何祚庥解讀爭議中前行的新型光伏發(fā)電技術(shù)

“這項具有完全自主知識產(chǎn)權的光伏發(fā)電技術(shù)，我個(gè)人認為，是當今世界最先進(jìn)、發(fā)電成本最低廉的光伏發(fā)電技術(shù)。它將使太陽(yáng)能發(fā)電在我國的大規模應用很快成為現實(shí)。”最近，中國科學(xué)院理論物理研究所研究員何祚庥在考察完甘肅武威的新型光伏電站后評價(jià)說(shuō)。

何祚庥所稱(chēng)贊的這項技術(shù)名為“4倍聚光+跟蹤”的新型光伏發(fā)電技術(shù)，由中國科學(xué)院理論物理研究所特聘研究員陳應天帶領(lǐng)團隊獨立研發(fā)。

　　這項技術(shù)已經(jīng)走向產(chǎn)業(yè)化，已使光伏發(fā)電單位千瓦的售價(jià)由8萬(wàn)元下降到2.6萬(wàn)元，如果再加上陳應天發(fā)明的“太陽(yáng)能煉硅”，太陽(yáng)能光伏電池的發(fā)電成本將在5到7年內下降到0.4～0.5元每度。

　　但也有學(xué)者認為這種“4倍聚光+跟蹤”技術(shù)根本沒(méi)有發(fā)展前途，沒(méi)有存在的必要，甚至有人斥之為“偽科學(xué)”。那么，“4倍聚光+跟蹤”究竟是一項什么樣的技術(shù)，又為什么會(huì )引起這么大的爭議呢？

　　對此，記者采訪(fǎng)了何祚庥。

　　何為“4倍聚光+跟蹤”技術(shù)？

　　據何祚庥介紹，“4倍聚光+跟蹤”光伏發(fā)電技術(shù)由兩部分組成：4倍聚光技術(shù)和跟蹤技術(shù)。

　　“4倍聚光”技術(shù)是指將原本照射在4倍單位面積的光量集中照射在一倍單位面積上。而這個(gè)過(guò)程是通過(guò)陳應天所發(fā)明的“光漏斗”實(shí)現的。

　　“光漏斗”簡(jiǎn)單說(shuō)就是利用幾面特殊材質(zhì)的“鏡子”，圍成像碗一樣的八面體，“碗底”由聚光電池組成。“當然，‘光漏斗’的形狀是經(jīng)過(guò)運算而確定的”，何祚庥說(shuō)。

　　這個(gè)精心設計的“光漏斗”的奇妙之處就在于，它僅通過(guò)一次反射，就可以均勻地將任何方向照射過(guò)來(lái)的光線(xiàn)匯聚到太陽(yáng)能電池板上。相比其他聚光手段，這一“八面玲瓏”的“光漏斗”可以極大減少由于熱應力和受熱量不均而對光電池造成的損壞。

　　經(jīng)過(guò)測算，經(jīng)過(guò)“光漏斗”匯聚后的光量是未經(jīng)匯聚光量的4倍。由于光線(xiàn)的強度越大，光電池的發(fā)電量也就越大，所以從理論上說(shuō)，添加“光漏斗”的光電池的發(fā)電量是平板光電池的4倍。“但是由于受到反射、吸收等因素的影響，實(shí)測證明，這個(gè)4倍光強直接照射的光電池是普通光電池發(fā)電量的3.3倍。”何祚庥補充說(shuō)。

　　太陽(yáng)跟蹤技術(shù)是“4倍聚光+跟蹤”中的另一項技術(shù)。這項技術(shù)與傳統的跟蹤系統相比也有本質(zhì)的不同。傳統的太陽(yáng)跟蹤系統需要對太陽(yáng)進(jìn)行測量、定位，然后建立坐標系，最后返回一個(gè)控制信號使儀器對電池板進(jìn)行方位調節。這個(gè)復雜的過(guò)程存在可靠性差、跟蹤精度低和不易維修等缺點(diǎn)。

　　“陳應天早年曾在劍橋大學(xué)進(jìn)行過(guò)天文學(xué)研究。他受天文望遠鏡的啟發(fā)，利用一個(gè)非常簡(jiǎn)單的方法，也就是天文望遠鏡跟蹤的方法，擺脫了這些難題。”

　　由于幾百年的天文學(xué)研究早已得出地球圍繞太陽(yáng)公轉和自轉的高精密運行公式，因此，陳應天將這些公式輸入芯片，就可以使‘光漏斗’可以高精度地追逐太陽(yáng)，大幅度降低了跟蹤成本。

　　“正是‘光漏斗’和跟蹤技術(shù)的結合，使這項技術(shù)的發(fā)電成本降到了傳統平板光電池的1/3，但單位發(fā)電量卻比傳統平板光電池高出55%。產(chǎn)業(yè)化之后，將可以使光伏電池的投資金額由每千瓦8萬(wàn)多元下降到2.6萬(wàn)多元，而如果認為這一‘光漏斗’的使用壽命是25年，年日照時(shí)間是1967小時(shí)，可算出相應的發(fā)電成本下降到0.51元/度。”何祚庥評價(jià)說(shuō)。

　　由于硅是制造光電池的主要材料，為了進(jìn)一步減少光伏發(fā)電的成本，陳應天又發(fā)明了“太陽(yáng)能煉硅”。

　　他利用他所發(fā)明的無(wú)光象主動(dòng)光學(xué)理論和相關(guān)技術(shù)，制作了一個(gè)新型的太陽(yáng)能爐，能夠有效、穩定地將10000倍或更高一些的太陽(yáng)光聚集在網(wǎng)球大小的范圍內，并能在幾秒鐘之內將鎢板熔化。而這個(gè)太陽(yáng)爐不包括研發(fā)費用在內的成本僅約為20萬(wàn)元。

　　經(jīng)過(guò)實(shí)驗，這個(gè)新型太陽(yáng)能爐可以在兩三秒內，將純度約為99%的工業(yè)用硅提純到純度為99.9999%的太陽(yáng)能級高純硅，而且在冶煉過(guò)程中的能源消耗只有傳統的西門(mén)子法的1/10。

　　何祚庥表示，新方法能將現有的提純耗能指標由每公斤200至400度電降為每公斤30至40度電，其提煉成本也將可能降為20美元/公斤，從而使4倍聚光發(fā)電裝置的發(fā)電成本再下降20%。

　　爭議中前行

　　“雖然陳應天的技術(shù)從理論上是正確的，但目前還有不少?lài)鴥韧獾目茖W(xué)家反對發(fā)展聚光技術(shù)。”

　　持否定意見(jiàn)的科學(xué)家認為，聚光發(fā)電技術(shù)沒(méi)有發(fā)展前途，而且可行性也不高。他們認為，薄膜電池才是目前光伏產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)。而本質(zhì)上，聚光發(fā)電和聚光熱發(fā)電系統只是用廉價(jià)的聚光材料替代昂貴的半導體材料，所以當半導體材料廉價(jià)到和聚光材料相近時(shí)，所有的聚光發(fā)電系統均沒(méi)有生存的意義了。

　　針對這種觀(guān)點(diǎn)，陳應天等人回答說(shuō)，即使半導體材料的價(jià)格降到微不足道的水平，但至少在近期內，薄膜技術(shù)還是難以和聚光技術(shù)相競爭。

　　理由有兩條：第一，制作光電池除了需要半導體材料之外，還需要如低鐵絨面玻璃、EVA、銀漿、鋁漿等專(zhuān)用材料，這些材料的成本在近期內難以下降，而聚光材料及其加工成本卻在大幅下降。

　　第二，薄膜技術(shù)將很難做到比單晶硅光電池有更高的光電轉化率，其相應的跟蹤成本必定大幅度增加，然而，在利用了“太陽(yáng)跟蹤技術(shù)”之后，這項技術(shù)可以比不用跟蹤技術(shù)至少多產(chǎn)出30%的電力。

　　還有一部分科學(xué)家對這項技術(shù)的可行性提出質(zhì)疑，他們認為“4倍聚焦+跟蹤”系統在耐用性、可維護性、可持續性等方面缺乏有效的長(cháng)期數據，進(jìn)而存在一系列的疑問(wèn)。例如，能否高效散去4倍聚光帶來(lái)的熱量，跟蹤太陽(yáng)的精度能否滿(mǎn)足要求，能否長(cháng)期安全可靠地運行，能否經(jīng)受沙漠地區常有的狂風(fēng)、高溫、沙塵暴等惡劣氣候的考驗等。

　　“實(shí)踐已經(jīng)對這些問(wèn)題做出了回答。”據何祚庥介紹，最近，在蚌埠研發(fā)的一臺直徑為35米，峰值功率為50千瓦，50kWp的光伏發(fā)電機，經(jīng)歷了一場(chǎng)直徑為1厘米的冰雹襲擊，所有設備均安然無(wú)恙。而在內蒙古鄂爾多斯建造的一個(gè)功率為205千瓦小型光伏電站，已持續運行了2年多，到目前為止，只在安裝調試早期維修了千分之一的“光漏斗”。“這是我國第一例能夠真正在沙漠地區長(cháng)期穩定運行的光伏電站！”