美國賓州州立大學開發「戶用聚光式太陽能光伏電池」

2020-12-17 索比光伏網

美國賓州州立大學（PSU）宣布，開發出了厚度僅1cm、無需外置太陽追蹤裝置的聚光式光伏發電（CPV）電池板技術（英文發布資料）。PSU已經發表論文。利用該技術可以在個人住宅的房頂設置CPV電池板。

CPV系統是利用聚光鏡將太陽光聚集在一點，在該位置設置3/4結化合物

太陽能電池

進行發電的技術。多結化合物太陽能電池的發電效率雖然是普通Si類太陽能電池的2倍或2倍以上，但價格高達相同面積Si類太陽能電池的100倍以上。因此，用途僅限於人造衛星、太陽能汽車挑戰賽以及CPV系統等。

CPV系統之所以能利用多結化合物太陽能電池，是因為利用的太陽能電池單元的面積非常小。由於轉換效率約為2倍，如果電池單元的面積為聚光鏡面積的1/50以下，也就是說聚光倍率為50倍以上，則即使單位面積的價格為100倍，也能與Si類太陽能電池競爭。另外，聚光倍率較高的話，相同面積的電池板採用的電池單元在價格上可實現比Si類太陽能電池高出數倍的「性價比」。

不過，現實存在的課題也很多。以往的CPV系統為縮短聚光鏡的焦距，電池板的厚度需要達到近30cm。再加上聚光鏡本身的重量，電池板整體會變得非常重。另外，由於太陽每天東升西落，要想讓電池單元持續受光，需要設置使電池板的方向一直朝向太陽的追蹤裝置。使很重的電池板持續準確地追蹤太陽的追蹤裝置尺寸非常大，驅動追蹤裝置就要用掉部分發電電力。因此，在個人住宅的房頂設置該系統並不現實。

讓電池單元移動

開發此次的薄型CPV電池板技術的，是PSU電氣工程系助理教授NoelC.Giebink的研究室。Giebink研究室利用3D印表機製作了直徑為12.7mm的樹脂制小型聚光鏡，在兩枚聚光鏡之間設置了約1mm見方的多結化合物太陽能電池。太陽能電池貼在透明的樹脂板上，連同樹脂板一起沿水平方向移動。聚光鏡之間的距離為1～2mm，包括聚光鏡在內的電池板厚度約為1cm。

兩枚聚光鏡中，上部聚光鏡作為普通的凸透鏡，下部聚光鏡作為凹面鏡發揮作用。Giebink研究室設計的聚光鏡使穿過上部聚光鏡的太陽光被下部聚光鏡反射，正好在太陽能電池單元的位置成像。不僅如此，考慮到太陽光最強的波長在一天中會變化，設計了聚光鏡的曲率。也就是說，正午前後太陽光從聚光鏡正面入射時，將聚光鏡的曲率優化為藍色光的波長，在早上和傍晚太陽光斜著入射聚光鏡時，優化為紅色光。

當然，光這樣的話，隨著太陽的移動，成像位置也會移動，從而偏離太陽能電池單元。對此，Giebink研究室的解決辦法是，使張貼太陽能電池單元的樹脂板朝著與太陽移動軌跡相反的方向移動。

據Giebink研究室介紹，電池單元一天的移動距離約為1cm。這樣，每天可以實現8小時的光伏發電。理論上的聚光倍率高達200倍以上。Giebink研究室實際製作的電池板由於3D印表機的製作精度較低，聚光倍率只有100倍以上。

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