新闻中心

公司产品广泛应用于石油、化工、天然气、水利、水务、桥梁、码头、电力、光伏、热力、通讯、市政交通等领域。

首页

怡能课堂

集团新闻

行业新闻

聚光光伏（CPV）发电系统的应用

Jun 23,2026

光伏支架是怡能智造集团四大支柱产业（电力铁塔、光伏支架、螺旋钢管、交通护栏）之一。怡能智造集团拥有年设计、生产12万吨光伏支架的能力。今天继续为大家分享光伏的相关知识。

在太阳能光伏发电系统中，由于太阳能的辐射密度低，太阳照射到地面上的平均光强只有1000W/m2，所以增加太阳光的光强是提高辐射效率、降低太阳能发电系统成本的解决办法之一。要想增加太阳能的光强，需要用凸透镜或者菲涅尔透镜或反光板把光聚集起来，如下图所示。这样就能大大减少晶体硅、砷化镓等太阳电池材料的使用量，从而降低太阳能发电系统的价格，这就是聚光光伏发电系统的由来。聚光光伏正在引领低成本可再生能源资源向两个方向发展，一是提供更高效率的系统，二是最大可能的降低成本。从20世纪70年代起，一直有科学家提出想法：在光伏系统中使用光学元件，聚焦太阳辐射到电池上以减少电池使用面积，从而降低整个光伏系统的成本。

聚光光伏发电系统

在20世纪80年代期间，受各项技术的制约，聚光光伏发电基本处于研究、实验阶段。为了使聚焦后的太阳光能达到最佳效果，要求光伏电池也必须相当高效——要远远高出研究初期实验室达到的20％的最高记录。光伏电池技术制约了高倍数聚光技术。当时最高聚光效率是40％，因此光学元件十分简单。基于晶体硅的电池技术，以及其较低的转换效率根本无法大规模减少电池使用面积，并且由于硅不耐高温，导致了系统效率衰减等诸多问题。例如，1980年由桑地亚实验室（Sandia Labs）在沙特阿拉伯安装的Soleras项目，系统效率6年内衰减20％，主要是由于硅在高温下不断剥落；另外采用陈旧的跟踪技术，以及计算规则和控制系统方面的问题，也是造成系统效率衰减的原因。然而尽管存在这些问题，该项目仍然持续运行了18年。

聚光光伏发电系统的技术问题

聚光光伏发电系统虽然原理比较简单，且聚光倍数越高造价就越便宜，但一些技术问题确实影响或阻碍了聚光光伏发电技术的快速发展。其技术问题主要有以下几个方面。

（1）单晶硅承受不了高倍聚光在半导体材料中，虽然砷化镓可以承受1000倍的光强，但是砷化镓价格昂贵，不可能大幅度地降低制造成本。另外，砷化镓中的砷是剧毒物质，在以环保为主题的国际环境下也不可能大量使用，所以还是只能在单晶硅上做文章。一般单晶硅只能承受3～5倍的光强，而在聚光光伏发电系统中，3～5倍的聚光几乎不能降低系统成本。要想大幅度降低成本，聚光必须达到10倍以上，而要承受10倍以上的聚光，必须采用特制的单晶硅或其他新型半导体材料电池片。

（2）电池片的散热普通的硅光电池板在夏日中午时表面温度能达到75℃以上，而且在两倍太阳光强下时间一长就会起泡，在5倍太阳光强下10min就会起泡，在10倍太阳光强下5min就会起泡。起泡后太阳电池片就会被氧化，并在很短的时间内大幅度降低效率；另外起泡后，电池片受热不均匀，常常有电池片发生炸裂，这样系统就完全不可用了。

如果太阳电池板使用铝或者铜制的散热片进行自然散热，需要大量的散热器，造价特别高，甚至高到比硅电池片还要高。如果使用强制风冷，就要使用大量的电能，得不偿失，并且风扇的寿命和可靠性不高；要想达到高可靠性，系统就必须设置错误检查装置和必要的冗余能力，这样又会使系统造价成倍增加。如果使用水冷，除了要使用电力外，还需要水泵，由于管路多、连接点多，故障点必然多，造价也不低。虽然水冷的效率要高于风冷，但是在故障率一票否决制的太阳能发电系统中却不可用。

（3）反光板反光板大部分是采用高反射率的薄铝板，但这种铝板不能经受冰雹，也不能擦洗，如果擦洗会产生永久性损伤。这种铝板使用期限为8年左右，并且反光率逐年降低，8年就基本上只有40％的反光率了，远远达不到太阳能光伏发电系统25年的寿命要求。有些反光铝板贴有保护膜，但是保护膜造价高也不防冰雹，不能解决所有问题。另外，为了降低成本，铝板厚度一般只有0.3mm左右，这样使加工难度增大，成本很高。

（4）自动跟踪器光伏电池只有在聚光器的焦点才能工作，因为地球每时每刻都在转动，所以必须使用跟踪器才能保证光伏电池一直处于聚光器的焦点。自动跟踪器是聚光光伏发电系统的主要装置之一，没有跟踪器系统就不能运行。跟踪器除了保证系统能运行外，还能比不带跟踪器的系统平均多发30％～40％的电。但是跟踪器是机械结构，除了要消耗一部分电能之外，长年累月的运行会有磨损，容易出故障。跟踪器一旦出现故障，系统就不能运行。如果有磨损，跟踪精度就会下降，精度下降过多时，跟踪器就不能继续运行，此时需要检修或更新。

聚光光伏发电系统的发展和应用

聚光光伏发电技术的发展和应用取决于高效电池、光学部件和太阳跟踪三大技术的提高。目前每项技术都取得了不同程度的重大突破，直接促使已经商业化的聚光光伏发电系统在光伏发电市场上更具竞争力。

（1）聚光光伏发电系统的高效电池电池技术不断得到提升，其效率也因而大大提高。接触点在背面的硅基太阳电池的最高效率已经达到27.6％，一些厂商如Amonix和Guascor Foton在低于400倍的聚光系统中采用这种类型的电池。然而，电池技术的最佳提升在于使用复合三五族半导体材料，三五族化学元素如镓与铟、铝、磷的合金，能够大大提高电池的耐温能力。镓的热系数是1.76×10-3℃，而硅是3.21×10-3℃。使用复合三五族半导体技术还可以制成含两个或更多个PN结的多结太阳电池（就是将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅基片上，在它们的交界面就形成空间电荷区PN结）。使用这种电池能够更好的吸收太阳光谱，因为每个PN结都能够被优化，接收不同波段的辐射。基于对不同光谱的吸收效果，理论上硅电池的效率极限是40％，而多结电池有可能达到86％。电池的这种高效特性能够减少电池使用面积到1cm2或者1mm2，从而提高热吸收，并且减少部分的阻力。目前几乎所有使用多结电池的系统中聚光效率都超过350倍，甚至超过450倍，有些公司的系统效率甚至达到1000倍，通向更高效率的道路已经铺平。

（2）散热器散热器也一直是聚光光伏发电系统的一大挑战。目前大多数系统中使用一种热沉或热量分散器进行被动冷却。在大多数系统设计中，采用在铝板上安装电池基座的方法，借助于铝绝缘性好、导热性能佳的特性达到散热的目的。为了提高散热效果，很多设计使用非常简单的小面积铜和铝板，其他部分直接和模组金属基座连接。在大型的抛物镜面系统中，就需要采用主动冷却系统，所有电池都安装在一起，散热区域位于下方。

（3）光学系统设计出符合高聚光系统苛刻要求的光学部件，对聚光光伏发电技术也是十分关键的。传统系统中，平板菲涅尔透镜或镜子都被采用过。目前，菲涅尔透镜仍然被许多系统所采用，是由于菲涅尔透镜易于设计和模拟以及较低的成本。然而要达到高倍聚焦系统的要求，菲涅尔透镜制造却面临着一系列挑战。目前有多种技术工艺可以制造菲尼尔透镜，从注塑到热压，再到硅薄膜等方式都需要经历非常艰难的工艺调试，有时价格也不够乐观。为了提高整个系统的光线接受角，可以使用二次光学元件。二次光学元件通常是固体玻璃或中空金属棱镜，这两种光学元件都能够提高光能在电池上的分布，从而提高光接受效率。

反射式光学元件是另一种选择，能够以多种方式使用，如在大型抛物镜面系统中，使用电池阵列；或者小型镜面系统，每个电池对应一个抛物镜。另外，其他非成像光学概念如内部全反射（TIR）系统也有公司采用。近年来，一些新的光学概念或系统被开发出来，这种技术融反射和折射为一体，并且有潜力达到非常高的聚光比，并且入射角也非常宽。

（4）跟踪系统跟踪系统和光学元件接受角密切相关，因此系统设计应该比较精确，并且要适应每个模组技术。2.5倍以下的聚光系统一般都无需太阳跟踪。中倍聚光（最高40倍）系统可以采用线性跟踪，也就是只在南北轴上自东向西运动。对于高倍聚光系统来说，必须采用高度精确的双轴太阳跟踪。

跟踪系统可以通过开路（太阳运动公式）或闭路（光传感器）控制实现。采用单控制方式能够准确发现跟踪错误位置。开路循环控制如果没有精确安装和定位，整个系统跟踪精确度就会下降。如果乌云遮挡光传感器，闭路系统则不能正常运行。目前，跟踪系统大都采用混合控制方式，包含太阳运动计算和太阳辐射或电力输出感应器等。

（5）标准化测试 2007年12月，聚光光伏发电的第一个标准（IEC62108）获得通过。该标准提出了对聚光光伏发电模组进行稳定性测试。这些测试包括电力测试、耐候性测试、机械性测试和环境条件测试。聚光光伏发电系统在安装之前必须经过标准中这些最重要的测试，并不断改进设计和修改系统以符合标准的要求。

根据现有技术，结合行业标准以及一些示范项目的安装和运行经验，聚光光伏发电技术正在经历着非凡的进步。全世界聚光光伏发电装机容量已经达到了相当可观的规模。但聚光光伏发电系统仍然处在发展的早期阶段，具备快速发展的潜力。随着各国政府支持下的太阳能光伏发电市场的蓬勃发展，聚光光伏发电系统将以其独特的方式快速发展，聚光光伏发电技术的巨大能量，必然对实现低成本利用、提高生产效率、尽快达到与常规能源发电具有同等竞争力起到积极地促进作用。