鋰電世界 像下圖這樣的超高效太陽能電池可能很快就會出現(xiàn)在您的屋頂上。近日，一個研究團(tuán)隊開發(fā)出了一種微型太陽光聚集技術(shù)，能夠廉價地通過光學(xué)元件聚集太陽光并將其轉(zhuǎn)化成電能。
濃縮光伏（CPV）是一種用陽光發(fā)電的光伏技術(shù)。“目前的CPV系統(tǒng)往往有廣告牌大小，而且必須非常準(zhǔn)確地正對太陽，并跟蹤太陽的移動。您沒法把這樣一個系統(tǒng)放在您的屋頂上。”賓州州立大學(xué)（PennStateUniversity）的電氣工程助理教授NoelC.Giebink。
幸運的是，如今普通的硅太陽能電池的成本在下降——硅的價格降了20%，而CPV的價格則降了40%——這使得它在太陽能發(fā)電的總成本中所占的比重越來越小，太陽能發(fā)電其它的成本包括許可、布線、安裝和維護(hù)等。
為了讓CPV在普通的屋頂上使用，研究者將小型化的砷化鎵光伏電池、3D打印的塑料透鏡陣列和一個可移動的聚焦機(jī)構(gòu)結(jié)合在一起，以減少CPV系統(tǒng)的大小、重量和成本，使之可以放在建筑物屋頂?shù)某弦粋?cè)。
研究團(tuán)隊于2月5日在《NatureCommunications》上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。
“我們與伊利諾伊大學(xué)的同事合作，因為他們是制造小型、高效率多結(jié)太陽能電池的專家。”Giebink說。“這些電池都小于1平方毫米，經(jīng)過批量制造出來之后，然后將其以陣列的形式轉(zhuǎn)移到一種薄玻璃或塑料片材上面”。
為了將太陽光聚焦在電池陣列上，研究人員將它們嵌入到一對3D打印的塑料透鏡陣列之間。頂部透鏡陣列中的每個小透鏡的作用就像一個小放大鏡，而底部陣列的小透鏡則起到凹面鏡的功能，兩者正好匹配。而微型太陽能電池正好位于兩個透鏡中間的焦點處，在這個位置陽光被增強(qiáng)了超過200倍。而且在一天之內(nèi)隨著太陽的移動，中間的太陽能電池板沿著軌道在小透鏡陣列之間橫向滑動，因為焦點的位置在移動。
研究人員發(fā)現(xiàn)，通過他們的設(shè)計，整個太陽能發(fā)電系統(tǒng)的光效可能會達(dá)到70％——他們希望最終能達(dá)到90％的效率。“CPV系統(tǒng)的3D打印光學(xué)部件的主要好處是能夠快速原型和進(jìn)行初始概念測試。3D打印光學(xué)部件的質(zhì)量足以滿足概念驗證的需要。”Giebink說。
以前嘗試的這種太陽光跟蹤系統(tǒng)一天只能工作兩個小時左右，這是因為焦點移出了太陽能電池的所在平面，從而導(dǎo)致光損失和效率的下降。據(jù)天工社了解，通過兩層小透鏡陣列之間夾著電池的設(shè)計，研究人員成功地解決了這個問題，并使得一天之內(nèi)可實現(xiàn)整整八個小時的有效太陽能聚焦，而且太陽能電池一天之內(nèi)只需移動1厘米即可跟蹤太陽能焦點的移動。
為了使電池陣列能夠更順滑地在兩層透鏡陣列之間移動，研究團(tuán)隊使用了一種光學(xué)油，它能夠讓小電機(jī)只需最小的力就可以實現(xiàn)電池陣列的移動。
“我們的目標(biāo)是讓這樣的CPV面板占用的屋頂空間與傳統(tǒng)的太陽能電池板一樣大，但是能夠產(chǎn)生更多的電力。”Giebink說。“這種解決方案的簡單性使得它具有很大的實用價值。”
因為這種CPV面板的總厚度僅有一厘米和它除太陽能電池和布線以外99%的材料都是由丙烯酸類塑料或樹脂玻璃組成的，所以研究人員估計這個系統(tǒng)未來的制造成本會很便宜。
不過，Giebink警告稱，CPV系統(tǒng)并不適合于所有地區(qū)。“CPV只適用于有大量陽光直射的區(qū)域，像美國西南地區(qū)。”他說。“在多云的地區(qū)，如西北太平洋，CPV系統(tǒng)無法聚集漫射光，就失去了自己的效率優(yōu)勢。”
研究人員在室外對于這種系統(tǒng)原型進(jìn)行了一天的測試，盡管3D打印的塑料透鏡沒有達(dá)到要求的技術(shù)規(guī)格，它們還是實現(xiàn)了超過100倍的太陽能濃度。
來自伊利諾伊大學(xué)、UrbanaChampaign和3D打印光學(xué)器件廠商LUXeXcel的研究人員也參與了這個項目。美國能源署資助了這項研究。
