采用數(shù)倍聚光的光伏發(fā)電系統(tǒng)

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1、.“采用數(shù)倍聚光的光伏發(fā)電系統(tǒng)”是由去年回國(guó)的劍橋大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)家、現(xiàn)為中國(guó)科技大學(xué)和中科院理論物理所特聘研究員的陳應(yīng)天教授，在他獨(dú)創(chuàng)的新的光學(xué)聚焦與跟蹤理論的諸多應(yīng)用下的重要發(fā)明之一。這個(gè)新的光學(xué)聚焦與跟蹤理論，已經(jīng)在國(guó)際上引起強(qiáng)烈反響（以色列著名太陽(yáng)能專家特拉維夫大學(xué)Kribus教授評(píng)論“這是在一個(gè)多年幾乎沒有進(jìn)展的光學(xué)基礎(chǔ)領(lǐng)域中的第一個(gè)突破”），而理論的突破將帶來諸多適用光學(xué)的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的突破，如大型望遠(yuǎn)鏡、新型雷達(dá)、激光并束、超精瞄準(zhǔn)及變焦照相機(jī)、太陽(yáng)能聚光等等，而太陽(yáng)能方面又可以有太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能熱發(fā)電、太陽(yáng)爐（產(chǎn)生3500

2、度高溫）、太陽(yáng)灶（用于炊事）等多項(xiàng)技術(shù)發(fā)明或重大改進(jìn)。筆者從今年5月以來，一直關(guān)注著“采用數(shù)倍聚光的光伏發(fā)電系統(tǒng)”新技術(shù)的進(jìn)展，在不到一年的時(shí)間里，該項(xiàng)新技術(shù)經(jīng)過了原理的論證、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、樣機(jī)的研制、樣機(jī)的改進(jìn)（提高可靠性并降低成本）、樣機(jī)的示范運(yùn)行五個(gè)階段。到目前為止，安裝在中科院理論物理所樓頂?shù)膬膳_(tái)樣機(jī)（每臺(tái)峰值功率150W）已經(jīng)成功地在安徽和北京兩地連續(xù)運(yùn)行了四個(gè)多月的時(shí)間，期間經(jīng)歷了酷熱、陰雨、大風(fēng)、低溫等季節(jié)考驗(yàn)，一直在穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。目前，安徽應(yīng)天新能源公司正在建設(shè)1萬瓦的獨(dú)立太陽(yáng)能光伏電站，將太陽(yáng)能作為公司新廠區(qū)的重要供電來源之

3、一（見附圖照片）。筆者欣喜地看到，這項(xiàng)新技術(shù)將突破我國(guó)太陽(yáng)能光伏發(fā)電成本居高不下的障礙，其應(yīng)用推廣將使我國(guó)的太陽(yáng)能光電發(fā)展走在世界前列，更難能可貴的是，這是我國(guó)完全具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)。因此，筆者將此文命題為“八面玲瓏顯威風(fēng)”。本文將以詳實(shí)的數(shù)據(jù)分析這種新的光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)以及對(duì)我國(guó)太陽(yáng)能光電成本降低的巨大影響。一、什么是“采用數(shù)倍聚光的光伏發(fā)電系統(tǒng)”？1、采用數(shù)倍聚光的光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要功能和特點(diǎn)圖1即是目前安裝在中科院理論物理所樓頂示范運(yùn)行的兩臺(tái)采用數(shù)倍聚光的光伏發(fā)電裝置的照片，每臺(tái)發(fā)電裝置的峰值功率150W，如同鑲嵌著18顆鉆石，

4、在陽(yáng)光下熠熠生輝，而“綠色的”電流則源源不斷的流出，最大發(fā)電電流可以達(dá)到16A。其實(shí)，每顆“鉆石”是由一個(gè)普通的單晶硅光伏電池和一個(gè)八面體反射鏡圍成的光漏斗組成（見圖1照片）。八面體的光漏斗的作用在于，將太陽(yáng)光通過平面反射的方法折疊并聚集起來，形成4倍的太陽(yáng)光強(qiáng)并均勻地照在光漏斗底部的硅光伏電池上。這樣，在一個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)照射下峰值功率僅為2.2W的每個(gè)光伏電池的實(shí)際功率則提高到4倍即8.8W左右，18顆“鉆石”串聯(lián)起來，一個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)下峰值功率僅為39W的光伏電池組的峰值輸出功率提高到了150W（其并非嚴(yán)格的4倍是因?yàn)榇嬖谝恍┓瓷洹⒄凵鋼p失）。因

5、此，與傳統(tǒng)的平板固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，新的“采用數(shù)倍聚光的光伏發(fā)電系統(tǒng)”可以在同樣的發(fā)電功率等級(jí)條件下，節(jié)省3/4的硅電池；或者說在使用同樣數(shù)量的硅光伏電池的條件下，可以將實(shí)際輸出功率增加到4倍。2、國(guó)外采用數(shù)倍聚光的嘗試為什么沒有推廣開來？...專家們已經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，硅光伏電池在一個(gè)太陽(yáng)光強(qiáng)下使用實(shí)際上是大材小用，因?yàn)楣夥姵乜梢猿惺芨叩墓鈴?qiáng)，發(fā)出的電流成比例增加而又不至于影響光伏電池壽命。通過聚光提高太陽(yáng)能發(fā)電的效益，國(guó)外已經(jīng)有過一些工業(yè)化嘗試。比如利用菲涅爾透鏡實(shí)現(xiàn)3~7倍的聚光，但由于透射聚光的光強(qiáng)均勻性較差、且特制透鏡成本降低的速

6、度趕不上高反射率的平面鏡，國(guó)外開始嘗試通過反射實(shí)現(xiàn)聚光，比如德國(guó)ZSW公司發(fā)明了V型聚光器實(shí)現(xiàn)了2倍聚光，美國(guó)的Falbel發(fā)明了四面體的聚光器實(shí)現(xiàn)了2.36倍聚光。盡管實(shí)現(xiàn)2倍聚光也可以節(jié)省50%的光伏電池，但是相對(duì)于聚光器所增加的成本，總體的經(jīng)濟(jì)效益并不明顯。盡管反射聚光具有均勻性好的特點(diǎn)，但是如何利用反射方法以較低的成本實(shí)現(xiàn)3倍以上的聚光一直是國(guó)外沒有成功解決的問題，因此依靠傳統(tǒng)的反射方法在普通光伏電池上實(shí)現(xiàn)數(shù)倍聚光的光伏發(fā)電系統(tǒng)未能得到廣泛應(yīng)用。而在陳應(yīng)天教授所獨(dú)創(chuàng)的新的光學(xué)聚焦與跟蹤理論的諸多應(yīng)用中，其中的一個(gè)重要實(shí)踐便是突破傳統(tǒng)反

7、射法所遇到的障礙，開發(fā)出一種低成本、高聚光比的反射聚光器。3、李政道：這個(gè)新的“采用數(shù)倍聚光的光電系統(tǒng)”是理論與實(shí)踐的完美結(jié)合！根據(jù)新的聚光和跟蹤理論，陳應(yīng)天、何祚庥等人發(fā)明了一種由八面體反射鏡組成的聚光器，也稱為“光漏斗”。光漏斗的高度、傾角均按照陳應(yīng)天的新的聚光理論而設(shè)計(jì)，最高聚光比可以達(dá)到7倍。但是，目前示范運(yùn)行的樣機(jī)僅僅按照4倍聚光比而設(shè)計(jì)，這是考慮到普通光伏電池本身在高倍太陽(yáng)光強(qiáng)下的散熱問題，實(shí)現(xiàn)7倍的聚光需要采用一套水冷系統(tǒng)，不僅使光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境受到限制，而且勢(shì)必增加成本，因此，仔細(xì)比較了各種聚光倍數(shù)下光伏發(fā)電系統(tǒng)的性價(jià)比

8、后，確定利用這個(gè)光漏斗實(shí)現(xiàn)4~5倍的聚光是比較現(xiàn)實(shí)的方案，僅僅依靠自然冷卻，光伏電池就能很好地工作。此外，利用新的光學(xué)跟蹤理論，發(fā)明者設(shè)計(jì)了一個(gè)成本低且機(jī)械簡(jiǎn)單可靠