采用数倍聚光的光伏发电系统

--论一种新的“采用数倍聚光的光伏发电系统”对我国太阳能光电成本降低的巨大影响

引文：

“采用数倍聚光的光伏发电系统”是由去年回国的剑桥大学应用物理学家、现为中国科技大学和中科院理论物理所特聘研究员的陈应天教授，在他独创的新的光学聚焦与跟踪理论的诸多应用下的重要发明之一。这个新的光学聚焦与跟踪理论，已经在国际上引起强烈反响（以色列著名太阳能专家特拉维夫大学Kribus教授评论“这是在一个多年几乎没有进展的光学基础领域中的第一个突破”），而理论的突破将带来诸多适用光学的技术应用领域的突破，如大型望远镜、新型雷达、激光并束、超精瞄准及变焦照相机、太阳能聚光等等，而太阳能方面又可以有太阳能光伏发电、太阳能热发电、太阳炉（产生3500度高温）、太阳灶（用于炊事）等多项技术发明或重大改进。笔者从今年5月以来，一直关注着“采用数倍聚光的光伏发电系统”新技术的进展，在不到一年的时间里，该项新技术经过了原理的论证、实验室试验、样机的研制、样机的改进（提高可靠性并降低成本）、样机的示范运行五个阶段。到目前为止，安装在中科院理论物理所楼顶的两台样机（每台峰值功率150W）已经成功地在安徽和北京两地连续运行了四个多月的时间，期间经历了酷热、阴雨、大风、低温等季节考验，一直在稳定可靠的运行。目前，安徽应天新能源公司正在建设1万瓦的独立太阳能光伏电站，将太阳能作为公司新厂区的重要供电来源之一。

笔者欣喜地看到，这项新技术将突破我国太阳能光伏发电成本居高不下的障碍，其应用推广将使我国的太阳能光电发展走在世界前列，更难能可贵的是，这是我国完全具有自主知识产权的新技术。因此，笔者将此文命题为“八面玲珑显威风”。本文将以详实的数据分析这种新的光伏发电系统的特点以及对我国太阳能光电成本降低的巨大影响。

一、什么是“采用数倍聚光的光伏发电系统”？

1、采用数倍聚光的光伏发电系统的主要功能和特点

图1即是目前安装在中科院理论物理所楼顶示范运行的两台采用数倍聚光的光伏发电装置的照片，每台发电装置的峰值功率150W，如同镶嵌着18颗钻石，在阳光下熠熠生辉，而“绿色的”电流则源源不断的流出，最大发电电流可以达到16A。其实，每颗“钻石”是由一个普通的单晶硅光伏电池和一个八面体反射镜围成的光漏斗组成（见图1照片）。八面体的光漏斗的作用在于，将太阳光通过平面反射的方法折叠并聚集起来，形成4倍的太阳光强并均匀地照在光漏斗底部的硅光伏电池上。这样，在一个太阳光强照射下峰值功率仅为2.2W的每个光伏电池的实际功率则提高到4倍即8.8W左右，18颗“钻石”串联起来，一个太阳光强下峰值功率仅为39W的光伏电池组的峰值输出功率提高到了150W（其并非严格的4倍是因为存在一些反射、折射损失）。因此，与传统的平板固定式光伏发电系统相比，新的“采用数倍聚光的光伏发电系统”可以在同样的发电功率等级条件下，节省3/4的硅电池；或者说在使用同样数量的硅光伏电池的条件下，可以将实际输出功率增加到4倍。

2、国外采用数倍聚光的尝试为什么没有推广开来？

专家们已经研究发现，硅光伏电池在一个太阳光强下使用实际上是大材小用，因为光伏电池可以承受更高的光强，发出的电流成比例增加而又不至于影响光伏电池寿命。通过聚光提高太阳能发电的效益，国外已经有过一些工业化尝试。比如利用菲涅尔透镜实现3~7倍的聚光，但由于透射聚光的光强均匀性较差、且特制透镜成本降低的速度赶不上高反射率的平面镜，国外开始尝试通过反射实现聚光，比如德国ZSW公司发明了V型聚光器实现了2倍聚光，美国的Falbel发明了四面体的聚光器实现了2.36倍聚光。尽管实现2倍聚光也可以节省50%的光伏电池，但是相对于聚光器所增加的成本，总体的经济效益并不明显。

尽管反射聚光具有均匀性好的特点，但是如何利用反射方法以较低的成本实现3倍以上的聚光一直是国外没有成功解决的问题，因此依靠传统的反射方法在普通光伏电池上实现数倍聚光的光伏发电系统未能得到广泛应用。而在陈应天教授所独创的新的光学聚焦与跟踪理论的诸多应用中，其中的一个重要实践便是突破传统反射法所遇到的障碍，开发出一种低成本、高聚光比的反射聚光器。

3、李政道：这个新的“采用数倍聚光的光电系统”是理论与实践的完美结合！

根据新的聚光和跟踪理论，陈应天、何祚庥等人发明了一种由八面体反射镜组成的聚光器，也称为“光漏斗”。光漏斗的高度、倾角均按照陈应天的新的聚光理论而设计，最高聚光比可以达到7倍。但是，目前示范运行的样机仅仅按照4倍聚光比而设计，这是考虑到普通光伏电池本身在高倍太阳光强下的散热问题，实现7倍的聚光需要采用一套水冷系统，不仅使光伏发电系统的应用环境受到限制，而且势必增加成本，因此，仔细比较了各种聚光倍数下光伏发电系统的性价比后，确定利用这个光漏斗实现4~5倍