科學家用3D打印開發更廉價高效的太陽能發電系統

    鋰電世界  像下圖這樣的超高效太陽能電池可能很快就會出現在您的屋頂上。近日，一個研究團隊開發出了一種微型太陽光聚集技術，能夠廉價地通過光學元件聚集太陽光并將其轉化成電能。

    濃縮光伏（CPV）是一種用陽光發電的光伏技術。“目前的CPV系統往往有廣告牌大小，而且必須非常準確地正對太陽，并跟蹤太陽的移動。您沒法把這樣一個系統放在您的屋頂上。”賓州州立大學（PennStateUniversity）的電氣工程助理教授NoelC.Giebink。

    幸運的是，如今普通的硅太陽能電池的成本在下降——硅的價格降了20%，而CPV的價格則降了40%——這使得它在太陽能發電的總成本中所占的比重越來越小，太陽能發電其它的成本包括許可、布線、安裝和維護等。

    為了讓CPV在普通的屋頂上使用，研究者將小型化的砷化鎵光伏電池、3D打印的塑料透鏡陣列和一個可移動的聚焦機構結合在一起，以減少CPV系統的大小、重量和成本，使之可以放在建筑物屋頂的朝南一側。

    研究團隊于2月5日在《NatureCommunications》上發表了他們的研究結果。

    “我們與伊利諾伊大學的同事合作，因為他們是制造小型、高效率多結太陽能電池的專家。”Giebink說。“這些電池都小于1平方毫米，經過批量制造出來之后，然后將其以陣列的形式轉移到一種薄玻璃或塑料片材上面”。

    為了將太陽光聚焦在電池陣列上，研究人員將它們嵌入到一對3D打印的塑料透鏡陣列之間。頂部透鏡陣列中的每個小透鏡的作用就像一個小放大鏡，而底部陣列的小透鏡則起到凹面鏡的功能，兩者正好匹配。而微型太陽能電池正好位于兩個透鏡中間的焦點處，在這個位置陽光被增強了超過200倍。而且在一天之內隨著太陽的移動，中間的太陽能電池板沿著軌道在小透鏡陣列之間橫向滑動，因為焦點的位置在移動。

    研究人員發現，通過他們的設計，整個太陽能發電系統的光效可能會達到70％——他們希望最終能達到90％的效率。“CPV系統的3D打印光學部件的主要好處是能夠快速原型和進行初始概念測試。3D打印光學部件的質量足以滿足概念驗證的需要。”Giebink說。

    以前嘗試的這種太陽光跟蹤系統一天只能工作兩個小時左右，這是因為焦點移出了太陽能電池的所在平面，從而導致光損失和效率的下降。據天工社了解，通過兩層小透鏡陣列之間夾著電池的設計，研究人員成功地解決了這個問題，并使得一天之內可實現整整八個小時的有效太陽能聚焦，而且太陽能電池一天之內只需移動1厘米即可跟蹤太陽能焦點的移動。

    為了使電池陣列能夠更順滑地在兩層透鏡陣列之間移動，研究團隊使用了一種光學油，它能夠讓小電機只需最小的力就可以實現電池陣列的移動。

    “我們的目標是讓這樣的CPV面板占用的屋頂空間與傳統的太陽能電池板一樣大，但是能夠產生更多的電力。”Giebink說。“這種解決方案的簡單性使得它具有很大的實用價值。”

    因為這種CPV面板的總厚度僅有一厘米和它除太陽能電池和布線以外99%的材料都是由丙烯酸類塑料或樹脂玻璃組成的，所以研究人員估計這個系統未來的制造成本會很便宜。

    不過，Giebink警告稱，CPV系統并不適合于所有地區。“CPV只適用于有大量陽光直射的區域，像美國西南地區。”他說。“在多云的地區，如西北太平洋，CPV系統無法聚集漫射光，就失去了自己的效率優勢。”

    研究人員在室外對于這種系統原型進行了一天的測試，盡管3D打印的塑料透鏡沒有達到要求的技術規格，它們還是實現了超過100倍的太陽能濃度。

    來自伊利諾伊大學、UrbanaChampaign和3D打印光學器件廠商LUXeXcel的研究人員也參與了這個項目。美國能源署資助了這項研究。