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

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

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

最初，多結太陽能電池被設計用于太空科學，直到今天仍被用于此目的。在2000年代初期，科學家還開始將這些多結太陽能電池應用于地面聚光太陽能應用。

然而，據(jù)預測，在未來幾十年中，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爭力。這些光伏電池還擁有所有現(xiàn)有光伏技術中最高的效率，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仍可與聚光太陽能或CSP競爭。這些光伏技術都非常適合直接輻射正常的區(qū)域，例如南歐的GoldenBanana和美國的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，但人們常常對它們感到困惑。

為避免混淆，CPV使用光伏效應直接從陽光中發(fā)電，而CSP通常被稱為“集中太陽熱能”，直接使用來自太陽輻射的熱量制造蒸汽使渦輪機工作，然后它可以使用發(fā)電機發(fā)電。

這種方法有其自身的缺點：它需要直接面向太陽，并配備聚光鏡。

聚光光伏（CPV）的類型

低濃度PV

低濃度光伏系統(tǒng)的日照濃度為2到100個太陽。在低CPV的情況下，熱流通常足夠低，因此電池不需要主動冷卻。實際上，在對標準太陽能電池組件進行建模和試驗后，發(fā)現(xiàn)如果濃度水平較低，則無需跟蹤甚至無需進行冷卻修改。

此外，低濃度光伏系統(tǒng)通常使用簡單的升壓反射鏡，與非聚光光伏系統(tǒng)相比，其可將太陽能輸出提高30％以上。根據(jù)加拿大LCPV系統(tǒng)的實驗結果，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個太陽，這些CPV系統(tǒng)需要主動或被動冷卻以及兩軸太陽跟蹤，這使得PV材料比低濃度PV更為復雜。

高濃度PV

替代HCPV的高濃度光伏電池是利用聚光光學系統(tǒng)的光伏系統(tǒng)，該聚光光學系統(tǒng)由菲涅耳透鏡或所謂的碟形反射鏡組成。這些將陽光聚集到1,000個太陽或更高的強度。更高集中度PV的太陽能電池需要高容量的散熱器，以避免熱破壞以及管理預期壽命和與溫度相關的電氣性能。為了進一步加重集中式冷卻設計，散熱器必須使用被動式冷卻，否則，主動式冷卻所需的總功率轉換效率將降低。

與普通太陽能電池板相比，CPV的優(yōu)勢

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

高溫下非常穩(wěn)定的性能：硅太陽能電池的性能對溫度非常敏感，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，每度會損失0.5％的性能。

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

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

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，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實際問題。

更糟的是，巨大的價格競爭阻止了使用非常高質量的組件，這導致長期性能不佳，尤其是在非常炎熱的氣候中，這種氣候也具有重要的太陽能潛力。例如，用于封裝和粘合前玻璃的透明塑料（EVA）會因熱循環(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3％。

CPV太陽能電池源自太空和應用，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電子元件。由于該技術還比較年輕，因此本身不存在長期性能CPV，但是即使在運行20年后，基于或太空應用的類似技術的回報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隨時間降解的無機材料（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，因為構成元素很容易分離，并且主要由可以完全回收的無機材料組成。相反，SI-PV電池和框架完全粘合到復雜的氟化塑料上，這需要高級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

從長遠來看，CPV可能會更有利可圖，但這種優(yōu)勢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技術高2.5到4倍。

更高的維護需求

太陽的高精度跟蹤（角度精度最高可達0.1°）需要專業(yè)人員不斷關注。而且，由于跟蹤器的高度，面板的清洗可能會更困難。

云會降低性能

CPV只能在直射的陽光下工作，因此它不能一直工作。CPV通常旨在安裝在陽光充足的地方，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，這表明陽光主要來自一個方向。

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。最終的土地占用量僅達到約50％，而跟蹤所提供的25％的太陽能僅部分補償了這一點。因此，CPV在低成本土地上或僅安裝一個跟蹤器時都是可行的。

技術不夠成熟

盡管CPV很快成熟，但它缺少專用的供應鏈，這迫使每家公司自行開發(fā)和生產(chǎn)大部分組件（跟蹤器模塊等）。電池在開始時就太大了，這轉化為高耗散需求（更大的電池會產(chǎn)生更高的溫度）和更大的模塊較重，這意味著額外的運營成本。

同時，光伏行業(yè)的價格下跌幅度超過80％，原因是受補貼的行業(yè)可以出售幾乎沒有利潤的產(chǎn)品，而目標是贏得市場份額。

為什么CPV有潛力在未來取得成功？

CPV電池正在變得更好，更小，更便宜

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

利用最初為LED開發(fā)的自動布局，可以以極低的制造誤差高速制造極小的電池設計。標準尺寸可以比10年前小25倍（4平方毫米對100毫米），從而降低了模塊價格，因為小尺寸的電池更容易散熱。太陽能的未來

SI-PV模塊價格不會一直下降

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

其余可用位置要求更高

在溫帶氣候下安裝光伏設備的競爭越來越激烈，因此新的太陽能增長必須來自更艱難的地區(qū)。

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

應該改進哪些內(nèi)容才能使CPV取得成功？

減輕模塊重量至關重要

忘記進一步提高性能，模塊重量是降低運營成本時最重要的參數(shù)，這僅僅是因為它允許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的每單位全球收入增加，甚至使自動維護（清潔）具有成本效益，從而減少了更多所需人員。

這不是一項艱巨的任務，因為權重自從前幾代以來就不是一個非常優(yōu)化的參數(shù)。我個人開發(fā)的設計重量小于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能聚集時卻遭受致命的缺陷。首先，設計必須完美才能真正有效：邊緣銳度的任何折衷（例如在塑料成型過程中發(fā)生的倒圓）都會導致較大的性能下降。

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

反射光學應從經(jīng)典的“望遠鏡設計”發(fā)展而來

反射光學器件盡管看起來笨拙，但不受菲涅爾透鏡的限制，它們通常可以應對超過+/-1°的較大跟蹤誤差，從而大大降低了維護成本。唯一的缺點是，當前基于“卡塞格倫望遠鏡”的設計不容易通過標準技術進行批量生產(chǎn)，這會帶來很高的制造成本

可以通過使用更多的“變形”設計來提高制造成本，這些設計可以消除圖像形成，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倍的設計或者更多。

使用自動清潔且耗水量極低

如前所述，CPV確實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)濟的清潔系統(tǒng)至關重要，使用現(xiàn)有的建筑窗戶清潔技術而不是開發(fā)新的清潔技術可能是關鍵。

結論

CPV的明顯消亡可能只是一個挫折，因為該技術仍具有超越標準PV系統(tǒng)的潛力。現(xiàn)在，經(jīng)過瘋狂的價格傾銷之后塵埃落定，CPV可能會在抵御全球變暖的持久工具中發(fā)揮重要作用。