美国宾州州立大学开发“户用聚光式太阳能光伏电池”

美国宾州州立大学(PSU)宣布，开发出了厚度仅1cm、无需外置太阳追踪装置的聚光式光伏发电(CPV)电池板技术(英文发布资料)。PSU已经发表论文。利用该技术可以在个人住宅的房顶设置CPV电池板。

　　CPV系统是利用聚光镜将太阳光聚集在一点，在该位置设置3/4结化合物太阳能电池进行发电的技术。多结化合物太阳能电池的发电效率虽然是普通Si类太阳能电池的2倍或2倍以上，但价格高达相同面积Si类太阳能电池的100倍以上。因此，用途仅限于人造卫星、太阳能汽车挑战赛以及CPV系统等。

CPV系统之所以能利用多结化合物太阳能电池，是因为利用的太阳能电池单元的面积非常小。由于转换效率约为2倍，如果电池单元的面积为聚光镜面积的1/50以下，也就是说聚光倍率为50倍以上，则即使单位面积的价格为100倍，也能与Si类太阳能电池竞争。另外，聚光倍率较高的话，相同面积的电池板采用的电池单元在价格上可实现比Si类太阳能电池高出数倍的“性价比”。

　　不过，现实存在的课题也很多。以往的CPV系统为缩短聚光镜的焦距，电池板的厚度需要达到近30cm。再加上聚光镜本身的重量，电池板整体会变得非常重。另外，由于太阳每天东升西落，要想让电池单元持续受光，需要设置使电池板的方向一直朝向太阳的追踪装置。使很重的电池板持续准确地追踪太阳的追踪装置尺寸非常大，驱动追踪装置就要用掉部分发电电力。因此，在个人住宅的房顶设置该系统并不现实。

　　让电池单元移动

　　开发此次的薄型CPV电池板技术的，是PSU电气工程系助理教授Noel C. Giebink的研究室。Giebink研究室利用3D打印机制作了直径为12.7mm的树脂制小型聚光镜，在两枚聚光镜之间设置了约1mm见方的多结化合物太阳能电池。太阳能电池贴在透明的树脂板上，连同树脂板一起沿水平方向移动。聚光镜之间的距离为1～2mm，包括聚光镜在内的电池板厚度约为1cm。

　　两枚聚光镜中，上部聚光镜作为普通的凸透镜，下部聚光镜作为凹面镜发挥作用。Giebink研究室设计的聚光镜使穿过上部聚光镜的太阳光被下部聚光镜反射，正好在太阳能电池单元的位置成像。不仅如此，考虑到太阳光最强的波长在一天中会变化，设计了聚光镜的曲率。也就是说，正午前后太阳光从聚光镜正面入射时，将聚光镜的曲率优化为蓝色光的波长，在早上和傍晚太阳光斜着入射聚光镜时，优化为红色光。

　　当然，光这样的话，随着太阳的移动，成像位置也会移动，从而偏离太阳能电池单元。对此，Giebink研究室的解决办法是，使张贴太阳能电池单元的树脂板朝着与太阳移动轨迹相反的方向移动。

　　据Giebink研究室介绍，电池单元一天的移动距离约为1cm。这样，每天可以实现8小时的光伏发电。理论上的聚光倍率高达200倍以上。Giebink研究室实际制作的电池板由于3D打印机的制作精度较低，聚光倍率只有100倍以上。

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