聚光光伏（CPV）或也稱(chēng)為“聚光光伏”是一種光伏（PV）技術(shù)，可從太陽(yáng)能中產(chǎn)生電能。

為了發(fā)電，CPV使用透鏡或曲面鏡將陽(yáng)光聚焦在小型，高質(zhì)量的多結(jié)（MJ）和高效太陽(yáng)能電池上。同樣，CPV系統(tǒng)有時(shí)使用冷卻系統(tǒng)和太陽(yáng)能跟蹤器來(lái)提高其效率。常規(guī)光伏系統(tǒng)所沒(méi)有的。

這些多結(jié)（MJ）太陽(yáng)能電池使用多種太陽(yáng)能電池，其中每個(gè)太陽(yáng)能電池彼此堆疊。這些堆疊的太陽(yáng)能電池中的每一個(gè)都被調(diào)諧到特定波長(zhǎng)的光，以最大程度地將入射光轉(zhuǎn)換為電能的效率。為了獲得更高效率的太陽(yáng)能電池，需要將更寬的太陽(yáng)光譜轉(zhuǎn)換成電能。不要以為傳統(tǒng)的單層硅太陽(yáng)能電池永遠(yuǎn)不會(huì)像多結(jié)半導(dǎo)體那樣高效。

最初，多結(jié)太陽(yáng)能電池被設(shè)計(jì)用于太空科學(xué)，直到今天仍被用于此目的。在2000年代初期，科學(xué)家還開(kāi)始將這些多結(jié)太陽(yáng)能電池應(yīng)用于地面聚光太陽(yáng)能應(yīng)用。

然而，據(jù)預(yù)測(cè)，在未來(lái)幾十年中，利用高濃度光伏（HCPV）的光伏系統(tǒng)具有巨大的潛力，使其變得突出并具有競(jìng)爭(zhēng)力。這些光伏電池還擁有所有現(xiàn)有光伏技術(shù)中最高的效率，而較小的光伏陣列也可以使系統(tǒng)成本平衡最小化。但是，聚光光伏目前尚未在光伏屋頂系統(tǒng)中使用，與常規(guī)光伏系統(tǒng)相比，聚光光伏也非常普遍。

此外，高濃度PV仍可與聚光太陽(yáng)能或CSP競(jìng)爭(zhēng)。這些光伏技術(shù)都非常適合直接輻射正常的區(qū)域，例如南歐的GoldenBanana和美國(guó)的SunBelt地區(qū)。盡管CPV和CSP自從制造和發(fā)布之初就天生具有不同的技術(shù)，但人們常常對(duì)它們感到困惑。

為避免混淆，CPV使用光伏效應(yīng)直接從陽(yáng)光中發(fā)電，而CSP通常被稱(chēng)為“集中太陽(yáng)熱能”，直接使用來(lái)自太陽(yáng)輻射的熱量制造蒸汽使渦輪機(jī)工作，然后它可以使用發(fā)電機(jī)發(fā)電。

這種方法有其自身的缺點(diǎn)：它需要直接面向太陽(yáng)，并配備聚光鏡。

聚光光伏（CPV）的類(lèi)型

低濃度PV

低濃度光伏系統(tǒng)的日照濃度為2到100個(gè)太陽(yáng)。在低CPV的情況下，熱流通常足夠低，因此電池不需要主動(dòng)冷卻。實(shí)際上，在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)能電池組件進(jìn)行建模和試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)如果濃度水平較低，則無(wú)需跟蹤甚至無(wú)需進(jìn)行冷卻修改。

此外，低濃度光伏系統(tǒng)通常使用簡(jiǎn)單的升壓反射鏡，與非聚光光伏系統(tǒng)相比，其可將太陽(yáng)能輸出提高30％以上。根據(jù)加拿大LCPV系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用棱柱形玻璃可獲得40％以上的能量，而使用傳統(tǒng)的晶體硅光伏組件可獲得45％的能量。

中濃度PV

中等濃度Pv的濃度范圍為100至300個(gè)太陽(yáng)，這些CPV系統(tǒng)需要主動(dòng)或被動(dòng)冷卻以及兩軸太陽(yáng)跟蹤，這使得PV材料比低濃度PV更為復(fù)雜。

高濃度PV

替代HCPV的高濃度光伏電池是利用聚光光學(xué)系統(tǒng)的光伏系統(tǒng)，該聚光光學(xué)系統(tǒng)由菲涅耳透鏡或所謂的碟形反射鏡組成。這些將陽(yáng)光聚集到1,000個(gè)太陽(yáng)或更高的強(qiáng)度。更高集中度PV的太陽(yáng)能電池需要高容量的散熱器，以避免熱破壞以及管理預(yù)期壽命和與溫度相關(guān)的電氣性能。為了進(jìn)一步加重集中式冷卻設(shè)計(jì)，散熱器必須使用被動(dòng)式冷卻，否則，主動(dòng)式冷卻所需的總功率轉(zhuǎn)換效率將降低。

與普通太陽(yáng)能電池板相比，CPV的優(yōu)勢(shì)

效率：最佳的商用硅太陽(yáng)能電池最高效率為21％，而用于CPV的多個(gè)結(jié)電池可以達(dá)到46％并仍在改善，即使在CPV發(fā)生高光損耗的情況下，也可以在模塊級(jí)別觀察到這種性能差距。太陽(yáng)能的未來(lái)

高溫下非常穩(wěn)定的性能：硅太陽(yáng)能電池的性能對(duì)溫度非常敏感，溫度系數(shù)約為-0.5％/°C，這意味著，溫度高于25°（或取決于制造商為20°C）時(shí)，每度會(huì)損失0.5％的性能。

這似乎并不多，但在夏天，溫度達(dá)到80°C（就像在陽(yáng)光照射下的汽車(chē)中一樣）并不罕見(jiàn)，這會(huì)將面板的性能從19％降低到僅14％！

相比之下，CPV太陽(yáng)能電池是由具有約-0.05％/°C的極低溫度系數(shù)的材料制成的，其最佳達(dá)到-0.01％/°C的溫度是硅太陽(yáng)能電池的近10至50倍！這使CPV電池可以在很高的溫度（100°C或更高）下運(yùn)行而不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

極好的耐久性：在所有工業(yè)系統(tǒng)中，有源組件最有可能發(fā)生故障或降級(jí)，PV也不例外。在傳統(tǒng)的Si-Pv中，除了電子組件（旁路二極管）外，有源組件（太陽(yáng)能電池）幾乎占暴露表面的100％，因此出現(xiàn)故障或退化的可能性是一個(gè)實(shí)際問(wèn)題。

更糟的是，巨大的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)阻止了使用非常高質(zhì)量的組件，這導(dǎo)致長(zhǎng)期性能不佳，尤其是在非常炎熱的氣候中，這種氣候也具有重要的太陽(yáng)能潛力。例如，用于封裝和粘合前玻璃的透明塑料（EVA）會(huì)因熱循環(huán)而變黃。在溫帶環(huán)境中，典型的降解率是每年0.5％，在熱環(huán)境中，每年的降解率高達(dá)3％。

CPV太陽(yáng)能電池源自太空和應(yīng)用，幾乎不受熱或輻射損害的影響，而且由于其數(shù)量也減少，因此聚光可以使用高級(jí)電子元件。由于該技術(shù)還比較年輕，因此本身不存在長(zhǎng)期性能CPV，但是即使在運(yùn)行20年后，基于或太空應(yīng)用的類(lèi)似技術(shù)的回報(bào)似乎也可以保持非常穩(wěn)定的性能。所有其他暴露的表面都可以由不會(huì)隨時(shí)間降解的無(wú)機(jī)材料（玻璃，鋁）制成。

潛在的土地雙重使用：大型跟蹤器可能足夠高，可以在其下面棲息或種植農(nóng)作物。

易于回收：CPV模塊的拆卸更容易，因?yàn)闃?gòu)成元素很容易分離，并且主要由可以完全回收的無(wú)機(jī)材料組成。相反，SI-PV電池和框架完全粘合到復(fù)雜的氟化塑料上，這需要高級(jí)破碎和熱處理才能部分回收。

迄今為止，為什么CPV失敗了？

較高的初始資本成本

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，CPV可能會(huì)更有利可圖，但這種優(yōu)勢(shì)不足以抵消安裝所需的更高的資本成本投資，該投資可以比傳統(tǒng)SI-PV技術(shù)高2.5到4倍。

更高的維護(hù)需求

太陽(yáng)的高精度跟蹤（角度精度最高可達(dá)0.1°）需要專(zhuān)業(yè)人員不斷關(guān)注。而且，由于跟蹤器的高度，面板的清洗可能會(huì)更困難。

云會(huì)降低性能

CPV只能在直射的陽(yáng)光下工作，因此它不能一直工作。CPV通常旨在安裝在陽(yáng)光充足的地方，每年有80％的晴天。作為參考，CPV僅在存在尖銳陰影的情況下才能工作，這表明陽(yáng)光主要來(lái)自一個(gè)方向。

土地占用密度低

為了避免在早上或晚上出現(xiàn)陰影效果，跟蹤器必須相距幾米。最終的土地占用量?jī)H達(dá)到約50％，而跟蹤所提供的25％的太陽(yáng)能僅部分補(bǔ)償了這一點(diǎn)。因此，CPV在低成本土地上或僅安裝一個(gè)跟蹤器時(shí)都是可行的。

技術(shù)不夠成熟

盡管CPV很快成熟，但它缺少專(zhuān)用的供應(yīng)鏈，這迫使每家公司自行開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)大部分組件（跟蹤器模塊等）。電池在開(kāi)始時(shí)就太大了，這轉(zhuǎn)化為高耗散需求（更大的電池會(huì)產(chǎn)生更高的溫度）和更大的模塊較重，這意味著額外的運(yùn)營(yíng)成本。

同時(shí)，光伏行業(yè)的價(jià)格下跌幅度超過(guò)80％，原因是受補(bǔ)貼的行業(yè)可以出售幾乎沒(méi)有利潤(rùn)的產(chǎn)品，而目標(biāo)是贏得市場(chǎng)份額。

為什么CPV有潛力在未來(lái)取得成功？

CPV電池正在變得更好，更小，更便宜

由于制造設(shè)備幾乎相同，因此用于CPV的多個(gè)結(jié)單元受益于最近LED行業(yè)的興起。由于可以為CPV改裝許多LED反應(yīng)器，因此價(jià)格下降的速度比以前快得多。

利用最初為L(zhǎng)ED開(kāi)發(fā)的自動(dòng)布局，可以以極低的制造誤差高速制造極小的電池設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)尺寸可以比10年前小25倍（4平方毫米對(duì)100毫米），從而降低了模塊價(jià)格，因?yàn)樾〕叽绲碾姵馗菀咨帷Ｌ?yáng)能的未來(lái)

SI-PV模塊價(jià)格不會(huì)一直下降

既然在PV貿(mào)易戰(zhàn)之后塵埃落定，Si-Pv組件價(jià)格已達(dá)到平穩(wěn)，而CPV仍有巨大的降價(jià)潛力。

其余可用位置要求更高

在溫帶氣候下安裝光伏設(shè)備的競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈，因此新的太陽(yáng)能增長(zhǎng)必須來(lái)自更艱難的地區(qū)。

具有最高太陽(yáng)能潛力的地方，例如沙漠，也碰巧是最嚴(yán)酷的。標(biāo)準(zhǔn)PV面板組件在每天/每天的熱循環(huán)中都很難應(yīng)付，與安裝在溫帶氣候中的組件相比，其效率要低得多。

應(yīng)該改進(jìn)哪些內(nèi)容才能使CPV取得成功？

減輕模塊重量至關(guān)重要

忘記進(jìn)一步提高性能，模塊重量是降低運(yùn)營(yíng)成本時(shí)最重要的參數(shù)，這僅僅是因?yàn)樗试S具有相同精度和成本的更大跟蹤器。更多的模塊意味著相同維護(hù)的每單位全球收入增加，甚至使自動(dòng)維護(hù)（清潔）具有成本效益，從而減少了更多所需人員。

這不是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)闄?quán)重自從前幾代以來(lái)就不是一個(gè)非常優(yōu)化的參數(shù)。我個(gè)人開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì)重量小于10kg/m2，而普通CPV模塊的平均重量為40-45kg/m2。

使用菲涅爾透鏡光學(xué)鏡片是死胡同

它們背后的想法極其優(yōu)雅，但在用于精確的太陽(yáng)能聚集時(shí)卻遭受致命的缺陷。首先，設(shè)計(jì)必須完美才能真正有效：邊緣銳度的任何折衷（例如在塑料成型過(guò)程中發(fā)生的倒圓）都會(huì)導(dǎo)致較大的性能下降。

然后，菲涅耳透鏡對(duì)指向誤差非常敏感，太陽(yáng)光線具有固有的+/-0.5°角度發(fā)散度，僅留下微小的+/-0.1°的跟蹤誤差空間。以這種精度進(jìn)行跟蹤是使用這種光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)維護(hù)成本的主要來(lái)源之一。

反射光學(xué)應(yīng)從經(jīng)典的“望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)”發(fā)展而來(lái)

反射光學(xué)器件盡管看起來(lái)笨拙，但不受菲涅爾透鏡的限制，它們通常可以應(yīng)對(duì)超過(guò)+/-1°的較大跟蹤誤差，從而大大降低了維護(hù)成本。唯一的缺點(diǎn)是，當(dāng)前基于“卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡”的設(shè)計(jì)不容易通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行批量生產(chǎn)，這會(huì)帶來(lái)很高的制造成本

可以通過(guò)使用更多的“變形”設(shè)計(jì)來(lái)提高制造成本，這些設(shè)計(jì)可以消除圖像形成，僅保留聚光功能，可能性非常大，我為自己創(chuàng)建了一些可以將生產(chǎn)成本削減10倍的設(shè)計(jì)或者更多。

使用自動(dòng)清潔且耗水量極低

如前所述，CPV確實(shí)在水量通常非常短缺的特別惡劣的地方發(fā)光。添加非常經(jīng)濟(jì)的清潔系統(tǒng)至關(guān)重要，使用現(xiàn)有的建筑窗戶清潔技術(shù)而不是開(kāi)發(fā)新的清潔技術(shù)可能是關(guān)鍵。

結(jié)論

CPV的明顯消亡可能只是一個(gè)挫折，因?yàn)樵摷夹g(shù)仍具有超越標(biāo)準(zhǔn)PV系統(tǒng)的潛力。現(xiàn)在，經(jīng)過(guò)瘋狂的價(jià)格傾銷(xiāo)之后塵埃落定，CPV可能會(huì)在抵御全球變暖的持久工具中發(fā)揮重要作用。