美國賓州州立大學(xué)（PSU）宣布，開發(fā)出了厚度僅1cm、無需外置太陽追蹤裝置的聚光式光伏發(fā)電（CPV）電池板技術(shù)（英文發(fā)布資料）。PSU已經(jīng)發(fā)表論文。利用該技術(shù)可以在個(gè)人住宅的房頂設(shè)置CPV電池板。

CPV系統(tǒng)是利用聚光鏡將太陽光聚集在一點(diǎn)，在該位置設(shè)置3/4結(jié)化合物太陽能電池進(jìn)行發(fā)電的技術(shù)。多結(jié)化合物太陽能電池的發(fā)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(jià)格高達(dá)相同面積Si類太陽能電池的100倍以上。因此，用途僅限于人造衛(wèi)星、太陽能汽車挑戰(zhàn)賽以及CPV系統(tǒng)等。

CPV系統(tǒng)之所以能利用多結(jié)化合物太陽能電池，是因?yàn)槔玫奶柲茈姵貑卧拿娣e非常小。由于轉(zhuǎn)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(jià)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，相同面積的電池板采用的電池單元在價(jià)格上可實(shí)現(xiàn)比Si類太陽能電池高出數(shù)倍的“性價(jià)比”。

不過，現(xiàn)實(shí)存在的課題也很多。以往的CPV系統(tǒng)為縮短聚光鏡的焦距，電池板的厚度需要達(dá)到近30cm。再加上聚光鏡本身的重量，電池板整體會(huì)變得非常重。另外，由于太陽每天東升西落，要想讓電池單元持續(xù)受光，需要設(shè)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(xù)準(zhǔn)確地追蹤太陽的追蹤裝置尺寸非常大，驅(qū)動(dòng)追蹤裝置就要用掉部分發(fā)電電力。因此，在個(gè)人住宅的房頂設(shè)置該系統(tǒng)并不現(xiàn)實(shí)。

讓電池單元移動(dòng)

開發(fā)此次的薄型CPV電池板技術(shù)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打印機(jī)制作了直徑為12.7mm的樹脂制小型聚光鏡，在兩枚聚光鏡之間設(shè)置了約1mm見方的多結(jié)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(dòng)。聚光鏡之間的距離為1～2mm，包括聚光鏡在內(nèi)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(fā)揮作用。Giebink研究室設(shè)計(jì)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(qiáng)的波長在一天中會(huì)變化，設(shè)計(jì)了聚光鏡的曲率。也就是說，正午前后太陽光從聚光鏡正面入射時(shí)，將聚光鏡的曲率優(yōu)化為藍(lán)色光的波長，在早上和傍晚太陽光斜著入射聚光鏡時(shí)，優(yōu)化為紅色光。

當(dāng)然，光這樣的話，隨著太陽的移動(dòng)，成像位置也會(huì)移動(dòng)，從而偏離太陽能電池單元。對(duì)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(dòng)軌跡相反的方向移動(dòng)。

據(jù)Giebink研究室介紹，電池單元一天的移動(dòng)距離約為1cm。這樣，每天可以實(shí)現(xiàn)8小時(shí)的光伏發(fā)電。理論上的聚光倍率高達(dá)200倍以上。Giebink研究室實(shí)際制作的電池板由于3D打印機(jī)的制作精度較低，聚光倍率只有100倍以上。