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系統有時使用冷卻系統和太陽能跟蹤器來提高其效率。常規(guī)光伏系統所沒有的。

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，據預測，在未來幾十年中，利用高濃度光伏（HCPV）的光伏系統具有巨大的潛力，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成本平衡最小化。但是，聚光光伏目前尚未在光伏屋頂系統中使用，與常規(guī)光伏系統相比，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，低濃度光伏系統通常使用簡單的升壓反射鏡，與非聚光光伏系統相比，其可將太陽能輸出提高30％以上。根據加拿大LCPV系統的實驗結果，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的光伏系統，該聚光光學系統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）下運行而不會出現問題。

極好的耐久性：在所有工業(yè)系統中，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，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。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的技術維護成本的主要來源之一。

反射光學應從經典的“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，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。添加非常經濟的清潔系統至關重要，使用現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系統的潛力。現在，經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。