低成本聚光光伏发电组件

1、低成本聚光光伏发电组件1第1页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日一、全球能源消耗形势及太阳能未来的战略地位 一百年来，全球能源消耗基本趋于稳定态势，平均每年以3的速度增加。尽管许多工业化国家能源消耗基本趋于稳定，但大多数发展中国家工业化进程加快（如中国），能耗不断增加，因此预计全球未来能源消耗态势仍将以3的速度增长。2第2页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日 能耗平均呈指数增长趋势所带来的后果十分严重：一方面伴随着化石燃料消耗的增加，大气中CO2的含量相应增加，地球不断变暖，生态环境恶化，自然灾害及其造成的损失逐年增加，另一方面将愈来愈快地消耗掉常规

2、化石能源储量。有资料表明，按照目前的发展速度和已探明的储量，世界化石燃料只够很短的时间使用（如石油只够3040年，天然气只够6070年，资源最大的煤炭也仅够170年左右）。能源的潜在危机和生态环境的恶化迫使世界各国积极开发可再生3第3页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日 能源。在今后的2030年里，全球的能源结构必然发生根本性的变化。专家预测，在本世纪50年代，新能源与可再生能源在整个能源构成中会占到50。 我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，煤炭占商品能源消费的70，已成为我国大气污染的主要来源。已经探明的常规能源剩余储量（煤炭只够100年使用、天然气只够3040年使用

3、、而石油只够10年使用），人均能源资源不足世界平均水平的一半。目前及相当长的时期我国能源4第4页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日 供需矛盾十分突出，为此，除了合理开发和利用石化能源和水力、核能外，将加速开发利用可生能源（风能、太阳能、生物质能、地热能、海洋能等）。今年年初我国已出台“中华人民共和国可再生能源法”，在法律上把可再生能源的开发和利用提高到我国能源发展的战略高度，这将大大地推动包括太阳能光伏发电在内的可再生能源的发展。 我国现在耗能是以煤炭为主，要实现2020年国内生产总值比2000年翻两番的目标，能源供5第5页，共23页，2022年，5月20日，22点35分

4、，星期日 需矛盾十分突出，到时石化能源产生的CO2排放量为全球第一（约占28%）。另外，目前我国西部地区约有2万多个村、700多万户、3000多万农牧民处于无电状态。但是，我国又是富太阳能资源国，全国2/3以上地区年日照超过2000小时，荒漠面积有108万平方公里，主要分布在西北地区，适合安装并网光伏发电系统，如果利用其中的1.38万平方公里面积，则装机容量可达1380GWp，相当于我国2002年的全部用电量，因此市场潜量十分巨大。充分利用太阳能源发电6第6页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日 这一阳光工程将给西部地区尤其是西部贫困山区带来极大的社会效益和经济效益。 太阳

5、能光伏技术的开发一直被列为国家科技攻关计划，随着光伏技术的日趋完善，太阳能光伏利用技术在研究开发、商品化生产、市场开拓方面正在快速发展，逐步成为新兴产业之一。使用清洁能源是本世纪世界关注的重大课题，一是不可再生能源的紧缺；二是人类生存的需要，太阳热能利用是可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一。尤其是在国内7第7页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日 边远地区，如果用电规模小，太阳能特别是光伏系统的竞争力现在就比大型发电系统要强得多。今后随着常规燃料价格不断上涨及太阳能设备因大规模生产而导致的成本下降，太阳能的竞争力将不断提高。由于光伏技术产品目前还存在

6、价格高、发电成本高等因素，严重制约着其在国内大范围的推广应用。因此应着重在降低产品成本、提高效率、提高可靠性上研究开发新技术、新产品。8第8页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日 聚光光伏发电与平板太阳光伏发电相比，在发电量、价格和发电成本三方面都有很大优势。随着大型并网发电中心电站开始建设和生产经营管理进一步加强，聚光光伏发电系统还有很大的降价空间，太阳能光伏电站的发电成本下降到民用可以接受的程度是完全有可能的。聚光器、跟踪器产品是太阳能聚光光伏系统中的关键部件，聚光器产品在国内尚属空白，而跟踪器也远未达到应用的程度。本课题旨在开发耐候性好可批量加工、提高发电率、占地面积

7、小，节约资源的聚9第9页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日 光器和高可靠性、低成本、低功耗跟踪系统 。 利用空间技术成果转化为地面民用技术优势，推广应用清洁能源，解决国际21世纪不可再生能源资源贫乏问题。在原研制的聚光透镜基础上，开发有自主知识产权的可批量加工的长寿命聚光器，进一步提高光伏电站的发电量和降低发电成本，为光伏工程应用打好技术基础。聚光光伏发电主要适用于乡村、台站和户用的中型离网光伏电站及大型并网发电中心电站。10第10页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日二、聚光光伏发电的基本原理11第11页，共23页，2022年，5月20日，22点35

8、分，星期日 采用菲涅尔聚光透镜将阳光聚焦成高能量密度的光束，再将高能量密度的光束照射太阳能聚光电池来发电，称为太阳能聚光式光伏发电。采用聚光电池不仅可降低发电成本，而且可提高太阳能发电的光电转换效率，目前高效聚光电池效率已达32以上。由于聚光电池的受光面只有同功率的普通光电池几百分之一，因此可以大大节约单晶硅的用量，即同面积的单晶硅片若制成聚光电池，发电量将提高几百倍。例如，600W菲涅尔透镜聚焦太阳能电站仅需要72片聚焦太阳能电池，采光面积小于3平方米，单晶硅片面积只12第12页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日 有164平方厘米。而600W平板固定太阳能电站需要600

9、片100100mm平板太阳能电池，采光面积需要6平方米，单晶硅片面积与采光面积相同6平方米。可见同功率太阳能发电站在面积上单晶硅片用量，平板固定太阳能电站是聚焦太阳能电站的365倍多，并且太阳能聚光电池的厚度很薄（120m），只有平板太阳能电池1/4，总单晶硅用量又可大幅度降低。由于单晶硅的造价很高，平板太阳能电池单晶硅用量很大，在前期是太阳能发电价格问题的瓶颈。太阳能聚光电池的出现将大大降低太阳能发电的造价，是今后太阳能发电的方向。13第13页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日平板太阳光伏发电14第14页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日采用点聚焦

10、648w聚光太阳能电站15第15页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日采用线聚焦100kw聚光太阳能电站16第16页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日 三、课题特色 1、聚光器 1.1把空间技术成果转化为地面民用技术，过去用于空间技术现经过适应性修改和再开发以降低成本，可用于地面聚光光伏发电组件。 1.2采用对称折射或准对称折射设计，很好地解决了柱面线聚焦菲涅耳聚光透镜容许有较大形变的问题，柱面形变容差通常可高达1520。相对于常规设计，聚光透镜面形容许变形增大100倍。聚光透镜的光学效率：85%；几何聚光比：20。17第17页，共23页，2022年，

11、5月20日，22点35分，星期日 1.3采用特种加工工艺（用金属模做母模，塑料模具做子模，浇注成型硅橡胶透镜加工聚光器的方法），可实现大面积柱面透镜模具精密制造；而常规小面积透镜模具是采用点金刚石切削三维成型工艺。采用热压连续精密成型，可批量生产大面积线聚焦柱面透镜。而常规的线聚焦柱面透镜采用单一模具浇注成型，透镜模具面积小，生产效率和成本均较高。 1.4采用在玻璃上用浸渍sio2减反膜为基底材料，然后粘贴一薄层橡胶菲涅耳透镜组成的透镜组件，以增加耐候性和耐擦性。18第18页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日 2、对日跟踪系统 本项目研究开发成功后，由于聚光透镜面形容许偏

12、差最高可达20，因此，可使太阳跟踪由双向跟踪变为单向跟踪。且跟踪精度要求低（本产品为1 ）；跟踪系统结构简单，可采用时区模块输入、微机定时控制驱动机构，机构简单、可靠性高；而常规平板聚光光伏系统需要双轴跟踪，跟踪精度要求优于0.2 ，跟踪系统复杂，需采用太阳敏感器等控制复杂的伺服机构进行双轴跟踪，可靠性低，功耗相对较大。19第19页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日 3、柱面线聚焦聚光光伏发电组件集成 地面柱面聚光光伏发电组件由聚光透镜、太阳电池及热沉、对日跟踪系统和其它结构件组成。上世纪90年代美国一独立机构对多种类型的聚光光伏组件的性能、可靠性和寿命，进行了为期十年的

13、检测和考察，结论是这种柱面聚光光伏组件最优。与平板太阳电池组件相比，太阳电池用量减少95%；太阳光对太阳电池的辐射通量增加40%；与平板聚光光伏组件相比，聚光透镜面形容许变形增大100倍，本项目产品面形偏差容许20；太阳电池工作温度低，本项目产品约60，长期工作性能好，平板聚光组件的电池20第20页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日 温度要超过80 ；单轴对日跟踪为主，跟踪精度要求低，本项目产品为1 。带跟踪器无故障使用时间可达5年以上；太阳能光伏发电组件自身耗电量小于发电量的1%；与相同功率的平板太阳电池组件相比发电量提高40%，组件价格降低40%。采用特种加工工艺，可

14、实现大面积柱面透镜模具精密制造；而常规小面积透镜模具是采用点金刚石切削三维成型工艺。采用热压连续精密成型，可批量生产大面积线聚焦柱面透镜。而常规的线聚焦柱面透镜采用单一模具浇注成型，透镜模具面积小，生产效率和成本均较高。21第21页，共23页，2022年，5月20日，22点35分，星期日 四、结束语 聚光光伏发电组件与常规平板太阳电池组件相比，发电量提高40%，组件成本降低40%，所组成的聚光光伏发电系统的发电成本可降低60%以上，有望达到1元/kw.h以下（目前采用平板太阳电池组件的发电系统，发电成本约为3元/kw.h），从而具有很大的竞争力。课题完成完成后可达到小批量生产阶段的产品技术性能水平，与目前国内的