太阳能先生：“电”“热”同时回收 太阳能转换效率可超40%

添加时间：2012-08-01 10:21:41 来源：PV News 　

      利用聚光式及太阳跟踪等技术提高发电效率，同时进行热回收。单位面积的能源转换效率有望达到全球最高水平。力争在“炎热地区”实现普及。 
     “力争利用以太阳能发电为基础的技术，实现等同于火力发电的能源转换效率”，2009年成立的风险企业智能太阳能国际公司（Smart Solar International）的社长富田孝司这样说道。富田曾是夏普常务董事，作为夏普太阳能系统事业本部长，带领夏普夺取全球太阳能发电系统销售额七联冠，在太阳能发电行业界广为人知，被称为“太阳能先生(Mr.solar)”。 
     一个模块长约2米，宽约60厘米。富田孝司社长手持的是设置于中央的核心部件（右下图）。在管状容器中，边长1厘米的受光单元排成1列（右上图）。 
    受福岛第一核电站事故影响，火力发电在日本的总发电量中所占比例日益提高。利用废热的联合循环发电能源转换效率高达55％以上，颇占优势。 
     虽然可再生能源备受期待，但成本及发电量不稳定等问题成为阻碍，尚处于发展阶段。成为热议话题的太阳能发电在转换效率方面也存在很大的改进余地。 
     不过，富田断言：“太阳能发电很有可能成为基础电源。”从今年7月起，智能太阳能国际以每台8万日元（不含税）的价格正式开始销售的太阳能发电系统正是其得意之作。 
     力争实现可等同于火力发电的转换效率 
     从紫外线到红外线，太阳光中含有多种波长的光。不过，太阳能电池由于所用材料的不同，可有效转化为电能的光线的波长也不同。 
     没有转化为电能的光能大多会转变为热量，释放到空气中。由于热量也会导致太阳能电池板出现劣化，因此对于太阳能发电系统厂商来说，采取相应对策已经成为重要课题。 
     富田开发的新系统可以说是完全相反的构思。该系统是积极回收太阳能电池所产生的热量，并将之作为能源使用。或许可说是一个通过电力及热量回收能源、提高整体效率的“太阳能版热电联产系统”。 
    该系统所使用的太阳能电池板单位面积的转换效率为23%到24％，约为普通结晶硅太阳能电池的1.6倍。加上热能的回収，总转换效率可提高到40％以上。 
     富田充满信心地说：“如果进一步改良热回収系统，实现媲美火力发电站的能源转换效率也并非幻想。” 
     改进化合物半导体层压技术 
     新系统能够实现较高的能源转换效率，主要得益于三项关键技术。即受光单元多层化、跟踪聚光以及冷却技术。受光单元指的是几厘米见方的电池板，几十枚受光单元排列组成模块。 
      大厦屋顶设置的智能太阳能国际生产的系统       首先是多层化技术。 
     现在，太阳能电池的材料约有9成为结晶硅。这种材料主要与中等波长的光线相容性较好，无法将波长较长的红外线转变为电能。另一方面，波长较短、具有较高能源的紫外线虽然能够发电，但也有很大一部分无法转变为电力，而是变为热量。因此，最大转换效率理论上为29％，制成产品之后仅能达到15％左右。
      于是，智能太阳能国际在新系统的单元上重叠使用了多种半导体，可分别有效转换“长、中、短”波长的光线。 
      以往的层压式化合物太阳能电池的构思与之相同。这种电池用锗制成基板，使用砷化铟镓及磷化铟镓等。转换效率非常高，耐辐射性能也很出色。不过，锗存在价格昂贵、产生热量多的弱点。目前层压技术还处于开发状态，没有实现量产化。 
      富田开发出了利用与以往完全不同的方法，使化合物半导体实现多层化的自主技术。可自由组合使用硅类及有机类等多种单元，从而实现多层化，这也是其优势所在。可从多种波长的光线中提取电力并进行合成。富田称，通过组合使用多种单元，可实现50%到60％的转换效率。 
       今年7月上市的新系统依然使用锗基板，但今后将随着开发的进展不断进行改良。如果以原有方法未能实现的薄膜硅基板化合物太阳能电池能够实现实用化，便可进一步降低价格。 
      逆向思维将弱点变为优点 
      第二个关键技术为跟踪聚光技术，是指跟踪太阳移动、聚集光线的技术。目前设置于住宅屋顶等处的固定式太阳能电池，阳光入射角变动较大。因此每天的平均可发电时间实际上只有4个小时左右。 
      富田对此进行了改进，根据太阳的移动，转动半圆形反射镜，从而能够一直照射到较多的阳光。并且，随着使用反射镜，模块也没有采用板状，而是制成了聚光效率较高的棒状。现在的模块为“30倍聚光”型，也就是在一个模块的面积上，可聚集相当于30倍面积的阳光，根据具体用途，还可制成50倍、100倍聚光型。 
      不过，如果单元温度太高，便会导致性能下降。例如，结晶硅的能源转换效率在40℃左右时达到峰值，之后便会迅速下降。因此富田新开发了第三个关键技术，就是冷却技术。 
     在管状容器中央，设置由受光单元排列组成的棒状太阳能电池模块，缝隙中填满制冷剂。从太阳能电池模块吸收热量之后汽化的制冷剂可通过位于管外的冷却装置变回液体。 
      如前文所述，充分利用释放热量的构思使进一步提高效率得以实现。 
     将能源以热量的形式提取出来，还具有易于存储的优点。储存电能需要使用以充电电池为代表的高价蓄电系统，而热能可以通过制成热水储存在水槽中。而且还易于解决能源供应不稳定这个太阳能发电所面临的大课题。 
     化合物半导体比结晶硅更耐热，这一点也有助于实现较好的相容性。例如，磷化铟镓在120℃范围内性能基本不会下降。因此以供应热水为前提的制冷剂及蓄熱装置也可以利用。 
     作为热量利用方法，主要有直接使用热水、制造蒸汽旋转涡轮机进行发电、使用热电转换元件转变为电力、用于热泵热水器等。在宫城县草莓农户进行的实证试验就是将电力用于农用冰箱，热量用于住宅内供暖。 
     2011年5月，智能太阳能国际与日本宫城县的化学及精密机械厂商合作，建立了新系统量产体制。目前预定面向便利店、餐饮店及工厂等进行销售。 
    并且，今年5月还与总部设在美国夏威夷州檀香山、从事反射镜聚光集热系统业务的Sopogy公司开始进行业务合作。将在聚光及热利用方面充分利用Sopogy的技术，与富田擅长的太阳能电池部分相结合，以提高新系统的完成度。 
     智能太阳能国际2012年度的全球销售额目标为8亿日元。并力争在2013年度达到30亿日元。富田说：“我们要充分发挥新系统耐高温的优势，向印度、孟加拉共和国及沙特阿拉伯等日照量多的地区销售。并且还在研究近期自行开展发电业务”。