“Mr.solar”的新挑战——跟踪聚光型光伏发电系统

索比光伏网讯:2011年6月，智能太阳能国际公司（Smart Solar International）正式开始生产及销售单位面积发电量约为现有结晶硅光伏发电系统2倍的新型光伏发电系统。

智能太阳能国际公司代表董事、东京大学尖端科学技术研究中心特聘教授富田孝司

        该公司是在夏普多年担任光伏系统事业本部长的富田孝司于2009年8月成立的风险企业。该公司确立了同时积极开展海外业务的方针，力争2014年和2015年的年销售额分别实现100亿日元和200亿日元。

        “作为核电的替代能源，要努力一举加速普及光伏发电系统。这也是我的职责”，在光伏发电行业有“太阳能先生（Mr.solar）”绰号的富田孝司这样说道。

        富田在夏普多年担任光伏系统事业本部长，拥有使该公司光伏发电系统的销售额连续七年位居全球首位的业绩。

        他于2009年8月在东京大学优势资本公司（UTEC：The University of Tokyo Edge Capital Co., Ltd）的出资援助下，成立了风险企业智能太阳能国际公司。作为代表董事，正在全力开发高转换效率、低成本、可大规模推广的新款光伏发电系统。

        智能太阳能国际于2011年1月在位于宫城县大崎市的主力化学厂商RASA工业公司（Rasa Industries)的三本木工厂内，设立了光伏发电系统生产基地。并于同年6月正式开始进行生产及销售。确立了同时积极开展海外业务的方针，力争2014年和2015年的年销售额分别实现100亿日元和200亿日元。

太阳能电池也存在资源外交风险

        富田介绍说：“最初预定从10月起正式开始进行生产及销售，但由于福岛核电站事故等原因，决定提前进行。另外，偶然的是，在东日本大地震发生的3月11日，日本经济产业省宣布将实施电力运营商以固定价格收购可再生能源制度。我们将借助该制度的实施，竭尽全力普及该系统。”

跟踪太阳的移动转动反射镜

        于是，富田决定以提高转换效率和增加发电量为目标，与尖端科学技术研究中心共同进行新型光伏发电系统的研发。此次投入实用的是“跟踪聚光型光伏发电系统”。

        该系统主要有三个技术重点，即跟踪聚光技术、冷却技术以及单元多层化技术。单元是指几厘米见方的太阳能电池板，几十枚单元排列组成模块。

        跟踪聚光技术正如其名称一样，是指可跟踪太阳光并聚光的技术。

        目前，设置于住宅等的屋顶的固定式太阳能电池板随着太阳位置的变动，光线入射量也会发生很大变化。因此，特别是光线入射量较少的早晨和傍晚，发电量会大幅减少。

跟踪聚光概念图（提供：智能太阳能国际公司）

        因此富田通过相应太阳的移动转动反射镜，使太阳能电池板能一直受到较多阳光的照射。并且因为使用反射镜，所以模块无需制成面板状，于是便制成了聚光效率较高的棒状。

        这样一来，与原有固定式结晶硅太阳能电池板相比，可受到5～10倍的阳光照射，发电量也提高了25％左右。而且，硅等材料的使用量也削减到了原先的4分之1～10分之1。从而可降低制造成本及资源风险。 

抛物面聚光型和菲涅尔聚光型
  
      并且，富田共开发了两种跟踪聚光系统，分别为抛物面聚光型和菲涅尔聚光型。

左侧为抛物面聚光型，右侧为菲涅尔聚光型。（照片提供：智能太阳能国际公司）

        抛物面聚光型是通过弯曲的反射镜聚光。而菲涅尔聚光型则是排列设置12枚宽5厘米的细长反射镜进行聚光。

        采用抛物面聚光型时，如果想要制造大型设备，便需要可承受风压的机构。因此，设备规模会比较大，设置费用也会相应增加。而另一方面，菲涅尔聚光型虽然结构比较复杂，但由于风可以从反射镜与反射镜之间通过，因此易于设置在风力较强的大厦屋顶上等。

        如果阳光入射量提高到原先10倍，发电量似乎也应该提高到10倍，但实际上并没有这么简单。那么原因何在？其实主要原因就在于结晶硅不耐热，由于太阳热单元温度会上升，随之能源转换效率会在达到40度左右的峰值之后迅速下降。

        于是，富田新开发了第二项关键技术——冷却技术。

        其原理比较简单。首先，在管状容器中放入棒状太阳能电池模块和制冷剂，将两端封闭。如果太阳能电池模块的温度因太阳热而上升，管内的制冷剂便会从太阳能电池模块处吸收热量并蒸发。借助蒸发热，太阳能电池模块得到冷却。

        另一方面，蒸发后的制冷剂会移动到其他场所。然后放热并变回液体。这样一来，制冷剂体积便会缩小，气压会下降。这能起到泵的作用，使制冷剂自动进行循环。从而成功防止了太阳能电池模块过热以及能源转换效率下降。 

通过一枚单元可转换波长范围更广的光

        另外，为了提高能源转换效率，富田还与尖端科学技术研究中心共同开发出了第三项关键技术——单元多层化技术。

        目前，普通结晶硅太阳能电池的能源转换效率仅为15％左右，提高转换效率已经成为一个重要的课题。其主要原因在于单使用过硅，只能利用波长范围很广的太阳光中的很少一部分光能。

        因此，富田等组合使用分别利用可吸收短波长、中波长及长波长的半导体制成的单元，实现了多层化。这样一来，便可将波长范围较广的光转变为电力，成功将能源转换效率提高到了20％左右。

        实际上，此前也有许多研究人员在致力于多层化的研发。不过，半导体结晶由于元素种类的不同，原子间的距离也各不相同，因此很难进行层压，量产化没有进展。

        富田介绍道：“对此我们采用了与之前完全不同的方法进行了层压。如果使用该技术，便可自由组合使用多种单元，实现多层化，将多种波长的光转变为电力。通过组合使用单元，也有可能实现50～60％的转换效率。”

以“阳光地带”为中心进行销售

        通过采用这三项技术，富田使单位面积发电量提高到了现有结晶硅光伏发电系统整体的2倍左右，并实现了低成本化。

        富田目前计划将该系统针对连锁经营的便利店等零售店、餐饮店、企业工厂和仓库以及大学等教育研究机构销售，而不是面向夏普時代亲自开拓建立的普通住宅市场推广。

        富田雄心勃勃地表示：“该系统的规格适合大规模推广。希望能够以发电量较多为武器，尽量填补因东日本大地震而产生的电力缺口。”

        并且，还计划2014年正式向海外市场进军。将充分发挥该系统耐高温的优点，以印度、孟加拉及沙特等日照量较多、被称为“阳光地带”的地区为中心进行销售，并计划亲自开展发电事业。“2018年成为全球最大的光伏发电运营商”——这就是富田的目标。（《日经商务在线》特约撰稿人：山田久美）
        现在，富田还担任东京大学尖端科学技术研究中心超高效率太阳能电池领域特聘教授，此次开始生产和销售的新型光伏发电系统就是与尖端科学技术研究中心的共同研究成果。其最大的特点在于，单位面积的发电量高达现有结晶硅光伏发电系统的2倍左右，实现全球最高水平。

富田开发的跟踪聚光型光伏发电系统。由抛物面聚光型装置排列而成。（照片提供：智能太阳能国际公司）（点击放大）

        日本国内发电能力在2009年为281吉瓦（吉为10的9次方）。不过，据预测到2020年需要301吉瓦的发电能力。如果维持现状，到2020年，发电能力将出现20吉瓦的短缺。在因东日本大地震而发生的电力短缺的背景下，这种状况今后有可能进一步恶化。

        富田解释说：“假如发电能力短缺部分全部通过现有结晶硅光伏发电系统提供，需要160～180吉瓦的发电能力。另一方面，现在日本国内的太阳能电池厂商的总产能仅为2吉瓦。10年后要将这一数值提高到80倍或90倍，这并不现实。”

        并且，假设即使现有结晶硅光伏发电系统的国内产能提高到目前的100倍，又会出现其他问题。那就是，与作为太阳能电池板材料的高纯度硅和作为透明电极材料的铟等稀有金属有关的资源外交风险。

        现在，从硅石的发掘到精炼，日本的太阳能电池板使用的高纯度硅的采购几乎100％需要依赖海外。而且现在9成以上要依赖中国。今后，如果全球需求扩大，中国出口限制及价格暴涨等风险或许会进一步提高。

        富田表示：“要避免出现这种状况，提高能源转换效率和增加发电量不可或缺，为此无论如何都必须开发革新技术。”

索比光伏网 https://news.solarbe.com/201207/03/252827.html