聚光光伏测试平台的设计与研究
摘 要众所周知，太阳能资源同时具备清洁与取之不尽用之不竭的双重特性，很适合用于人类的长期的、可持续的发展。同时，太阳能光伏器件转换效率的低下也一直困扰着广大的光伏工程师们。缘于光伏转换效率的低下，世界也因此诞生了诸多提高光伏转换率的新兴技术。其中，通过光学元件的组合和搭建，实现太阳能聚光光伏发电技术因其独特的优势，近年来一直保持着迅猛的发展速度，一种类似矩阵阵列的点聚光形式逐步发展成为聚光光伏发电技术的主流形式。同样的，因为矩阵阵列点聚光形式的复杂性以及聚光光伏发电平台电路组件等的复杂性，目前在国内一直缺乏一套完整的、可靠性高的聚光光伏测试平台，给聚光光伏器件性能的测试以及聚光光伏平台可靠性的测试等带来了很多不变与麻烦。本文设计并研制了这样一套高倍点数、可靠性高的聚光光伏测试平台，旨在解决上文提到的难题。本文研制了一款具有高倍点数、可靠性高等特点的开放性聚光光伏器件测试平台。在本平台中，可以精准地测试出在高倍点聚光的情景下，半导体III-V族多结聚光太阳能电池的热学及电学特性。另外，在本平台中，还能开展创新型聚光光伏组件的设计，电路系统可靠性测试、IV特性测试等。由于点聚焦型聚光光伏发电平台在短时间内温度会出现较大幅度的提升，本文设计并添加了温度控制夹具以便操作。另外，由于电池的温度不能通过直接的测量得到具体的数值，本文采用了实验数据与数值计算的方法大致计算出电池的温度。平台的设计综合考虑到了点聚焦太阳电池的特性，利用光学软件设计了一套线性的聚光光伏系统以实现其持续可变性。并选取了合适功率测试范围的电流电压测试设备用来测试太阳能光伏电池的IV特性输出曲线等数据参数，同时收集并分析点聚焦产生的光斑等光学要素。实验过程中使用双层透镜替代单层透镜，可以使得光斑获得较低的像差及中高倍的聚光系数。根据设计思路搭建中高倍数的聚光光伏测试平台，根据测试结果记录聚光倍数及光斑密度等参数。纪录数据并绘制IV特性曲线，根据IV曲线得到太阳能电池在不同光强下的效率、开路电压、短路电流及最大功率点等参数，并加以改进以实现中高倍聚光光伏测试平台的搭建。摘 要 2
目 录
ABSTRACT 3
第一章 绪论 1
1.1太阳能光伏技术的诞生与发展 1
1.2光伏发电的战略地位及实施步骤 2
1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
.3聚光光伏技术的发展历史及分类 2
1.4聚光光伏技术的利用现状 3
1.5聚光光伏测试平台的研究意义 4
第二章 聚光型太阳能电池的测试方法 5
2.1太阳能电池的室内IV曲线测试 5
2.2传统晶体硅太阳能电池的测试 5
2.2.1晶体硅电池的测试流程 5
2.2.2绘制IV特性曲线光强及温度等参数的校正方法 6
2.3中高倍点聚光太阳能电池的测试 8
2.3.1中高倍点聚光太阳电池的测试流程 8
2.3.2中高倍点聚光太阳电池IV特性曲线的校正 9
第三章 中高倍数点聚光光伏器件测试平台设计 10
3.1聚光光伏测试平台总体设计方案 10
3.2聚光光伏测试平台核心部件设计 10
3.2.1太阳模拟器 10
3.2.2光功率计 12
3.2.3数字源表 13
3.2.4积分球与水冷机 13
3.2.5真空泵与透镜 14
3.2.6光学平台及位移台 15
3.2.7太阳能电池温度控制夹具 16
3.3光学系统的原理性分析与设计 16
3.3.1聚光的原理及光路分析 16
3.3.2参数计算 17
3.3.3 LightTool 光学软件模拟 18
3.4小结 20
第四章 聚光光伏测试平台的搭建、调试 22
4.1聚光光伏测试平台的总体搭建与调试 22
4.1.1氙灯太阳模拟器的调试 22
4.1.2光学系统的调试 23
4.2 IIIV 族三结太阳电池的测试 27
4.2.1 数字源表的设置 27
4.2.2IIIV族三结太阳能电池样品测试 27
4.3 本章小结 29
结束语 31
致 谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1太阳能光伏技术的诞生与发展
能源、材料和信息是促进人类社会快速发展的重要条件。人类利用地球上原有的化石能源创造了空前的社会进步与经济繁荣，然而，众所周知，化石能源是不可再生的，同时，大量化石能源的燃烧也会造成各种污染，严重制约着人类社会的快速可持续发展。这其中，太阳能资源作为一种近乎取之不尽而又清洁的能源大量存在这。1956年，美国的贝尔实验室D.M.Chapin等科学家研发出世界上第一块晶体硅太阳能电池为全世界的光伏发电应用带来福音，当时的效率仅为6%。
光伏技术的原理基于光伏效应，光伏效应最早由德国科学家赫兹在从事电磁波实验时发现，简而言之即金属表面在太阳光的照射下发射电子的现象。而后，人们发现利用金属的光电效应来产生电流的几率微乎其微，从而渐渐把研究对象放在了半导体上。半导体中可以自由传导的除了有带负电的电子外，还有带正电的空穴。这两种不同导电机制的载流子是金属中所没有的，因此，这也是目前半导体成为太阳能电池主要材料的重要原因。
虽然太阳能光伏技术在这之后得到了巨大的发展，但是太阳能电池发电效率的低下一直制约着光伏技术的进一步发展。
图11 太阳能电池效率发展示意图
随着时代与技术的进步，太阳能电池的发电效率得以不断提高，这其中，新南威尔士大学实验室开发的晶体硅电池效率已达25.0%[1]，Sloar Junction 公司的太阳能电池转换效率已经达到43.6%。效率的提升自然地带来了成本的降低，全球光伏装机量也得以大幅提升，推动了光伏行业的产业化进程。如下图所示，2014年全球新增光伏装机量已达43000MW，同比增长12.0%。太阳能资源在全球能源体系中发挥着越来越重要的作用，也为全球带来更多可持续利用的清洁能源。
图12 累计至2014年全球新增光伏装机量示意图
1.2光伏发电的战略地位及实施步骤
光伏发电技术的发展始于20世纪50年代，主要应用于给卫星等提供电力，在地面上的应用也仅仅限于一些特殊行业。光伏发电技术在1973年世界发生石油危机时才得到了世界多个国家的重视。
光伏技术在我国已经走过了数十年的光景，我国将建设光伏电站放在了国家战略的高度上，将光伏技术作为国家重点基础设施建设，我国的光伏发展潜力是无可限量的。目前我国的一些精英企业已经开始将已经达到20%转换率的晶体硅太阳能电池规模化生产作为企业的重点突破方向。对于理论效率30%，目前的晶体硅太阳能电池的效率仍然不太合人意，效率的进一步提升仍然有着发展空间。晶体硅太阳能电池在未来的十几年甚至更远的时间内都会成为光伏发电的主要突破口。近期，具有良好发展前景的还有晶体硅—非晶体异质结电池，硅薄膜电池等，而本文研制的中高倍聚光光伏测试平台就是运用了点聚焦的方式实现了对晶体硅电池的聚光，点聚焦方式能够大大提高电池的转换效率。
1.3聚光光伏技术的发展历史及分类
聚光光伏发电技术是利用聚光光学元件将平行的太阳光聚焦到太阳能电池上，以实现光伏发电的目的。通过聚光光学元件使得到达聚光太阳能电池片的光强大大增加，进而使得太阳能电池的转换效率也随之增加，提高光伏转换率的同时又能节省半导体太阳电池材料。与传统的非聚光太阳能电池发电技术相比，聚光光伏发电使用透镜或者其他光学元件代替了大部分的电池面积，而通常光学元件是用玻璃、硅胶、塑料等制成，成本要比太阳能电池的半导体硅片便宜很多，通过这个方法，在提高光伏转换效率的同时又能降低产品的成本。
尽管晶体硅太阳能电池组件的成本被人们不断降低，但是离传统能源的价格还是有不小的差距。而太阳能聚光光伏技术则是利用各种光学元件搭建而成的光学系统将平行的太阳光先通过点聚焦的形式聚集起来，照射在小面积的高效硅电池上，随着人们研究的逐步深入，科学家开始把精力转移到IIIV族多结电池上，研究发现，将不同材料的多个pn结串联而成的多结电池的转换效率比传统的硅电池效率高，更适合用于聚光光伏领域，这是由于由不同材料制成的多结电池的每个pn结可以吸收不同波长的太阳光线，可以实现对太阳光谱的高效利用。
目 录
ABSTRACT 3
第一章 绪论 1
1.1太阳能光伏技术的诞生与发展 1
1.2光伏发电的战略地位及实施步骤 2
1
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.3聚光光伏技术的发展历史及分类 2
1.4聚光光伏技术的利用现状 3
1.5聚光光伏测试平台的研究意义 4
第二章 聚光型太阳能电池的测试方法 5
2.1太阳能电池的室内IV曲线测试 5
2.2传统晶体硅太阳能电池的测试 5
2.2.1晶体硅电池的测试流程 5
2.2.2绘制IV特性曲线光强及温度等参数的校正方法 6
2.3中高倍点聚光太阳能电池的测试 8
2.3.1中高倍点聚光太阳电池的测试流程 8
2.3.2中高倍点聚光太阳电池IV特性曲线的校正 9
第三章 中高倍数点聚光光伏器件测试平台设计 10
3.1聚光光伏测试平台总体设计方案 10
3.2聚光光伏测试平台核心部件设计 10
3.2.1太阳模拟器 10
3.2.2光功率计 12
3.2.3数字源表 13
3.2.4积分球与水冷机 13
3.2.5真空泵与透镜 14
3.2.6光学平台及位移台 15
3.2.7太阳能电池温度控制夹具 16
3.3光学系统的原理性分析与设计 16
3.3.1聚光的原理及光路分析 16
3.3.2参数计算 17
3.3.3 LightTool 光学软件模拟 18
3.4小结 20
第四章 聚光光伏测试平台的搭建、调试 22
4.1聚光光伏测试平台的总体搭建与调试 22
4.1.1氙灯太阳模拟器的调试 22
4.1.2光学系统的调试 23
4.2 IIIV 族三结太阳电池的测试 27
4.2.1 数字源表的设置 27
4.2.2IIIV族三结太阳能电池样品测试 27
4.3 本章小结 29
结束语 31
致 谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1太阳能光伏技术的诞生与发展
能源、材料和信息是促进人类社会快速发展的重要条件。人类利用地球上原有的化石能源创造了空前的社会进步与经济繁荣，然而，众所周知，化石能源是不可再生的，同时，大量化石能源的燃烧也会造成各种污染，严重制约着人类社会的快速可持续发展。这其中，太阳能资源作为一种近乎取之不尽而又清洁的能源大量存在这。1956年，美国的贝尔实验室D.M.Chapin等科学家研发出世界上第一块晶体硅太阳能电池为全世界的光伏发电应用带来福音，当时的效率仅为6%。
光伏技术的原理基于光伏效应，光伏效应最早由德国科学家赫兹在从事电磁波实验时发现，简而言之即金属表面在太阳光的照射下发射电子的现象。而后，人们发现利用金属的光电效应来产生电流的几率微乎其微，从而渐渐把研究对象放在了半导体上。半导体中可以自由传导的除了有带负电的电子外，还有带正电的空穴。这两种不同导电机制的载流子是金属中所没有的，因此，这也是目前半导体成为太阳能电池主要材料的重要原因。
虽然太阳能光伏技术在这之后得到了巨大的发展，但是太阳能电池发电效率的低下一直制约着光伏技术的进一步发展。
图11 太阳能电池效率发展示意图
随着时代与技术的进步，太阳能电池的发电效率得以不断提高，这其中，新南威尔士大学实验室开发的晶体硅电池效率已达25.0%[1]，Sloar Junction 公司的太阳能电池转换效率已经达到43.6%。效率的提升自然地带来了成本的降低，全球光伏装机量也得以大幅提升，推动了光伏行业的产业化进程。如下图所示，2014年全球新增光伏装机量已达43000MW，同比增长12.0%。太阳能资源在全球能源体系中发挥着越来越重要的作用，也为全球带来更多可持续利用的清洁能源。
图12 累计至2014年全球新增光伏装机量示意图
1.2光伏发电的战略地位及实施步骤
光伏发电技术的发展始于20世纪50年代，主要应用于给卫星等提供电力，在地面上的应用也仅仅限于一些特殊行业。光伏发电技术在1973年世界发生石油危机时才得到了世界多个国家的重视。
光伏技术在我国已经走过了数十年的光景，我国将建设光伏电站放在了国家战略的高度上，将光伏技术作为国家重点基础设施建设，我国的光伏发展潜力是无可限量的。目前我国的一些精英企业已经开始将已经达到20%转换率的晶体硅太阳能电池规模化生产作为企业的重点突破方向。对于理论效率30%，目前的晶体硅太阳能电池的效率仍然不太合人意，效率的进一步提升仍然有着发展空间。晶体硅太阳能电池在未来的十几年甚至更远的时间内都会成为光伏发电的主要突破口。近期，具有良好发展前景的还有晶体硅—非晶体异质结电池，硅薄膜电池等，而本文研制的中高倍聚光光伏测试平台就是运用了点聚焦的方式实现了对晶体硅电池的聚光，点聚焦方式能够大大提高电池的转换效率。
1.3聚光光伏技术的发展历史及分类
聚光光伏发电技术是利用聚光光学元件将平行的太阳光聚焦到太阳能电池上，以实现光伏发电的目的。通过聚光光学元件使得到达聚光太阳能电池片的光强大大增加，进而使得太阳能电池的转换效率也随之增加，提高光伏转换率的同时又能节省半导体太阳电池材料。与传统的非聚光太阳能电池发电技术相比，聚光光伏发电使用透镜或者其他光学元件代替了大部分的电池面积，而通常光学元件是用玻璃、硅胶、塑料等制成，成本要比太阳能电池的半导体硅片便宜很多，通过这个方法，在提高光伏转换效率的同时又能降低产品的成本。
尽管晶体硅太阳能电池组件的成本被人们不断降低，但是离传统能源的价格还是有不小的差距。而太阳能聚光光伏技术则是利用各种光学元件搭建而成的光学系统将平行的太阳光先通过点聚焦的形式聚集起来，照射在小面积的高效硅电池上，随着人们研究的逐步深入，科学家开始把精力转移到IIIV族多结电池上，研究发现，将不同材料的多个pn结串联而成的多结电池的转换效率比传统的硅电池效率高，更适合用于聚光光伏领域，这是由于由不同材料制成的多结电池的每个pn结可以吸收不同波长的太阳光线，可以实现对太阳光谱的高效利用。
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