智能太陽能國際公司的高效熱電聯產系統
來源：日經電子 | 0評論 | 4513查看 | 2012-08-06 11:51:00
利用聚光式及太陽跟蹤等技術提高發電效率，同時進行熱回收。單位面積的能源轉換效率有望達到全球最高水平。力爭在“炎熱地區”實現普及。
“力爭利用以太陽能發電為基礎的技術，實現等同于火力發電的能源轉換效率”，2009年成立的風險企業智能太陽能國際公司（Smart Solar International）的社長富田孝司這樣說道。富田曾是夏普常務董事，作為夏普太陽能系統事業本部長，帶領夏普奪取全球太陽能發電系統銷售額七聯冠，在太陽能發電行業界廣為人知，被稱為“太陽能先生(Mr.solar)”。
受福島第一核電站事故影響，火力發電在日本的總發電量中所占比例日益提高。利用廢熱的聯合循環發電能源轉換效率高達55％以上，頗占優勢。
雖然可再生能源備受期待，但成本及發電量不穩定等問題成為阻礙，尚處于發展階段。成為熱議話題的太陽能發電在轉換效率方面也存在很大的改進余地。
不過，富田斷言：“太陽能發電很有可能成為基礎電源。”從今年7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電系統正是其得意之作。
力爭實現可等同于火力發電的轉換效率
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，可有效轉化為電能的光線的波長也不同。
沒有轉化為電能的光能大多會轉變為熱量，釋放到空氣中。由于熱量也會導致太陽能電池板出現劣化，因此對于太陽能發電系統廠商來說，采取相應對策已經成為重要課題。
富田開發的新系統可以說是完全相反的構思。該系統是積極回收太陽能電池所產生的熱量，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“太陽能版熱電聯產系統”。
該系統所使用的太陽能電池板單位面積的轉換效率為23%到24％，約為普通結晶硅太陽能電池的1.6倍。加上熱能的回収，總轉換效率可提高到40％以上。
富田充滿信心地說：“如果進一步改良熱回収系統，實現媲美火力發電站的能源轉換效率也并非幻想。”
改進化合物半導體層壓技術
新系統能夠實現較高的能源轉換效率，主要得益于三項關鍵技術。即受光單元多層化、跟蹤聚光以及冷卻技術。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。
現在，太陽能電池的材料約有9成為結晶硅。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變為電能。另一方面，波長較短、具有較高能源的紫外線雖然能夠發電，但也有很大一部分無法轉變為電力，而是變為熱量。因此，最大轉換效率理論上為29％，制成產品之后僅能達到15％左右。
于是，智能太陽能國際在新系統的單元上重疊使用了多種半導體，可分別有效轉換“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、產生熱量多的弱點。目前層壓技術還處于開發狀態，沒有實現量產化。
富田開發出了利用與以往完全不同的方法，使化合物半導體實現多層化的自主技術。可自由組合使用硅類及有機類等多種單元，從而實現多層化，這也是其優勢所在。可從多種波長的光線中提取電力并進行合成。富田稱，通過組合使用多種單元，可實現50%到60％的轉換效率。
今年7月上市的新系統依然使用鍺基板，但今后將隨著開發的進展不斷進行改良。如果以原有方法未能實現的薄膜硅基板化合物太陽能電池能夠實現實用化，便可進一步降低價格。
逆向思維將弱點變為優點
第二個關鍵技術為跟蹤聚光技術，是指跟蹤太陽移動、聚集光線的技術。目前設置于住宅屋頂等處的固定式太陽能電池，陽光入射角變動較大。因此每天的平均可發電時間實際上只有4個小時左右。
富田對此進行了改進，根據太陽的移動，轉動半圓形反射鏡，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，可聚集相當于30倍面積的陽光，根據具體用途，還可制成50倍、100倍聚光型。
不過，如果單元溫度太高，便會導致性能下降。例如，結晶硅的能源轉換效率在40℃左右時達到峰值，之后便會迅速下降。因此富田新開發了第三個關鍵技術，就是冷卻技術。
在管狀容器中央，設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思使進一步提高效率得以實現。
將能源以熱量的形式提取出來，還具有易于存儲的優點。儲存電能需要使用以充電電池為代表的高價蓄電系統，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不穩定這個太陽能發電所面臨的大課題。
化合物半導體比結晶硅更耐熱，這一點也有助于實現較好的相容性。例如，磷化銦鎵在120℃范圍內性能基本不會下降。因此以供應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、制造蒸汽旋轉渦輪機進行發電、使用熱電轉換元件轉變為電力、用于熱泵熱水器等。在宮城縣草莓農戶進行的實證試驗就是將電力用于農用冰箱，熱量用于住宅內供暖。
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及精密機械廠商合作，建立了新系統量產體制。目前預定面向便利店、餐飲店及工廠等進行銷售。
并且，今年5月還與總部設在美國夏威夷州檀香山、從事反射鏡聚光集熱系統業務的Sopogy公司開始進行業務合作。將在聚光及熱利用方面充分利用Sopogy的技術，與富田擅長的太陽能電池部分相結合，以提高新系統的完成度。
智能太陽能國際2012年度的全球銷售額目標為8億日元。并力爭在2013年度達到30億日元。富田說：“我們要充分發揮新系統耐高溫的優勢，向印度、孟加拉共和國及沙特阿拉伯等日照量多的地區銷售。并且還在研究近期自行開展發電業務”。
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