增透膜,降低表面反射率等1参考文献

1

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～427

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ANewConcentratorsSystemwithLine2focusFresnelLens

WangTao,LiXiaoting,LiBaoxia,SaiXiaofeng,GaoHongkai

Xi′anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,ChineseAcademyofSciences,Xi′an710068

Receiveddate:20020611

Abstract　Anarchedline2focusFresnellensismadeofPMMA.Ithasopticconcentratorratioas8.ThiskindofFresnellenscouldbeusedinsolarconcentratorofspaceandterrestrialphotovoltaicpowersystem.TheⅠ2ⅤcurvesofthesolarcellsunderFresnellensandthatwithoutlenswasmeasured.Theresultsindicatethatthearchedline2focusFresnellensconcentratorcaneffectivelyimprovethepowerpersquaremetre.Thelossofconcentratorisanalyzed.Keywords　Fresnellens;Solarconcentrator;PMMA

WangTao　wasbornin1974,inShannxi,China.HereceivedtheB.S.degreeandM.S.degreefromtheNorthwestUniversityin1996and1999respectively.Atpresent,heisaP.D.degreecandidateinXi′anInstituteofOpticsandPrecisionMechanics,ChineseAcademyofSciences.Hispresentinterestisphotoelectronicmaterialsanddevices.