[发明专利]一种波长选择性广角聚光光伏发电系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种波长选择性广角聚光光伏发电系统及其方法，属于太阳能利用中的聚光光伏(CPV)发电领域。

背景技术

太阳能光伏发电是前景广阔的新能源，但发电成本居高不下导致光伏发电难以大规模普及应用。导致光伏发电成本远高于传统能源的主要原因在于三个方面：太阳能的能源密度太低；光伏电池所采用的半导体材料成本及加工成本较高；光电转换效率低下。

近年来，人们为降低光伏材料的制备和加工成本进行了卓有成效的努力，也不断致力于光电转换效率的提升，两方面的成就是巨大的，但即使这样，光伏发电仍然比传统能源发电成本高出许多，于是聚光光伏成为进一步降低光伏发电成本的主要途径。

光伏太阳能发电系统的能量来源于太阳能电池表面上所获得的辐射，因此太阳能电池的发电量取决于两方面：首先，用于获得太阳辐射的太阳能电池表面积越大，太阳能电池的光电流越大；其次，在太阳能光电池所接受的辐照度饱和值以内，太阳能电池的光电流始终随辐照度的增长而线性增长。

由于太阳能电池的半导体材料比如硅晶片的价格较高，因此如果希望降低太阳能电池系统的造价及发电成本，提高太阳能光电池所接受的辐照度就成为必然的选择，所谓的聚光太阳能技术就是这样一种方法，把大面积的太阳光聚集在一个小面积的硅晶片表面上来实现提高太阳能光电池所接受的辐照度。聚光光伏的思想就是增加太阳能电池上照射的太阳光强度，使得同样面积的半导体材料提供更多的电能，而增加的聚光装置的成本要低于所节约的光伏电池的成本，从而在整体上降低了光伏发电的成本。

聚光光伏发电在光学上普遍采用两种光学模式；一种是反射式聚光，另一种是透射式聚光，透射式聚光通常采用菲涅尔透镜。但上述两种通常采用的光学聚光模式，均存在两个弊端：首先，聚光后，必须采用高精度的跟踪追日，一般用单轴或两轴转动来跟踪日光，增加了设备装置的复杂性，提高了系统造价和维护成本；第二，聚光后，电池表面入射光强度增加，导致光伏电池温度升高，降低电池的光电转换效果，还缩短电池使用寿命。

现今的所有光伏太阳能系统都是把太阳能电池组件组成太阳能电池方阵，根据当地的太阳入射倾角，太阳能电池方阵倾斜安装保证太阳辐射垂直入射太阳能电池方阵。若想保证电池随时有良好的发电条件，不仅要随时调整太阳能电池方阵，保持向日跟踪以保证接受太阳辐射而且太阳能电池方阵的对地倾角要从冬到夏、从早到晚都要连续不断地调整。这样的自动跟踪太阳电池方阵需要一定的能量维持其动作，一般会使工程投资、后期维护、方阵占地都大幅度增加，达到了不经济的地步。聚光光伏需要高精度的跟踪向日，而平板型太阳电池方阵的对地倾角也有三种固定方式：固定式(不调整的)、一年两次(春分、秋分)调整、一年四次(春分和秋分、夏至和冬至)，也就是说现今的平板太阳能发电系统为了维持成本的经济性不得不牺牲发电条件，因此必然带来发电效率的下降，是两种成本权衡下的对策。

如上所述调节太阳能电池方阵的仰角和保持太阳能电池方阵向日跟踪的目的就是为了保证太阳辐射垂直入射太阳能电池方阵，实现太阳能电池系统工作条件最优化。因此只有在免调节太阳能电池方阵的仰角和免向日跟踪的同时，仍能实现太阳能电池系统工作条件最优化，才能够在降低成本的同时提高太阳能发电系统的发电效率，其经济意义就十分重要。

光伏太阳能系统在设计时所需依据的理论，就太阳辐射计算来说一般遵照三个基本定律：太阳辐射的直散分离原理、布格-朗伯定律(Bouguer-Lambert Law)、余弦定律。所谓太阳辐射的直散分离原理就是：太阳总辐射等于直接辐射和散射辐射之和。散射辐射是太阳辐射经空气中的水蒸气、二氧化碳、尘埃、气溶胶和云等散射的辐射。散射辐射没有方向性，即射向各个方向，这种辐射经过物体遮挡不形成明显的影子。散射辐射与直接辐射的强度大小和所处的地点(经纬度)、季节、地面海拔高度以及时间相关。在晴朗的天气下，散射辐射占总辐射的10％-20％左右；但在多云天气，散射辐射可以高达100％。一天中散射辐射占总辐射的比例也可能有较大的变化。对于当前的光伏系统而言，由于只有垂直入射的辐射和较小入射角的离轴辐射可以被太阳能电池硅晶片吸收，而大入射角的离轴辐射会被太阳能电池硅晶片反射掉而不会产生光电流，因此在这些计算中是不考虑大角度离轴辐射的。但在我国东部地区，煤炭等化石能源赋存不足，用电需求量较大，本来是光伏发电大有作为的地区，但由于一年中空气湿度较大、云量较多，散射辐射占比例较高，在传统光伏发电技术条件下，这些东部地区难以通过光伏实现对工业和居民生活的供电。