聚光光伏的菲涅尔透镜设计

（Shine Magazine/《光能》杂志 & www.solarbe.com/索比太阳能光伏网 记者 明今编译）

    聚光光伏太阳能技术运用于商业项目电站具有非常大的优势，尤其适用于大规模的公用事业级电站。聚光光伏技术是太阳能行业的“破坏性技术”——在阳光充足气候干燥地区的大规模电站项目上，它有可能取代传统的薄膜和晶体硅光伏技术。聚光光伏发电运行过程中不需要用水，而且能更好地利用土地，每英亩的发电量比任何其他技术都多。尤其在阳光充沛、土地紧张、水资源缺乏的地区，发展聚光光伏是最好的选择。

    整合了廉价光学部件的聚光光伏系统能够极大地减少晶体硅的使用。成功的高聚光光伏系统的光学设计必须取得光学系统上的平衡，包括成本、效率、制造、跟踪误差敏感性、热负荷和耐久性。

    例如，Amonix聚光光伏系统，它使用高效率、低成本的丙烯酸菲涅尔透镜收集太阳光。菲涅尔透镜比传统的透镜更薄、更大、更平，它最初设计是用来集中灯塔发出的光。运用了专用的二次光学元件的菲尼尔透镜能够把普通强度500倍的光集中到III-V族多结太阳能电池上。III—V族多结太阳能电池是由分层的、有不同的带隙的半导体材料制造的。阳光进入顶层，这个顶层拥有最大的带隙，阳光继续穿过太阳能电池直至带隙比光子的能量还小的时候，光子就会被吸收。通过以这种方式匹配带隙和光子能量，多结太阳能电池比单结太阳能电池效率更高。因为这样的话，光子能量在被吸收的过程中的热损失就减少了。目前商用的III – V多结太阳能电池的转换效率能达到约40%。
 
    虽然III-V多结电池技术有很悠久的传统，但是它们在聚光光伏方面的应用还有很大的改进空间。在过去的一年中，优化的光学设计使系统的额定功率增长10%以上。为了继续寻求新的突破，工程师正在探索权衡各方面因素、可替代的光学设计、材料和热管理。

    要想取得良好的光学设计，以下是需要考虑的关键因素：

    跟踪灵敏度
    具有良好的容错性的高聚光伏设计能产生更好的效率和发电能力。但是要想增加聚光效果又必然涉及效率的权衡。

    热管理
    聚光效果增加能节省成本，一定程度上也能提高电池效率。然而，更高的聚光强度也增加了太阳能电池的热负荷，这又会降低电池效率。因此，最优的聚光强度就必须达到效率和温度之间的良好平衡。

    菲涅尔透镜
    III-V多结太阳能电池可以实现统一的功率通量分布的高填充系数。不幸的是，菲涅耳透镜产生的磁通分布不均匀。合适的菲涅尔镜头的设计提高了通量分布可以减轻在太阳能电池串联电阻造成的损失，并达到更高聚光强度时相对较高的填充系数。

    如果不注意清洗的话，太阳能电池的性能会随着时间而下降。对高聚光光伏来说，透镜距离地面的高度对减轻电池表面污染有重要影响。在拉斯维加斯进行的一项研究发现，3个月的污染率达2%。这正好和观测到的发电能力下降一致。

    光学元件的影响
光学设计对聚光光伏系统的运营性能有重大影响。运用了合适的光学设计的多结太阳能电池能极大地提高发电能力，同时减少半导体材料的消耗。但是要想达到最佳效果，聚光光伏系统需要在成本、材料和运营系数上保持平衡。