CN103678793A

CN103678793A - 一种对色散聚光型太阳能发电系统的仿真建模方法

Info

Publication number: CN103678793A
Application number: CN201310643710.1A
Authority: CN
Inventors: 官成钢; 刘�文; 吴展翔; 王双保; 温晨龙
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-12-03
Also published as: CN103678793B

Abstract

本发明公开了一种对色散聚光型太阳能发电系统的仿真建模方法，包括：（1）利用简单太阳大气辐射传输模式，得到入射的太阳光谱和辐射强度数据；（2）进行膜系设计，得到输入光谱的输出光谱范围和输出透射/反射率；（3）对系统建模创建实际系统模型，得到各个子太阳能电池上的投射光谱数据和辐射强度数据；（4）创建系统所使用的单结/多结太阳能子电池模型，得到各个子电池的输出响应；（5）根据各个子电池的输出响应和投射光谱数据分别计算各个子电池效率，得到整个系统的发电量和实际效率。本发明方法可以得到实际入射到电池表面光谱特性和光强数据，可以更加优化电池掺杂浓度、PN结深和扩散长度参数，更好的设计匹配性更好的电池组件。

Description

一种对色散聚光型太阳能发电系统的仿真建模方法

技术领域

本发明属于太阳能光伏发电技术领域，具体涉及到一种对色散聚光型太阳能发电系统的仿真建模方法。

背景技术

在我们面临诸多能源中，太阳能无疑是最丰富和最可靠的能源了。如果将入射到地球的太阳能量的1%以0.5%的效率转换为电能，发电量也将超过全球总能耗的40倍。常规平板太阳能技术在实际使用中已经可以取得大于10%的转换效率，而占地面积仅仅是模块面积的2倍左右，这也就是说每单位面积的土地有5%的能源转换效率。

尽管如此，由于实际可以利用的陆地面积仅仅只是全球面积的1/4，因此实际单位面积仅能够产生1.35%的转换效率。而再考虑到有13%的土地用来耕溉和26%的土地用来放牧以及部分土地无法用来太阳发电，因此实际可以提供的土地面积要更少，这也就意味着如何增加太阳能发电的系统效率，降低成本，将是太阳能发电技术的核心。

太阳能聚光发电技术无疑是一种比较好的方法，它是利用光线聚焦原理，将入射的太阳光汇集为能量密度很高的光束并投射到聚光电池上，从而增加电池发电效率，提高单位面积发电量，降低土地使用面积和减少发电成本。

而常规使用的聚光太阳能电池往往采用Ⅲ-Ⅴ族化合物多结电池，采用这些材料构成太阳能电池本身就具有独特的优势。首先，Ⅲ-Ⅴ族化合物大多都是直接带隙半导体，其光电转换效率大大超过Si，Ge等间接带隙半导体；其次，Ⅲ-Ⅴ族化合物材料种类众多，可以在不同的禁带宽度范围内或者不同的晶格常数内都有比较多的选择；最后，通过调节Ⅲ-Ⅴ族化合物材料的组分，能够实现对其禁带宽度和晶格常熟的细微调节，而这对优化多结太阳能电池的结构和提高转换效率非常有帮助。

由于太阳光谱范围从0.3nm-4nm波长范围内都有比较强的分布，因此可以将禁带宽度不同，能够吸收不同波长区间太阳辐射能量的单结太阳电池堆叠起来，形成层叠结构（图1），然而，目前技术中，以MOCVD为代表的外延生长技术只能够实现晶格匹配材料的叠层外延生长，而如果采用晶格完全匹配的材料构造多结层叠太阳电池，则又很难满足适合太阳光谱的禁带宽度匹配。因此，尽管最佳的带隙组分可以实现对太阳辐射谱的最大利用，而材料的晶格匹配便于材料的外延生长的实现，这两者往往却是一对矛盾，从而极大的限制了太阳电池转换效率的进一步提高。此外，这样的叠层多结太阳能电池结构非常复杂，需要设计低阻抗的隧道二极管进行电流的传递，从而导致成本非常高昂。

为了解决上述矛盾和降低电池制造成本，华中科技大学的刘文教授曾经提出一个采用光子晶体的色散型太阳能电池专利（专利号201010031383），将入射到电池表面上的聚光广谱太阳光利用分光单元分成不同频率的光谱，而用若干个不同禁带宽度的并列子电池来代替原本上下叠层的多结太阳能电池，忽略了禁带宽度和晶格匹配之间的矛盾，降低了对隧道二极管的设计难度，并且更好的满足电流匹配和光谱匹配，从而大大降低了多结太阳电池的设计和制造难度。而从成本上来考虑，因为用了价格便宜的分光单元来代替复杂且昂贵的叠层电池MOCVD外延生长技术，因此，这样的色散聚光太阳能技术（图2）具有比较低廉的生产和制造成本。

在这样的色散聚光太阳能系统制造前期，如果能够有一种方法来严格精准的设计建模仿真整个系统架构，则无疑能够极大的降低设计成本，并且具有非常高的灵活性。然而，目前所有的光学设计软件或者电池仿真软件都仅仅只能够考虑局部单一情况，而不能够对整个系统有所考虑。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种对色散聚光型太阳能发电系统的仿真建模方法，该方法可以对整个色散聚光太阳能系统进行系统建模和仿真，最终得到系统发电效率和发电量。同样，该方法也可以使用在常规聚光太阳发电系统前期设计中。

为实现上述目的，本发明提供了一种对色散聚光型太阳能发电系统的仿真建模方法，包括：

（1）利用简单太阳大气辐射传输模式，导入系统实际所在地的经维度、气压、温度、大气和系统安装倾斜角度，得到入射的太阳光谱和辐射强度数据；

（2）利用Film wizard镀膜软件对色散元件进行膜系设计，得到输入光谱的输出光谱范围和输出透射/反射率；

（3）利用Tracepro光学软件对系统建模，创建实际系统模型，将步骤（1）中所得到的太阳光谱和辐射强度数据导入模拟实际安装所在地的输入太阳光源，同时将步骤（2）中所得到的输出光谱范围和输出透射/反射率导入模拟真实分光元件特性，再对整体系统进行仿真设计，得到各个子太阳能电池上的投射光谱数据和辐射强度数据；

（4）利用PC1D太阳能电池仿真软件创建系统所使用的单结/多结太阳能子电池模型，然后将步骤（3）中所得到的各个子太阳能电池上的投射光谱数据和辐射强度数据依次导入，得到各个子电池的输出响应；

（5）根据各个子电池的输出响应和投射光谱数据分别计算各个子电池效率，最后得到整个系统的发电量和实际效率。

在所述步骤（3）之后，还根据各个子电池表面的光强，模拟出各个子电池表面温度，并在所述步骤（4）中利用所述电池仿真软件根据所述各个子电池表面温度进行仿真设计。

根据本发明所述方法，可以得到实际入射到电池表面光谱特性和光强数据，从而可以更加优化电池掺杂浓度，PN结深和扩散长度等参数，从而更好的设计匹配性更好的电池组件。

附图说明

图1是传统叠层多结聚光太阳能电池原理示意图；

图2是色散聚光太阳能电池原理示意图；

图3是采用SMARTS模式得到的安装地点的太阳光谱和辐照度数据；

图4是采用Film wizard软件模拟得到的29层高通滤光膜输出光谱数据；

图5是实际的色散聚光型太阳能发电系统模型；

图6是利用Tracepro软件对图5进行系统建模的仿真图；

图7是采用PC1D软件建立的Si基子电池；

图8（A）是根据输入光谱强度和光谱得到的2组子电池中GaAs子电池功率输出示意图；

图8（B）是根据输入光谱强度和光谱得到的2组子电池中Si子电池功率输出示意图；

图9是各个子电池输出功率数据表格；

图10是本专利提出的对于色散聚光太阳能系统仿真方案的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是传统叠层多结聚光太阳能电池原理图，叠层太阳能多结聚光电池各层材料之间需要满足晶格匹配和禁带宽度匹配，这样才能够实现高转换效率和高可靠性，而晶格匹配和禁带宽度匹配又往往是对矛盾，材料的选择很难在这两者之间完全匹配。对于一个三结太阳能电池，最优带隙组合应该是0.71eV，1.16eV和1.83eV，通常采用GaInP/GaAs/Ge三种材料结合，而由于采用MOCVD技术进行材料外延生长，因此叠层太阳电池成本通常非常高昂，并且由于要采用低阻抗的隧道二极管来实现层与层之间的电流传递，因此结构也往往非常复杂，再加上伴随结数的增加，其材料可选性和成本都成指数增加，因此想利用这样的叠层太阳能电池来实现4结，5结甚至6结电池来进一步增加太阳能电池的转换效率，则无疑是一件非常困难的事情。

针对这些问题，华中科技大学的刘文教授曾经提出一个新的解决思路，如图2所示，在这个采用光子晶体的色散型太阳能电池专利（专利号201010031383）中，利用分光单元将广谱汇聚太阳光分成若干个子光谱，然后在各个子光谱内放置其禁带宽度与之匹配的电池，这样就不会受到晶格匹配和禁带宽度的限制，并且由于各个子电池之间是分别连接各自总线上，因此也可以不考虑电流匹配问题，更不需要设计复杂的隧道二极管，很容易就构造成4结，5结或者6结电池组，从而进一步降低成本，提高系统效率。

而针对这样的系统模型，还没有一个切实有效的仿真建模软件可以完全对整个系统仿真，而在系统前期设计中，如果能够有一种方法对系统整体架构进行仿真设计，则可以大大提高系统安装的准确度和降低成本。

因此，本专利提出了一种对色散聚光型太阳能发电系统的仿真建模方法，该方法可以对整个色散聚光太阳能系统进行系统建模和仿真，最终得到系统发电效率和发电量。同样，该方法也可以使用在常规聚光太阳发电系统前期设计中。

整个实现方法可以按照如下步骤但不局限其实现顺序：

a)首先利用简单太阳大气辐射传输模式（SMARTS），导入系统实际所在地的经维度，气压，温度，大气和系统安装倾斜角度等数据情况，最终得到入射的太阳光谱和辐射强度数据。SMARTS代码是准光谱辐射模型，它可以用来计算入射到任何几何形状表面上的地表直射，地表漫射和总的地表太阳光谱辐射能流。其最新版本得到了美国国家可再生能源实验室（NREL）的支持，并且共同研发出一种特别适合用户的Excel界面，SMARTS的程序和文件在注册登记获得使用许可后，可以自由的从NREL官方网站上下载和使用。

图3是使用SMARTS软件后，根据实际安装地点环境情况，生成的太阳光谱和辐射强度数据。相比较ASTM G173-03全球参考太阳光谱相比，则更加逼近实际使用中光谱分布情况，保证了仿真准确性。

b）如果采用滤光膜方式进行分光，则可以根据光谱匹配要求利用Filmwizard等镀膜设计软件对色散元件进行表层膜系设计，仿真得到色散元件的透射谱和反射谱，如图4所示为一个29层的膜系设计，其中高通短波段可以给高禁带宽度电池使用，而低通反射波段则可以给高禁带宽度电池使用。

c）利用Tracepro光学软件对系统建模，创建实际系统模型，图5是一种实际色散聚光型太阳能发电系统模型，采用高反射率的镀银低铁抛物面玻璃镜面作为一级聚光器，而采用图4所示的滤光片作为分光元件，短波段给位于焦平面的GaAs单结太阳能电池使用，而长波段给位于下方的Si基太阳能电池使用，为了确保入射到电池表面光斑的均匀性，采用一个内壁反射的匀光器来保证其效果。

将a）中所得到安装地点的太阳光谱和辐射强度数据作为输入光源参数，同时按照b）中的色散元件参数给分光元件建模，再对整体系统进行仿真，最终得到各个子太阳电池上的投射光谱数据和辐射强度数据，整个仿真图如图6所示。

d）将c）步骤最后得到的各个子电池表面的投射光谱数据和辐射强度数据生成入射光谱文件，再利用PC1D太阳能电池仿真软件建立各个子电池模型，图7所示，如，禁带宽度为1.428eV的GaAs子电池和禁带宽度为1.12eV的Si子电池，或者由GaAs/GaInP和GaInAsP/GaInAs构成的2组双结子电池，最后利用入射光谱文件生成入射光参数，从而得到各个子电池的输出功率和输出效率，如图8所示。其中，PC1D软件是澳大利亚新南威尔士大学光伏研究中心开发的一款太阳能电池仿真软件，可以在其官方网站下载和使用。

e)最后根据各个子电池的输出数据和入射光强数据分别计算各个子电池效率，得到整个系统的发电量和实际效率。

在步骤c）和步骤d）之间也可以利用所得到的各个子电池上的光强数据来对各个子电池进行热仿真，从而得到各个子电池上的模拟温度，将该温度带入电池仿真软件进行设计后，可以得到更加精确的结果。

本专利所描述的仿真建模方法，如果应用在太阳能电池参数设计中，优化目标值为电池参数和材料结构设计。即可以根据本专利所描述方法得到实际入射到电池表面光谱特性和光强数据，从而可以更加优化电池掺杂浓度，PN结深和扩散长度等参数，从而更好的设计匹配性更好的电池组件。

下述为根据本发明所述方法所构建的一个优选实施例，具体为：

图3是本专利中利用SMARTS模式得到实际系统安装地点的太阳光谱数据和光强数据，SMARTS输入变量中的其它大气条件为：1）臭氧层总的柱丰度为0.3437kPa·m；2）海平面上的可凝结水量为1.416cm；3）标准大气压力为101.325kPa；4）二氧化碳柱状体积浓度为0.37L/m3；5）对流层除了二氧化碳，臭氧层总的柱丰度和可凝结水量外，其它气体的柱状体积浓度取标准值；6）太阳常数为1366.1W/m2，忽略亮度，发光功效和促进光合作用的光合激活辐射和特殊紫外线波段内的计算；7）太阳圆周角默认为180度；8）选择为城市气溶胶模式9）实际地点的经维度等数据后，即可得到当地太阳辐射和太阳光强数据，如图3红色曲线所示。

图4是利用Film wizard镀膜软件来设计所需要的分光单元表层膜系，本发明实施例中，考虑到GaAs电池的耐温性和热膨胀系数都远远比Si电池要好很多，因此将高聚焦、光强密度高的焦点处放置GaAs电池，与之对应短波段，正好和GaAs的光谱特性对应，而将反射回来的长波段给予Si电池，从而更加充分利用太阳光谱。采用29层膜系结构可以保证在整个广谱范围内可以达到至少80%以上的透/反射率，如果要进一步提高发电效率，可以采用层数更多的膜系结构来设计分光滤光片。同样类似，也可以设计一个带通滤光片，来实现其它的分光方式。

图5是本专利所涉及到的一种色散聚光型太阳能发电系统，由高反射率低铁玻璃抛物面聚光器（1）、低通石英滤光片（2）、高禁带宽度太阳能阵列电池（3）、低禁带宽度太阳能电池（4）、匀光器（5）构成。

该色散聚光型太阳能发电系统特征在于：利用29层低通滤光片（2）将太阳光中280nm-871nm波段的光，透射输入给高禁带宽度太阳能阵列电池（3）上，而将871nm-2500nm波段的光反射给低禁带宽度太阳能电池（4）上。所选择的高禁带宽度太阳能电池可以采用GaAs单结太阳能电池；所选择的低禁带宽度太阳能电池可以采用常规Si太阳能电池，也可以采用GaInAsP/GaInAs构成的双结太阳能电池;所采用的低铁玻璃聚光器(1)具有比较低的光吸收系数和比较高的可靠性;所采用的匀光器（5）内嵌反光镜，短波长光能量入射到匀光器后，可被均匀分布到高禁带宽度太阳能阵列电池（3）上，从而保证同一块电池片上的电流匹配。

在Tracepro光学仿真软件中输入实际安装地点的光谱数据和分光模型，即可得到入射到各个子电池表面上的光强数据，其中，高禁带宽度太阳能阵列电池（3）位于聚光器焦点附近，而低禁带宽度太阳能电池（4）位于其下方，整体构造如图6所示。

得到各个子电池上的入射光强数据后，也可以同时利用热仿真软件对实际应用中的电池温度进行仿真，从而得到各个子电池表面上的模拟温度数据后，则可以在后续电池效率仿真中更加接近真实情况。

利用PC1D软件生成所需要的各类子电池，一片为背电场太阳能Si电池（BSF电池），如图7所示，另外一片则采用GaAs单结电池。Si电池的衬底材料采用P型单晶硅材料，上表面为减反膜结构，下表面为铝背反射器。GaAs单结电池为GaAs/Ge结构，具有高效率、抗辐照和耐高温的优点。

根据Tracepro软件建模所得到的实际入射到各个子电池的光谱数据和辐射强度后，利用其作为光源，导入进PC1D软件所设计的电池模型上，得到各个子电池的的输出功率和效率，如图8所示，其中上图为GaAs子电池功率输出情况，下图为Si子电池功率输出情况。

最后根据各个子电池的输出数据和入射光强数据来分别计算各个子电池效率，如图9所示，分别给出来了入射和反射到电池表面的输入光强和输出光强，根据这些数据计算就可得到整个系统的发电量和实际效率。

通过上述发明，就可以解决对于色散聚光型太阳能发电系统的仿真建模，从而可以进一步降低成本，具有很大的灵活性。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种对色散聚光型太阳能发电系统的仿真建模方法，其特征在于，所述的建模方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的仿真建模方法，其特征在于，在所述步骤（3）之后，还根据各个子电池表面的光强，模拟出各个子电池表面温度，并在所述步骤（4）中利用所述电池仿真软件根据所述各个子电池表面温度进行仿真设计。