全日追蹤太陽,捕獲更多光能!新再生能源聚光型太陽能,轉換效率突破41.4 %

一提到產業用太陽能,腦海中立即想到的就是太陽能電池模組;從發電技術來看,太陽能發電技術可分成光熱(Concentrated solar power, CSP)和光伏(Photovoltaic, PV)兩類;本周要介紹的是,兼具太陽光電與聚光太陽熱發電優點的聚光型太陽光電(Concentrated Photovoltaic, CPV)
CPV新一代再生能源技術,運用[聚光型太陽能電池(Concentrator Photovoltaic)]+[消色差透鏡(achromatic lenses)]+[太陽光追蹤器(Sun Tracker)]的組合,其太陽能能量轉換效率可達40%以上。其原理是運用透鏡或曲面鏡將陽光聚焦到下方的多結太陽能電池,其中多結太陽能電池大多為串聯不同能隙的三五族(III-V)半導體太陽能板,能更有效率地吸收可見光與不可見光,並搭配太陽光追蹤器與冷卻系統,進一步提升轉換效率。

近日,由研究Fraunhofer 協會太陽能研究院(Fraunhofer Institute of Solar Energy Research, Fraunhofer ISE)指導與歐盟支持贊助的CPVMatch研究專案,宣佈其最新CPV聚光式太陽能光電模組,已成功打破世界紀錄,獲得超高能量轉換效率41.4%。此技術包含兩大關鍵:第一為消色差透鏡(achromatic lenses),讓高輻照度的太陽光更精准地聚焦在微型多結太陽電池上;第二關鍵則運用雙軸追日系統(two-axis tracking system),能在白天追蹤太陽升起落下路徑,全日盡可能地捕獲更多光能。

Cited: Fraunhofer Institute of Solar Energy Research

同為專案負責人以及三五族太陽電池研究項目的組長Gerald Siefer博士表示:「在CPVMatch研究,我們已逐一檢視聚光模組生產流程,解決從材料、電池製造到模組封裝等整個生產步驟所面臨的挑戰。」CPVMatch研究合作夥伴,亦從中獲得兩項重要成果:
1. 研究人員透過新型材料、工藝技術和製造設備,成功製備出新型多結太陽電池結構,並藉此優化四結太陽電池的生產。
2. 藉由改善光學器件和消色差透鏡來優化聚光式太陽光電模組的集光效率。該團隊藉由此兩項技術的優化,打造出面積122 cm2的聚光太陽光電模組,獲得41.1%的高轉換效率。

Fraunhofer ISEAndreas Bett 博士指出,我們對於整個研究成果十分滿意,這項技術開啟了聚光式太陽光電邁向更高效率的大門。目前太陽光電在全球仍持續成長,而我們十分看好CPV未來不斷發展的巨大潛力。CPV將大幅減少每單位面積能源轉換的所需要的發電占地和資源消耗,進而提升資源永續性。

這項新技術運用多結太陽能電池以及光學元件之間的完美相互作用,成功創造高校轉換效率;但如果這項技術單單只是創造實驗室裡的資料值世界紀錄,而無法以合理的價格轉換為商業模式,那結果也是紙上談兵。因此如何把此項技術帶離實驗室,實際運用在產業發展,仍是一大挑戰。

由於聚光式太陽能光電模組體積大、重量重,目前仍無法安裝在一般住宅屋頂,但如果能提供比傳統太陽能電池更高的效率轉換,未來可朝向公共事業規模發展,以更有效益、節省成本方式提供永續性的再生能源。經計算,若要建一座 10MW 聚光型太陽光電廠,每瓦電價約為 1.50~2.30 美元,相較之下,聚光式太陽光電比傳統太陽光電電價已相當便宜,但聚光式太陽光電廠設置所需的占地面積需求大、以及裝設成本較高,故目前全世界的聚光型太陽光電裝置量不算多;但藉由本項技術的發展,未來可朝向縮小設備體積、改良用電傳輸以降低裝設成本,整體提高使用效益。

CPVMatch 簡介
CPVMatch研究專案,是來自德國、義大利、西班牙和法國的研究機構與產業合作夥伴所組成,在過去3年多中持續致力於新能源解決方案,其研究主軸以實現工業應用等級的高效率轉換PV模組,以及減少研究理論值與實際產業化應用間的差距。
References: 
Steve Hanley. (November 26th, 2018). Concentrated Photovoltaics Achieve Solar Conversion Efficiency Record Of 41.4%. Retrieved from https://cleantechnica.com/2018/11/26/concentrated-photovoltaics-achieve-solar-conversion-efficiency-record-of-41-4/
2018-12-26