作者:邱锐 易蓉蓉 来源:科学时报 发布时间:2009-8-18 23:37:08
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何祚庥解读争议中前行的新型光伏发电技术

 
[科学时报 邱锐 易蓉蓉报道]“这项具有完全自主知识产权的光伏发电技术,我个人认为,是当今世界最先进、发电成本最低廉的光伏发电技术。它将使太阳能发电在我国的大规模应用很快成为现实。”最近,中国科学院理论物理研究所研究员何祚庥在考察完甘肃武威的新型光伏电站后评价说。
 
何祚庥所称赞的这项技术名为“4倍聚光+跟踪”的新型光伏发电技术,由中国科学院理论物理研究所特聘研究员陈应天带领团队独立研发。
 
这项技术已经走向产业化,已使光伏发电单位千瓦的售价由8万元下降到2.6万元,如果再加上陈应天发明的“太阳能炼硅”,太阳能光伏电池的发电成本将在5到7年内下降到0.4~0.5元每度。
 
但也有学者认为这种“4倍聚光+跟踪”技术根本没有发展前途,没有存在的必要,甚至有人斥之为“伪科学”。那么,“4倍聚光+跟踪”究竟是一项什么样的技术,又为什么会引起这么大的争议呢?
 
对此,记者采访了何祚庥。
 
何为“4倍聚光+跟踪”技术?
 
据何祚庥介绍,“4倍聚光+跟踪”光伏发电技术由两部分组成:4倍聚光技术和跟踪技术。
 
“4倍聚光”技术是指将原本照射在4倍单位面积的光量集中照射在一倍单位面积上。而这个过程是通过陈应天所发明的“光漏斗”实现的。
 
“光漏斗”简单说就是利用几面特殊材质的“镜子”,围成像碗一样的八面体,“碗底”由聚光电池组成。“当然,‘光漏斗’的形状是经过运算而确定的”,何祚庥说。
 
这个精心设计的“光漏斗”的奇妙之处就在于,它仅通过一次反射,就可以均匀地将任何方向照射过来的光线汇聚到太阳能电池板上。相比其他聚光手段,这一“八面玲珑”的“光漏斗”可以极大减少由于热应力和受热量不均而对光电池造成的损坏。
 
经过测算,经过“光漏斗”汇聚后的光量是未经汇聚光量的4倍。由于光线的强度越大,光电池的发电量也就越大,所以从理论上说,添加“光漏斗”的光电池的发电量是平板光电池的4倍。“但是由于受到反射、吸收等因素的影响,实测证明,这个4倍光强直接照射的光电池是普通光电池发电量的3.3倍。”何祚庥补充说。
 
太阳跟踪技术是“4倍聚光+跟踪”中的另一项技术。这项技术与传统的跟踪系统相比也有本质的不同。传统的太阳跟踪系统需要对太阳进行测量、定位,然后建立坐标系,最后返回一个控制信号使仪器对电池板进行方位调节。这个复杂的过程存在可靠性差、跟踪精度低和不易维修等缺点。
 
“陈应天早年曾在剑桥大学进行过天文学研究。他受天文望远镜的启发,利用一个非常简单的方法,也就是天文望远镜跟踪的方法,摆脱了这些难题。”
 
由于几百年的天文学研究早已得出地球围绕太阳公转和自转的高精密运行公式,因此,陈应天将这些公式输入芯片,就可以使‘光漏斗’可以高精度地追逐太阳,大幅度降低了跟踪成本。
 
“正是‘光漏斗’和跟踪技术的结合,使这项技术的发电成本降到了传统平板光电池的1/3,但单位发电量却比传统平板光电池高出55%。产业化之后,将可以使光伏电池的投资金额由每千瓦8万多元下降到2.6万多元,而如果认为这一‘光漏斗’的使用寿命是25年,年日照时间是1967小时,可算出相应的发电成本下降到0.51元/度。”何祚庥评价说。
 
由于硅是制造光电池的主要材料,为了进一步减少光伏发电的成本,陈应天又发明了“太阳能炼硅”。
 
他利用他所发明的无光象主动光学理论和相关技术,制作了一个新型的太阳能炉,能够有效、稳定地将10000倍或更高一些的太阳光聚集在网球大小的范围内,并能在几秒钟之内将钨板熔化。而这个太阳炉不包括研发费用在内的成本仅约为20万元。
 
经过实验,这个新型太阳能炉可以在两三秒内,将纯度约为99%的工业用硅提纯到纯度为99.9999%的太阳能级高纯硅,而且在冶炼过程中的能源消耗只有传统的西门子法的1/10。
 
何祚庥表示,新方法能将现有的提纯耗能指标由每公斤200至400度电降为每公斤30至40度电,其提炼成本也将可能降为20美元/公斤,从而使4倍聚光发电装置的发电成本再下降20%。
 
争议中前行
 
“虽然陈应天的技术从理论上是正确的,但目前还有不少国内外的科学家反对发展聚光技术。”
 
持否定意见的科学家认为,聚光发电技术没有发展前途,而且可行性也不高。他们认为,薄膜电池才是目前光伏产业的主流技术。而本质上,聚光发电和聚光热发电系统只是用廉价的聚光材料替代昂贵的半导体材料,所以当半导体材料廉价到和聚光材料相近时,所有的聚光发电系统均没有生存的意义了。
 
针对这种观点,陈应天等人回答说,即使半导体材料的价格降到微不足道的水平,但至少在近期内,薄膜技术还是难以和聚光技术相竞争。
 
理由有两条:第一,制作光电池除了需要半导体材料之外,还需要如低铁绒面玻璃、EVA、银浆、铝浆等专用材料,这些材料的成本在近期内难以下降,而聚光材料及其加工成本却在大幅下降。
 
第二,薄膜技术将很难做到比单晶硅光电池有更高的光电转化率,其相应的跟踪成本必定大幅度增加,然而,在利用了“太阳跟踪技术”之后,这项技术可以比不用跟踪技术至少多产出30%的电力。
 
还有一部分科学家对这项技术的可行性提出质疑,他们认为“4倍聚焦+跟踪”系统在耐用性、可维护性、可持续性等方面缺乏有效的长期数据,进而存在一系列的疑问。例如,能否高效散去4倍聚光带来的热量,跟踪太阳的精度能否满足要求,能否长期安全可靠地运行,能否经受沙漠地区常有的狂风、高温、沙尘暴等恶劣气候的考验等。
 
“实践已经对这些问题做出了回答。”据何祚庥介绍,最近,在蚌埠研发的一台直径为35米,峰值功率为50千瓦,50kWp的光伏发电机,经历了一场直径为1厘米的冰雹袭击,所有设备均安然无恙。而在内蒙古鄂尔多斯建造的一个功率为205千瓦小型光伏电站,已持续运行了2年多,到目前为止,只在安装调试早期维修了千分之一的“光漏斗”。“这是我国第一例能够真正在沙漠地区长期稳定运行的光伏电站!”
 
《科学时报》 (2009-8-19 A1 要闻)
 
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