基于微尺度砷化镓光伏器件的超高效(≥30%)聚光型光伏系统发电机理及关键科学问题研究

High concentrated photovoltaic(HCPV) has been becoming one of the most potential direction in the field of photovoltaic system application, with its advantages of stability and high efficiency. The project is aimed to improve the technology of core and key devices, to innovate the new mode of key functional devices, to break the restrictions of current HCPV technology mode, to especially solve some key issues improving the efficiency of concentrated of CPV power system at aspects of non-imaging optical design theory and PV devices integrated process.At the same time, the project introduces some key technologies, for example,ultra-high efficiengy combining non-imaging high concentrated(UHE-CNC) technology, high accuracy concentrated module SMT packaging technology, distributed active cooling technology, full range four-quadrant photoelectric sensing high precision tracking control technology. The project researches power generation principle and key scientific issues of ultra-efficiency CPV power system, achieve 1000 concentrated ratio of UHE-CNC system and stable operation of ultra-efficiency(≥30%) CPV power system, make a beneficial exploration and attemption of new type ultra-efficiency HCPV power system integration technology innovation and comprehensive industrialization in the future.

高倍聚光型光伏发电技术因其稳定、高效等显著特点而逐渐成为光伏系统应用领域中最有潜力的发展方向之一，本项目拟通过核心关键性器件的技术改进以及关键功能性部件的模式创新，打破当前高倍聚光光伏技术模式的限制，全面解决在非成像光学设计原理以及光伏器件集成工艺等方面提升聚光型光伏发电系统光电转换效率等关键问题，结合超高效组合式非成像高倍聚光技术、高精度聚光模组SMT封装技术、分布式主动散热技术、全方位四象限光电传感式高精度跟踪控制技术等相关关键技术，重点开展基于微尺度砷化镓光伏器件的超高效聚光型光伏(CPV)发电系统的发电机理及关键科学问题研究，实现组合式非成像高倍聚光系统的聚光比突破1000倍，进而实现超高效（≥30％）聚光型光伏发电系统的稳定运行，为新型、超高效的高倍聚光型光伏电站系统集成技术创新研究以及未来全面产业化做出有益的探索与尝试。

当前，煤、石油、天然气等常规能源大量消耗，不仅造成常规能源紧缺，还导致全球气候持续变暖，空气质量严重恶化，太阳能光伏发电技术作为绿色、可持续发展的战略性新能源技术，是解决这些问题的有效途径之一。为此，本项目基于当前光伏技术发展趋势，通过核心关键性器件的技术改进以及关键功能性部件的模式创新，打破当前高倍聚光光伏技术模式的限制，为实现超高效（≥30%）聚光型光伏发电系统的稳定运行及未来全面产业化做出有益的探索与尝试。.项目基于成像光学的自动优化算法完成了几何聚光比1000倍、聚光效率达90.2%的非球面平凸透镜的设计与仿真分析，结合非成像光学的非序列光线追迹对消色差二次聚光器的结构进行了优化，实现了聚光效率达89%、接收角达±0.9°的超高效组合式非成像高倍聚光系统（UHE-CNC）的整体设计、加工及测试分析；基于微尺度砷化镓光伏接收器的特性，完成了高定位精度聚光光伏模组的结构设计与加工；通过分析微尺度砷化镓光伏接收器、消色差二次聚光器、非球面平凸透镜阵列、模组定位构件等结构特点设计了高定位精度非金属定位销SMT模组封装工艺，完成了高倍聚光光伏模组的整体封装；开发出了一套跟踪精度达±0.3°的全方位四象限光电传感式双轴跟踪系统，实现了聚光模组的全天候、全方位高精度自动跟踪；此外，本项目提出了微型化分布式散热理念，通过焦点能量的分散化提高聚光光伏模组的整体散热效率，保证了模组在低温下高效运行；在STC(AM1.5D光谱、1000W/m2)条件下进行了模组I-V测试，实现了33.2%的模组光电转换效率。在拥有13 亿多人口的中国，稳定、低成本、超高效的聚光型光伏（CPV） 电站系统的研制、规模化生产及市场推广，有利于解决关系国计民生能源短缺难题，有利于解决我国目前面临的自然环境恶化的问题，有利于加快实现新时代生态文明建设，具有极大的社会效益及经济效益。