科学家用3D打印开发更廉价高效的太阳能发电系统

    浓缩光伏（CPV）是一种用阳光发电的光伏技术。“目前的CPV系统往往有广告牌大小，而且必须非常准确地正对太阳，并跟踪太阳的移动。您没法把这样一个系统放在您的屋顶上。”宾州州立大学（Penn State University）的电气工程助理教授Noel C. Giebink。

    幸运的是，如今普通的硅太阳能电池的成本在下降——硅的价格降了20%，而CPV的价格则降了40%——这使得它在太阳能发电的总成本中所占的比重越来越小，太阳能发电其它的成本包括许可、布线、安装和维护等。

    为了让CPV在普通的屋顶上使用，研究者将小型化的砷化镓光伏电池、3D打印的塑料透镜阵列和一个可移动的聚焦机构结合在一起，以减少CPV系统的大小、重量和成本，使之可以放在建筑物屋顶的朝南一侧。

    研究团队于2月5日在《Nature Communications》上发表了他们的研究结果。

    “我们与伊利诺伊大学的同事合作，因为他们是制造小型、高效率多结太阳能电池的专家。”Giebink说。“这些电池都小于1平方毫米，经过批量制造出来之后，然后将其以阵列的形式转移到一种薄玻璃或塑料片材上面”。

    为了将太阳光聚焦在电池阵列上，研究人员将它们嵌入到一对3D打印的塑料透镜阵列之间。顶部透镜阵列中的每个小透镜的作用就像一个小放大镜，而底部阵列的小透镜则起到凹面镜的功能，两者正好匹配。而微型太阳能电池正好位于两个透镜中间的焦点处，在这个位置阳光被增强了超过200倍。而且在一天之内随着太阳的移动，中间的太阳能电池板沿着轨道在小透镜阵列之间横向滑动，因为焦点的位置在移动。

    研究人员发现，通过他们的设计，整个太阳能发电系统的光效可能会达到70％——他们希望最终能达到90％的效率。“CPV系统的3D打印光学部件的主要好处是能够快速原型和进行初始概念测试。3D打印光学部件的质量足以满足概念验证的需要。”Giebink说。

    以前尝试的这种太阳光跟踪系统一天只能工作两个小时左右，这是因为焦点移出了太阳能电池的所在平面，从而导致光损失和效率的下降。据了解，通过两层小透镜阵列之间夹着电池的设计，研究人员成功地解决了这个问题，并使得一天之内可实现整整八个小时的有效太阳能聚焦，而且太阳能电池一天之内只需移动1厘米即可跟踪太阳能焦点的移动。

    为了使电池阵列能够更顺滑地在两层透镜阵列之间移动，研究团队使用了一种光学油，它能够让小电机只需最小的力就可以实现电池阵列的移动。

    “我们的目标是让这样的CPV面板占用的屋顶空间与传统的太阳能电池板一样大，但是能够产生更多的电力。”Giebink说。“这种解决方案的简单性使得它具有很大的实用价值。”

    因为这种CPV面板的总厚度仅有一厘米和它除太阳能电池和布线以外99%的材料都是由丙烯酸类塑料或树脂玻璃组成的，所以研究人员估计这个系统未来的制造成本会很便宜。

    不过，Giebink警告称，CPV系统并不适合于所有地区。“CPV只适用于有大量阳光直射的区域，像美国西南地区。”他说。“在多云的地区，如西北太平洋，CPV系统无法聚集漫射光，就失去了自己的效率优势。”

    研究人员在室外对于这种系统原型进行了一天的测试，尽管3D打印的塑料透镜没有达到要求的技术规格，它们还是实现了超过100倍的太阳能浓度。

    来自伊利诺伊大学、Urbana Champaign和3D打印光学器件厂商LUXeXcel的研究人员也参与了这个项目。美国能源署资助了这项研究。