鋰電世界  像下圖這樣的超高效太陽(yáng)能電池可能很快就會(huì)出現(xiàn)在您的屋頂上。近日，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了一種微型太陽(yáng)光聚集技術(shù)，能夠廉價(jià)地通過(guò)光學(xué)元件聚集太陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)化成電能。

    濃縮光伏（CPV）是一種用陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)，并跟蹤太陽(yáng)的移動(dòng)。您沒(méi)法把這樣一個(gè)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(yùn)的是，如今普通的硅太陽(yáng)能電池的成本在下降——硅的價(jià)格降了20%，而CPV的價(jià)格則降了40%——這使得它在太陽(yáng)能發(fā)電的總成本中所占的比重越來(lái)越小，太陽(yáng)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(gè)可移動(dòng)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(duì)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?yàn)樗麄兪侵圃煨⌒汀⒏咝识嘟Y(jié)太陽(yáng)能電池的專(zhuān)家。”Giebink說(shuō)。“這些電池都小于1平方毫米，經(jīng)過(guò)批量制造出來(lái)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(yáng)光聚焦在電池陣列上，研究人員將它們嵌入到一對(duì)3D打印的塑料透鏡陣列之間。頂部透鏡陣列中的每個(gè)小透鏡的作用就像一個(gè)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(yáng)能電池正好位于兩個(gè)透鏡中間的焦點(diǎn)處，在這個(gè)位置陽(yáng)光被增強(qiáng)了超過(guò)200倍。而且在一天之內(nèi)隨著太陽(yáng)的移動(dòng)，中間的太陽(yáng)能電池板沿著軌道在小透鏡陣列之間橫向滑動(dòng)，因?yàn)榻裹c(diǎn)的位置在移動(dòng)。

    研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)他們的設(shè)計(jì)，整個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的光效可能會(huì)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(cè)試。3D打印光學(xué)部件的質(zhì)量足以滿足概念驗(yàn)證的需要。”Giebink說(shuō)。

    以前嘗試的這種太陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)一天只能工作兩個(gè)小時(shí)左右，這是因?yàn)榻裹c(diǎn)移出了太陽(yáng)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(guò)兩層小透鏡陣列之間夾著電池的設(shè)計(jì)，研究人員成功地解決了這個(gè)問(wèn)題，并使得一天之內(nèi)可實(shí)現(xiàn)整整八個(gè)小時(shí)的有效太陽(yáng)能聚焦，而且太陽(yáng)能電池一天之內(nèi)只需移動(dòng)1厘米即可跟蹤太陽(yáng)能焦點(diǎn)的移動(dòng)。

    為了使電池陣列能夠更順滑地在兩層透鏡陣列之間移動(dòng)，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)電池陣列的移動(dòng)。

    “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(yáng)能電池板一樣大，但是能夠產(chǎn)生更多的電力。”Giebink說(shuō)。“這種解決方案的簡(jiǎn)單性使得它具有很大的實(shí)用價(jià)值。”

    因?yàn)檫@種CPV面板的總厚度僅有一厘米和它除太陽(yáng)能電池和布線以外99%的材料都是由丙烯酸類(lèi)塑料或樹(shù)脂玻璃組成的，所以研究人員估計(jì)這個(gè)系統(tǒng)未來(lái)的制造成本會(huì)很便宜。

    不過(guò)，Giebink警告稱(chēng)，CPV系統(tǒng)并不適合于所有地區(qū)。“CPV只適用于有大量陽(yáng)光直射的區(qū)域，像美國(guó)西南地區(qū)。”他說(shuō)。“在多云的地區(qū)，如西北太平洋，CPV系統(tǒng)無(wú)法聚集漫射光，就失去了自己的效率優(yōu)勢(shì)。”

    研究人員在室外對(duì)于這種系統(tǒng)原型進(jìn)行了一天的測(cè)試，盡管3D打印的塑料透鏡沒(méi)有達(dá)到要求的技術(shù)規(guī)格，它們還是實(shí)現(xiàn)了超過(guò)100倍的太陽(yáng)能濃度。

    來(lái)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(gè)項(xiàng)目。美國(guó)能源署資助了這項(xiàng)研究。