--論一種新的“采用數倍聚光的光伏發電系統”對我國太陽能光電成本降低的巨大影響

引文：

“采用數倍聚光的光伏發電系統”是由去年回國的劍橋大學應用物理學家、現為中國科技大學和中科院理論物理所特聘研究員的陳應天教授，在他獨創的新的光學聚焦與跟蹤理論的諸多應用下的重要發明之一。這個新的光學聚焦與跟蹤理論，已經在國際上引起強烈反響（以色列著名太陽能專家特拉維夫大學Kribus教授評論“這是在一個多年幾乎沒有進展的光學基礎領域中的第一個突破”），而理論的突破將帶來諸多適用光學的技術應用領域的突破，如大型望遠鏡、新型雷達、激光并束、超精瞄準及變焦照相機、太陽能聚光等等，而太陽能方面又可以有太陽能光伏發電、太陽能熱發電、太陽爐（產生3500度高溫）、太陽灶（用于炊事）等多項技術發明或重大改進。筆者從今年5月以來，一直關注著“采用數倍聚光的光伏發電系統”新技術的進展，在不到一年的時間里，該項新技術經過了原理的論證、實驗室試驗、樣機的研制、樣機的改進（提高可靠性并降低成本）、樣機的示范運行五個階段。到目前為止，安裝在中科院理論物理所樓頂的兩臺樣機（每臺峰值功率150W）已經成功地在安徽和北京兩地連續運行了四個多月的時間，期間經歷了酷熱、陰雨、大風、低溫等季節考驗，一直在穩定可靠的運行。目前，安徽應天新能源公司正在建設1萬瓦的獨立太陽能光伏電站，將太陽能作為公司新廠區的重要供電來源之一。

筆者欣喜地看到，這項新技術將突破我國太陽能光伏發電成本居高不下的障礙，其應用推廣將使我國的太陽能光電發展走在世界前列，更難能可貴的是，這是我國完全具有自主知識產權的新技術。因此，筆者將此文命題為“八面玲瓏顯威風”。本文將以詳實的數據分析這種新的光伏發電系統的特點以及對我國太陽能光電成本降低的巨大影響。

一、什么是“采用數倍聚光的光伏發電系統”？

1、采用數倍聚光的光伏發電系統的主要功能和特點

圖1即是目前安裝在中科院理論物理所樓頂示范運行的兩臺采用數倍聚光的光伏發電裝置的照片，每臺發電裝置的峰值功率150W，如同鑲嵌著18顆鉆石，在陽光下熠熠生輝，而“綠色的”電流則源源不斷的流出，最大發電電流可以達到16A。其實，每顆“鉆石”是由一個普通的單晶硅光伏電池和一個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，將太陽光通過平面反射的方法折疊并聚集起來，形成4倍的太陽光強并均勻地照在光漏斗底部的硅光伏電池上。這樣，在一個太陽光強照射下峰值功率僅為2.2W的每個光伏電池的實際功率則提高到4倍即8.8W左右，18顆“鉆石”串聯起來，一個太陽光強下峰值功率僅為39W的光伏電池組的峰值輸出功率提高到了150W（其并非嚴格的4倍是因為存在一些反射、折射損失）。因此，與傳統的平板固定式光伏發電系統相比，新的“采用數倍聚光的光伏發電系統”可以在同樣的發電功率等級條件下，節省3/4的硅電池；或者說在使用同樣數量的硅光伏電池的條件下，可以將實際輸出功率增加到4倍。

2、國外采用數倍聚光的嘗試為什么沒有推廣開來？

專家們已經研究發現，硅光伏電池在一個太陽光強下使用實際上是大材小用，因為光伏電池可以承受更高的光強，發出的電流成比例增加而又不至于影響光伏電池壽命。通過聚光提高太陽能發電的效益，國外已經有過一些工業化嘗試。比如利用菲涅爾透鏡實現3~7倍的聚光，但由于透射聚光的光強均勻性較差、且特制透鏡成本降低的速度趕不上高反射率的平面鏡，國外開始嘗試通過反射實現聚光，比如德國ZSW公司發明了V型聚光器實現了2倍聚光，美國的Falbel發明了四面體的聚光器實現了2.36倍聚光。盡管實現2倍聚光也可以節省50%的光伏電池，但是相對于聚光器所增加的成本，總體的經濟效益并不明顯。

盡管反射聚光具有均勻性好的特點，但是如何利用反射方法以較低的成本實現3倍以上的聚光一直是國外沒有成功解決的問題，因此依靠傳統的反射方法在普通光伏電池上實現數倍聚光的光伏發電系統未能得到廣泛應用。而在陳應天教授所獨創的新的光學聚焦與跟蹤理論的諸多應用中，其中的一個重要實踐便是突破傳統反射法所遇到的障礙，開發出一種低成本、高聚光比的反射聚光器。

3、李政道：這個新的“采用數倍聚光的光電系統”是理論與實踐的完美結合！

根據新的聚光和跟蹤理論，陳應天、何祚庥等人發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、傾角均按照陳應天的新的聚光理論而設計，最高聚光比可以達到7倍。但是，目前示范運行的樣機僅僅按照4倍聚光比而設計，這是考慮到普通光伏電池本身在高倍太陽光強下的散熱問題，實現7倍的聚光需要采用一套水冷系統，不僅使光伏發電系統的應用環境受到限制，而且勢必增加成本，因此，仔細比較了各種聚光倍數下光伏發電系統的性價比后，確定利用這個光漏斗實現4~5倍