[发明专利]光伏设备及在该光伏设备上捕获太阳辐射和发电的方法

说明书

技术领域

本发明涉及将太阳辐射转换为电力的太阳能系统，具体涉及一种光伏设备及在该光伏设备上捕获太阳辐射和发电的方法。

背景技术

光伏(PV)或聚光光伏(CPV)系统可以将太阳辐射转换成电能。在PV系统中，光伏面板直接将光转换成电。相比之下，CPV系统先使用透镜或反射镜将大面积的太阳辐射变成一个小的光束，再由高效率太阳能电池将光转换成电。

现有的光伏组件包括平板组件和柔性组件。平板组件主导了全球光伏市场，并且绝大多数平板光伏组件由晶硅(c-Si)太阳能电池构成。目前，晶硅光伏面板占全球总体光伏生产的90％以上。晶硅光伏面板将晶硅太阳能电池夹在背板和透明的前板(如玻璃)之间进行组装。太阳光到电力的转化率，也称组件效率，可以在多晶硅光伏面板上超过15％，在单晶硅光伏面板上超过20％。其它的光伏面板生产包括基于碲化镉(CdTe)，铜铟镓硒(CIGS)或无定形硅(a-Si)/微晶硅(c-Si)等光敏薄膜材料的薄膜光伏组件。薄膜太阳能电池和组件在同一生产线上制作而成，光活性薄膜和电池结构中的其它层被沉积在一个基板或覆板(例如玻璃)上，并随后进行封装(例如用另一片玻璃)。在当前的商业化生产中，CdTe和CIGS光伏面板上的组件效率可以超过15％，在a-Si/c-Si光伏面板上组件效率可以超过12％。最高的光伏面板效率已经在高成本，基于化合物半导体(如砷化镓(GaAs))的多结太阳能电池上实现。独立的多结砷化镓PV面板的组件效率可以超过35％，在聚光光伏(CPV)系统的配置下可以达到40％以上。

与刚性的平板太阳能电池组件不同，柔性的太阳能电池组件是通过在柔性基板上构成太阳能电池，再在顶部加以透明封装层制造而成。柔性光伏的开发开始是基于传统的薄膜太阳能电池材料，如碲化镉，铜铟镓硒和非晶硅/微晶硅。柔性光伏新技术开发包括新型材料如染料敏化太阳能电池和有机太阳能电池。

柔性太阳能电池组件可以很好地适用于新兴的应用包括便携式充电器与建筑一体化光伏。与之相比，刚性的光伏面板具有高效率，低成本和技术成熟，产能大等优点，已经占据主流住宅，商业和电站市场。

光伏系统的能源生产与阳光收集量成正比。到达地球表面的阳光有两部分：晴天里约90％的太阳能是“直射光”，其余的是“散射光”。由于大多数的太阳能是在直射光中，最大限度的阳光采集需要将太阳能电池组件直接面对太阳。太阳能电池组件上的太阳光入射角度(也称为入射角)对于从表面法线方向的照射是0度，对于从表面切线方向的照射是90度。阳光照射强度和入射角的余弦值成正比。因此，照射强度随着入射角的减小而增加。

光伏系统的发电量也和光伏组件的效率成正比。光伏组件的效率是照射强度的函数。通常在低于1个太阳标准光强的照射强度下，晶硅太阳能电池的效率随着照射强度的增加而提高。通过电池结构设计和制造工艺的优化，电池的效率可以在超过1个太阳标准光强的照射强度(聚光光伏系统配置)下进一步提高。如图1所示，在垂直入射时，背面接触晶体硅太阳能电池的电池效率可以在7个太阳标准光强的照射强度范围内随着太阳辐射强度的增加而提高。

在等同照射能量下光伏组件效率也是入射角的函数。如图2所示，在固定照射强度(入射角校准之后)下，晶硅光伏组件的效率会在超过60度的入射角时显著下降。部分的下降可以归因于在大入射角下光伏组件前盖玻璃上的光反射的增加。

在住宅和小规模商业化太阳能光伏项目中，光伏面板通常以固定角度安装在屋顶上。安装在一个固定支架上的光伏面板可以从各个方向收集散射光。但是，安装在固定支架上的光伏面板不能跟踪太阳，因此在一天内太阳直射光辐射的采集和能源生产可能受到限制。在半天中太阳从东到西穿过约180度(夏天多，冬天少)。地平线效应可以将太阳的有效运动降低到约150度。其结果是，在黎明和日落极端情况下固定在一个大致水平方向的光伏面板可以和太阳直射光方向有约75度的偏差，从而导致在光伏面板上的太阳直射光辐射强度下降约75％。此外，光伏组件效率不仅随着入射角的增加而且随着太阳辐射强度的减小而显著下降。因此，固定取向的光伏面板在一天内的总发电量会受到显著影响。

为了最大限度地提高光伏系统的发电量，绝大多数超过一兆瓦的大型商业化光伏发电装置中均已经采用追光器。追光器是将载荷定向面对太阳的设备。载荷可以包括标准光伏系统中的光伏面板以及聚光光伏系统中的抛物槽，菲涅尔反射镜，镜子或透镜等。追光器可以显著提高光伏系统的效率。例如，在一天内将光伏面板由东向西旋转可以帮助采集大部分的太阳光，从而将固定数目光伏面板上的发电量最大化。