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“放大镜” + ¨小芯片¨,光伏发电效率翻番

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太阳能光伏成为清洁能源转型的领跑者,彭博社新能源新能源财经也在2016年初的新报告中表示,光伏发电已经成为最廉价的发电方式之一, 并预测到2040年,光伏电板成本将下降60%。在光伏芯片更新换代的同时,也有小小的光伏附件可以让屋顶光伏的光电转换效率翻倍,充分发挥光伏能源效率潜能。


光伏发电效率翻番的诀窍有两个,一是优化光伏芯片的材料,二是让更多的太阳光聚集在光伏电池芯片上。

如果从优化光伏电池芯片上入手,相比市场上光电转换率为10-20%的一般光伏芯片,现在波音公司的光谱实验室中的三结电池(upright metamorphic 3-junction solar cell)在364倍聚光倍率下,光电转换效率已经能达到41.6%。但这种芯片很难推广到屋顶光伏,原因很简单,成本太高。

什么是聚光光伏?

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通过透镜或反射镜等光学元件,将大面积太阳光聚集在极小的面积上,然后再将汇聚过的太阳光通过高转换效率的光伏电池芯片直接将光能转化为电能。

 

那么,从聚光入手呢?现在市场的普遍行情是,聚光光伏系统普遍设计笨重,不灵活,且必须实时根据太阳光的角度来调整位置才能发挥最大作用。

另外,聚光光伏系统通常对地区及设计的要求较严格,由于:

  1. 系统需要阳光直射才能发挥最大效益,所以适用的最佳地域为太阳直射时间较长的低纬地区;
  2. 由于聚光系统的造价较高,只有在太阳辐射较强的地区才能充分达到系统效率的提升以生产足够的电量来抵消成本的增加;
  3. 追踪传感器的金属架构在阳光下可能产生阴影,所以光伏系统的设计及超级芯片的布置需要避开可能的阴影范围。

在这个两难的情况下,瑞士创业公司Insolight开发了一种新系统,在成本最优的情况下综合了两个诀窍的优点。也就是在光伏电板上装有少量的超级光伏电池芯片,同时研发了一种可以架在光伏电板上的薄塑料板,将大面积太阳光聚集在高转换率的光伏芯片上,以此让光伏电板的光电转换率翻番。

这里Insolight沿用了聚光光伏的原理。Insolight的CEO Laurent Coulot做了一个很形象的比喻:聚光光伏就好比我们洗手间的淋浴设计,为了让水流出去,我们不会在整个地板上都铺满下水口。屋顶光伏也是如此,要高效率地收集太阳光,我们只需要确保所有的太阳光能剧集在那一个“下水口”,也就是高转换率太阳芯片上。

 

所以,有了这种技术,我们不再需要这样收集太阳光。

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收集太阳光的过程变成了这样

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那么这块薄塑料板的设计原理是什么?是怎么样保证大面积收集太阳光360度没有死角?他们设计了一种注塑薄板,上面布满了塑料气泡透镜,就像无数个小小的“放大镜”,这些放大镜让太阳光能够直击面积仅为几平方毫米的超级太阳芯片。

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再将这块布满放大镜的薄板嵌在一个金属框内。该金属框中设有追踪太阳位置的传感器,也就是逐日追踪器, 每天仅需移动几毫米就能不论太阳的角度如何100%捕捉阳光,并转化为直射太阳光,这种情况下的 光电转换率比常规太阳能电池高出52%。该特征在纬度高的地区就更显得弥足珍贵。因为高纬度地区太阳高度小,直射时间短,Insolight的光伏附件可以将任何角度的太阳光转化为直射光,能够充分发挥其日照时间长的优势。

德国的弗劳恩霍夫应用研究促进协会(Fraunhofer Institute)已经验证了这种聚光光伏系统样板的转换率可以达到36.4%,是市场平均水平的两倍左右。

曦得希望此项技术及更多的创新太阳能技术能够尽快的市场化,让我们能更充分地利用太阳能的潜力。在这过程中,曦得将尽力仔细考量和检验新技术,利用业内专家的深厚经验和独到眼光挑选并推广经得起考验的技术,让清洁能源的未来离我们更近一步,蔚蓝的天空更纯净一些。