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智能太陽能國際公司的高效熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)

來源：日經(jīng)電子 | 0評論 | 5335查看 | 2012-08-06 11:51:00

利用聚光式及太陽跟蹤等技術(shù)提高發(fā)電效率，同時進(jìn)行熱回收。單位面積的能源轉(zhuǎn)換效率有望達(dá)到全球最高水平。力爭在“炎熱地區(qū)”實現(xiàn)普及。

“力爭利用以太陽能發(fā)電為基礎(chǔ)的技術(shù)，實現(xiàn)等同于火力發(fā)電的能源轉(zhuǎn)換效率”，2009年成立的風(fēng)險企業(yè)智能太陽能國際公司（Smart Solar International）的社長富田孝司這樣說道。富田曾是夏普常務(wù)董事，作為夏普太陽能系統(tǒng)事業(yè)本部長，帶領(lǐng)夏普奪取全球太陽能發(fā)電系統(tǒng)銷售額七聯(lián)冠，在太陽能發(fā)電行業(yè)界廣為人知，被稱為“太陽能先生(Mr.solar)”。

受福島第一核電站事故影響，火力發(fā)電在日本的總發(fā)電量中所占比例日益提高。利用廢熱的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電能源轉(zhuǎn)換效率高達(dá)55％以上，頗占優(yōu)勢。

雖然可再生能源備受期待，但成本及發(fā)電量不穩(wěn)定等問題成為阻礙，尚處于發(fā)展階段。成為熱議話題的太陽能發(fā)電在轉(zhuǎn)換效率方面也存在很大的改進(jìn)余地。

不過，富田斷言：“太陽能發(fā)電很有可能成為基礎(chǔ)電源?！睆慕衲?月起，智能太陽能國際以每臺8萬日元（不含稅）的價格正式開始銷售的太陽能發(fā)電系統(tǒng)正是其得意之作。

力爭實現(xiàn)可等同于火力發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率

從紫外線到紅外線，太陽光中含有多種波長的光。不過，太陽能電池由于所用材料的不同，可有效轉(zhuǎn)化為電能的光線的波長也不同。

沒有轉(zhuǎn)化為電能的光能大多會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崃?，釋放到空氣中。由于熱量也會?dǎo)致太陽能電池板出現(xiàn)劣化，因此對于太陽能發(fā)電系統(tǒng)廠商來說，采取相應(yīng)對策已經(jīng)成為重要課題。

富田開發(fā)的新系統(tǒng)可以說是完全相反的構(gòu)思。該系統(tǒng)是積極回收太陽能電池所產(chǎn)生的熱量，并將之作為能源使用。或許可說是一個通過電力及熱量回收能源、提高整體效率的“太陽能版熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)”。

該系統(tǒng)所使用的太陽能電池板單位面積的轉(zhuǎn)換效率為23%到24％，約為普通結(jié)晶硅太陽能電池的1.6倍。加上熱能的回収，總轉(zhuǎn)換效率可提高到40％以上。

富田充滿信心地說：“如果進(jìn)一步改良熱回収系統(tǒng)，實現(xiàn)媲美火力發(fā)電站的能源轉(zhuǎn)換效率也并非幻想?！?nbsp;

改進(jìn)化合物半導(dǎo)體層壓技術(shù)

新系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高的能源轉(zhuǎn)換效率，主要得益于三項關(guān)鍵技術(shù)。即受光單元多層化、跟蹤聚光以及冷卻技術(shù)。受光單元指的是幾厘米見方的電池板，幾十枚受光單元排列組成模塊。

首先是多層化技術(shù)。

現(xiàn)在，太陽能電池的材料約有9成為結(jié)晶硅。這種材料主要與中等波長的光線相容性較好，無法將波長較長的紅外線轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。另一方面，波長較短、具有較高能源的紫外線雖然能夠發(fā)電，但也有很大一部分無法轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，而是變?yōu)闊崃?。因此，最大轉(zhuǎn)換效率理論上為29％，制成產(chǎn)品之后僅能達(dá)到15％左右。

于是，智能太陽能國際在新系統(tǒng)的單元上重疊使用了多種半導(dǎo)體，可分別有效轉(zhuǎn)換“長、中、短”波長的光線。

以往的層壓式化合物太陽能電池的構(gòu)思與之相同。這種電池用鍺制成基板，使用砷化銦鎵及磷化銦鎵等。轉(zhuǎn)換效率非常高，耐輻射性能也很出色。不過，鍺存在價格昂貴、產(chǎn)生熱量多的弱點。目前層壓技術(shù)還處于開發(fā)狀態(tài)，沒有實現(xiàn)量產(chǎn)化。

富田開發(fā)出了利用與以往完全不同的方法，使化合物半導(dǎo)體實現(xiàn)多層化的自主技術(shù)。可自由組合使用硅類及有機(jī)類等多種單元，從而實現(xiàn)多層化，這也是其優(yōu)勢所在?？蓮亩喾N波長的光線中提取電力并進(jìn)行合成。富田稱，通過組合使用多種單元，可實現(xiàn)50%到60％的轉(zhuǎn)換效率。

今年7月上市的新系統(tǒng)依然使用鍺基板，但今后將隨著開發(fā)的進(jìn)展不斷進(jìn)行改良。如果以原有方法未能實現(xiàn)的薄膜硅基板化合物太陽能電池能夠?qū)崿F(xiàn)實用化，便可進(jìn)一步降低價格。

逆向思維將弱點變?yōu)閮?yōu)點

第二個關(guān)鍵技術(shù)為跟蹤聚光技術(shù)，是指跟蹤太陽移動、聚集光線的技術(shù)。目前設(shè)置于住宅屋頂?shù)忍幍墓潭ㄊ教柲茈姵?，陽光入射角變動較大。因此每天的平均可發(fā)電時間實際上只有4個小時左右。

富田對此進(jìn)行了改進(jìn)，根據(jù)太陽的移動，轉(zhuǎn)動半圓形反射鏡，從而能夠一直照射到較多的陽光。并且，隨著使用反射鏡，模塊也沒有采用板狀，而是制成了聚光效率較高的棒狀。現(xiàn)在的模塊為“30倍聚光”型，也就是在一個模塊的面積上，可聚集相當(dāng)于30倍面積的陽光，根據(jù)具體用途，還可制成50倍、100倍聚光型。

不過，如果單元溫度太高，便會導(dǎo)致性能下降。例如，結(jié)晶硅的能源轉(zhuǎn)換效率在40℃左右時達(dá)到峰值，之后便會迅速下降。因此富田新開發(fā)了第三個關(guān)鍵技術(shù)，就是冷卻技術(shù)。

在管狀容器中央，設(shè)置由受光單元排列組成的棒狀太陽能電池模塊，縫隙中填滿制冷劑。從太陽能電池模塊吸收熱量之后汽化的制冷劑可通過位于管外的冷卻裝置變回液體。

如前文所述，充分利用釋放熱量的構(gòu)思使進(jìn)一步提高效率得以實現(xiàn)。

將能源以熱量的形式提取出來，還具有易于存儲的優(yōu)點。儲存電能需要使用以充電電池為代表的高價蓄電系統(tǒng)，而熱能可以通過制成熱水儲存在水槽中。而且還易于解決能源供應(yīng)不穩(wěn)定這個太陽能發(fā)電所面臨的大課題。

化合物半導(dǎo)體比結(jié)晶硅更耐熱，這一點也有助于實現(xiàn)較好的相容性。例如，磷化銦鎵在120℃范圍內(nèi)性能基本不會下降。因此以供應(yīng)熱水為前提的制冷劑及蓄熱裝置也可以利用。

作為熱量利用方法，主要有直接使用熱水、制造蒸汽旋轉(zhuǎn)渦輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電、使用熱電轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?、用于熱泵熱水器等。在宮城縣草莓農(nóng)戶進(jìn)行的實證試驗就是將電力用于農(nóng)用冰箱，熱量用于住宅內(nèi)供暖。

有望在印度及沙特地等大展身手

2011年5月，智能太陽能國際與日本宮城縣的化學(xué)及精密機(jī)械廠商合作，建立了新系統(tǒng)量產(chǎn)體制。目前預(yù)定面向便利店、餐飲店及工廠等進(jìn)行銷售。

并且，今年5月還與總部設(shè)在美國夏威夷州檀香山、從事反射鏡聚光集熱系統(tǒng)業(yè)務(wù)的Sopogy公司開始進(jìn)行業(yè)務(wù)合作。將在聚光及熱利用方面充分利用Sopogy的技術(shù)，與富田擅長的太陽能電池部分相結(jié)合，以提高新系統(tǒng)的完成度。

智能太陽能國際2012年度的全球銷售額目標(biāo)為8億日元。并力爭在2013年度達(dá)到30億日元。富田說：“我們要充分發(fā)揮新系統(tǒng)耐高溫的優(yōu)勢，向印度、孟加拉共和國及沙特阿拉伯等日照量多的地區(qū)銷售。并且還在研究近期自行開展發(fā)電業(yè)務(wù)”。

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