百年设计迎来颠覆性革新
140多年来，太阳能的形态几乎一成不变。自1883年查尔斯·弗里茨制造出首批太阳能电池板之一，以刚性板片作为载体以来，光伏技术一直以平坦的蓝色矩形板为代表，安装在屋顶或铺设在大片空地上。这种设计如此普遍，以至于大多数人从未质疑过太阳能电池是否一定要做成平板。然而在日本，Kyosemi Corporation的工程师决定挑战这一基本假设，研发出一系列名为Sphelar的微型球形太阳能电池，有望改变我们利用太阳能的方式。
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在阳光以完美的90度角直射表面的理想条件下，传统平板设计表现良好。但在现实世界中，理想条件很少出现。太阳全天在天空中移动，季节更替也会改变照射角度。云层会散射光线，建筑物、树木和其他障碍物则会投下阴影。光线斜射时，平板的效率会明显下降；被遮挡时，基本上就无法发挥作用。这些局限制约了太阳能的有效部署方式和应用地点。
Sphelar背后的日本团队意识到，自然界中的光照并非均匀直射。一天之内和不同季节里，光线会从不同角度到来。既有直射光，也有从水面、玻璃和其他表面反射而来的光，还有被云层和大气颗粒散射的漫射光。他们据此推断，球形太阳能电池更能捕捉这种多维光场，有望在一天中更稳定地发电，并在不太理想的天气条件下保持表现。
这一思路催生了Sphelar这一注册商标产品，它是全球首款商业化研发的球形太阳能电池。这些微小的硅珠直径仅为1至2毫米，代表着对光伏技术的根本性重新构想。Sphelar电池不再要求光线以合适角度照射平面，而是可以接收来自任何方向的光，形成一个三维集光系统，其工作方式更像自然生物从周围环境中获取能量。
灵光一现：太阳能为什么必须是平板？
Sphelar的故事始于Kyosemi Corporation首席工程师兼创始人中田修司提出的一个简单却意义深远的问题。创办Kyosemi数年后，中田开始思考如何提高光伏电池的效率。他回想起自己作为项目成员在三菱电机开发太阳能电池板的经历，并问自己：太阳一直在移动，太阳能电池板为什么非得是平的？
在实验室里，光源通常固定且可预测。但在现实中，阳光照射的角度一直在变化。中田注意到，除了直射光，还有反射光和漫射环境光，而传统平板电池大多无法有效捕捉这些光线。由此，他提出了一个核心问题：如果光伏电池表面是球形的，这会不会是捕捉阳光效率最高的方式？这一问题成为Kyosemi研发球形微型太阳能电池的最初灵感。
Sphelar Power Corporation创始人兼董事长中田丈助先生在公司声明中谈到了企业使命：
Sphelar球形太阳能电池，正是为回应这类简单的问题而诞生的。自然界中的光线并非均匀落下。太阳的位置不断移动。有些阳光被云层散射，另一些则被玻璃和水反射。
这一灵感出现的时机恰到好处。20世纪80年代末，Kyosemi计划在北海道建设新工厂并扩大产能。上砂川最终成为厂址候选地。这座曾经的煤矿小镇因进口量不断增加而关闭了矿井，当地社区正积极寻找新产业来弥补失去的就业机会。经济转型催生的一个项目是JAMIC，即日本微重力中心。该中心将一条废弃矿井改建为科学研究场所。1988年，也就是Kyosemi开始在北海道新厂运营的同一年，中田先生产生了新的想法，认为JAMIC的独特能力或许能帮助实现球形太阳能电池的构想。
在微重力环境中制造
要制造完美的球形硅晶体，工程上面临着重大挑战。在地球上，表面张力和重力会使熔融硅在冷却凝固时形成不规则形状。为了制造高效太阳能电池所需的近乎完美的球体，Kyosemi借助了JAMIC及其独特的落井设施。这条垂直隧道深入地下710米，其中的490米落井可用于开展微重力条件下的实验。
制造过程中，硅被装入真空舱并投放至落井中。自由下落期间，舱内进入微重力状态，熔融硅得以仅凭表面张力形成完美球体，不受重力造成的形变影响。Kyosemi项目团队进行了大量实验，将硅块放入舱内，尝试在短暂的自由下落过程中将其熔化并结晶。经过反复试验，他们最终成功制成所需的球形颗粒。
据Phys.org报道，这种创新制造方法的优势不仅在于能够制成合适的形状。Sphelar电池的制造过程几乎不会浪费硅，而硅是半导体制造中珍贵且相对稀缺的材料。传统平板太阳能电池的生产通常要从硅锭上切割硅片；将圆柱形硅锭切成平片会产生大量废料。球形结晶工艺则能直接从熔融材料制成最终形状，无需切割，从而减少硅的消耗。
Phys.org还报道称，Kyosemi Corp.估计，Sphelar电池的生产成本可能只有传统平板太阳能电池板的一半。这一成本优势源于材料浪费减少，以及制造流程可能更加简化。除材料利用率提高外，其生产过程本身也被认为比传统光伏制造更环保。
球形电池如何捕捉光线
Sphelar电池的根本优势在于其几何形状。球体无论从哪个方向接收光线，呈现出的表面积都相同。平板电池需要朝向太阳，光线以倾斜角度到达时效率会下降；Sphelar电池则不受入射角影响，能够保持集光效果。这意味着太阳全天在天空中移动时，它们仍能捕捉直射阳光，无需机械追踪系统。
更重要的是，球形设计能够高效捕捉间接光源。来自建筑物、水面或其他表面的反射光会从不同角度照射到Sphelar电池上，但仍能找到适合吸收的表面。阴天时的漫射光通常会使平板电池效率大幅下降，球形结构则能从各个方向接收光线，因此也能有效捕捉漫射光。这一特点意味着Sphelar电池在多变天气和云量较多的地区可能更加可靠。
这项技术通过在每个硅球内部形成P-N结来工作，原理类似传统太阳能电池，只是应用在曲面上。Kyosemi团队将生产光半导体芯片积累的制造经验用于在球形表面形成这些结；这项技术挑战最初需要大量创新才能克服。将这些微型球体连接起来后，它们便能产生电流，为设备供电或接入电力系统。
对用户而言，这意味着装有Sphelar电池的设备或结构无需仔细调整朝向太阳。Sphelar供电设备可以放在水平面或倾斜面上，甚至可以移动，仍能高效捕捉可用光线。这不但免去了将电池板转向太阳的安装系统，也打破了太阳能设备部署和使用地点方面的限制。
从构想到商业产品
从构想到商业产品，这项技术经历了数年的研发。研究团队成功制造出首批4个串联电池，在光照下能够发电后，便加大了研发力度。1998年，Kyosemi成立自己的微重力实验室，继续推进研发。到2004年，公司取得了足够进展，开始为“Sphelar”这一名称申请商标注册。该名称是“Spherical Solar”（球形太阳能）的缩写；公司也开始向潜在合作伙伴提供样品。
在研发初期，即便是开发人员也难以设想这项新技术的所有潜在用途。然而，当这一创新构想进入市场后，合作伙伴和客户又提出了其他创新想法。这种协作开发方式帮助团队找到了能够发挥球形太阳能电池独特性能的实际用途。
2012年，Sphelar Power Corporation从Kyosemi Corporation分拆成立，专门负责球形太阳能电池业务的研发和商业化。Sphelar Power Corporation代表董事兼总裁稻川郁夫介绍了公司的愿景：
Sphelar Power Corporation已将全球首款小直径球形太阳能电池Sphelar商业化，并提供相关应用产品。我们一直致力于推广Sphelar，将其打造成触手可及的太阳能电池，助力应对全球环境的重大变化并为可持续发展目标（SDGs）作出贡献；同时，我们也以‘Sphelar，始终在你身边！’为口号，推动相关应用产品普及。
如今，公司推出了多条产品线，展现球形太阳能技术的多样用途。这些应用表明，摆脱平板设计能为太阳能融入建筑环境和日常生活带来全新的方式。
建筑一体化与透明表面
Sphelar技术最具前景的应用领域之一是建筑一体化光伏（BIPV）。传统太阳能电池板通常作为独立系统安装在屋顶上，清晰可见，有时也被认为不够美观。Sphelar电池则可以直接嵌入建筑材料，在保持透明度或建筑设计等其他功能的同时发电。
Sphelar BIPV产品线包括内置Sphelar组件的玻璃砖。这些透明建筑构件可用于墙体、窗户和其他建筑结构，既能透光，也能发电。根据电池的布置密度和具体应用需求，Sphelar装置的透光率可达50%至80%。
这一特性弥补了传统太阳能电池板在城市环境中的一大局限。在人口密集的城市，屋顶空间往往有限，或受到周边建筑物遮挡。传统电池板可能挡住视野，也可能与历史建筑保护要求相冲突。Sphelar电池则可以集成到外墙、窗户和其他垂直表面，在一天中捕捉间接光线。它们还能融入曲面和复杂建筑造型，而刚性平板电池板无法做到或难以实现这一点。
公司还开发了Sphelar玻璃砖，即封装在透明玻璃中的紧凑型小型太阳能组件。它们既可作为建筑材料，也可用于发电，有望把普通窗户、天窗或装饰构件变成发电表面。在保持透明的同时发电，为打造能源正效益建筑带来了可能：建筑既能满足自身用电需求，又不必牺牲建筑美感。
为物联网设备采集能量
随着世界日益迈向万物互联，为庞大的传感器和小型设备网络供电成为一项重大挑战。分布式传感器网络更换电池并不现实，布线成本也可能高得令人难以承受。Sphelar电池可通过能量采集（也称能量捕获）提供解决方案，让设备收集周围环境中可用的少量能量。
Sphelar EIPV系列提供专为低功耗应用设计的紧凑型太阳能组件。这些组件能够利用可用光线为传感器设备、智能无线应用和其他小型电子设备供电。由于Sphelar电池可从各个方向捕捉光线，并能有效利用漫射光，因此特别适用于室内或城市环境，而传统太阳能电池在这些环境中可能难以发挥作用。
这类能量采集组件可用于环境传感器、智能楼宇系统、农业监测，以及任何需要在无需更换电池或连接电线的情况下为小型分布式设备供电的场景。它们无需精确对准太阳，因此非常适合可能以不同姿态放置或在使用期间移动的设备。
Sphelar电池直径仅为1至2毫米，因此能够集成到传统太阳能电池无法容纳的超小型设备中。这种小型化能力有望催生全新类别的自供电智能设备，从可穿戴技术到嵌入基础设施的环境监测器都包括在内。
可穿戴技术与太阳能织物
Sphelar技术最具未来感的应用，或许是在可穿戴电子设备和智能纺织品领域。公司开发了一种丝状太阳能发电纱线，在保持出色柔韧性的同时，能够利用阳光发电。这种光伏纱线可用于制造发电织物，让衣服、包袋和其他织物制品都能成为太阳能发电设备。
太阳能发电纱线的研发由一项产学官联合研究项目开展，参与方包括日本经济产业省、Sphelar Power Co., Ltd.和福井县工业技术中心。由此开发的Sphelar TEXTILE产品轻薄、柔软且富有弹性，适用于可穿戴电子纺织品的供电。
这项技术解决了可穿戴电子设备面临的一项根本难题：供电。电池会增加可穿戴设备的重量和体积，频繁充电也会降低使用便利性。集成太阳能的织物可以全天从环境光中采集能量，持续为嵌入式传感器、通信设备或健康监测器供电，无需用户操作，也不会明显增加重量。
潜在应用并不局限于衣物，还包括帐篷、遮阳篷、帆布、车罩以及其他任何暴露在光线下的织物表面。军事应用可以包括为通信设备或导航装置供电的制服。民用领域中，户外装备可为GPS设备、应急信标或手机发电。这种材料足够柔韧，能够融入服装而不影响舒适度或行动，与不适合穿戴应用的刚性太阳能电池板不同。
消费产品与照明
除了面向特定行业的应用，Sphelar Power Corporation还开发了面向消费者的产品，展示球形太阳能技术在日常场景中的实际优势。这些产品体现了Sphelar电池的独特特性如何实现传统平板太阳能电池难以做到甚至无法实现的设计。
Sphelar庭院灯采用时尚设计，顶部装有球形Sphelar太阳能电池，并配有LED灯。白天，阳光转化的电能被储存起来；夜间，储存的能量为LED供电，照亮庭院、公园和步道。产品设计兼顾美观，力求在提供照明的同时不破坏景观。安装简单，无需电费或布线，因此适用于偏远地区或缺乏电力基础设施的地方。
类似地，Sphelar照明产品配有可悬挂在树上的Sphelar组件。这些组件白天收集电能，夜间点亮LED，Sphelar组件本身也会发出柔和光芒。产品旨在提供安全、美观的照明，安装时不会损伤树木，也不会破坏树木的自然风貌。与庭院灯一样，这些照明产品无需接入电路，也不会产生持续能源成本。
这些消费产品展示了Sphelar技术全向集光带来的实际优势。庭院装饰灯和树灯无需考虑最佳受光角度，可以朝不同方向摆放。它们也可以放在光线部分受遮挡的区域，而平板电池可能无法在那里获得足够的直射光。球形电池体积小巧、不显突兀，能够融入装饰元素而不会像额外加装的技术设备，因此也提升了产品的美观度。
效率与性能考量
评估任何太阳能技术时，效率都是一项关键指标。TheFutureOfThings报道称，Kyosemi已开发出柔性太阳能电池板，其效率比目前多数商用光伏电池高出近20%。这一显著提升源于其能够从各个角度捕捉光线，并利用直射光和间接光。
不过，直接将Sphelar电池与传统平板电池板比较，需要仔细考量不同的性能指标。平板电池板通常依据理想实验室条件下的峰值效率评级，即光线垂直直射电池板时的效率。相比之下，Sphelar电池在不同光照条件和角度下能够保持较稳定的表现。虽然在完美条件下进行峰值效率测试时，它们未必超过平板电池板，但在现实条件下经历完整的一天后，总发电量可能更高。
无需追踪系统是另一项效率优势。大型太阳能电站通常使用电机和追踪系统，让平板电池板全天朝向太阳。这些系统会消耗电能，需要维护，也会增加安装复杂度。Sphelar电池凭借自身几何结构便能取得类似优势，从日出到日落都能捕捉最佳光线，无需机械辅助。这种被动运行方式提高了系统可靠性，也减少了维护需求。
低光照条件下的表现也是一项区别所在。阴天或清晨、傍晚光线较弱时，平板电池板的输出会大幅下降。Sphelar电池专为捕捉漫射光和散射光而设计，在这些不利条件下仍能维持相对较好的表现。因此，它们特别适用于多云地区，也适合需要在不同天气条件下保持稳定运行的应用。
环境影响与可持续性
选择能源技术时，环境因素正变得越来越重要。从可持续发展角度看，Sphelar电池具备多项潜在优势。制造过程中减少硅废料是一项显著的环境益处。硅的生产能耗高，也涉及会产生环境影响的化学工艺。更高效地利用这种珍贵材料，能够减少太阳能电池生产的总体环境足迹。
据Phys.org报道，Sphelar电池的生产成本预计仅为传统电池板的一半，这有望降低太阳能的经济门槛。成本下降会加快普及，进而取代更多化石燃料发电，减少温室气体排放。太阳能电池还可以集成到现有结构和产品中，无需额外材料或改造，从而进一步降低部署带来的环境影响。
Sphelar技术的耐用性和使用寿命也有助于改善其环境表现。与大型、易碎的平板电池板相比，球形电池可能较不易受到风、冰雹或碎屑等环境因素的损坏。其体积小巧，又可嵌入保护材料中，有望延长使用寿命，减少更换需求，以及制造和处置相关的环境成本。
Sphelar Power Corporation明确将其技术与更广泛的环境目标联系起来，包括为可持续发展目标（SDGs）作出贡献。公司的使命包括通过扩大太阳能利用，帮助防止化石燃料资源枯竭并应对全球变暖。Sphelar技术让太阳能得以应用于过去不切实际的场景和地点，有望大幅提高太阳能在全球能源结构中的整体占比。
太阳能的未来
在不久的将来，平板太阳能电池板可能仍将是大型公用事业级电站的主流技术，但Sphelar电池为太阳能技术提供了重要的多元化选择。球形电池并非要与传统电池板直接竞争，而是开辟了平板电池板无法覆盖的全新应用领域。拓展太阳能的采集地点和方式，既有望加快太阳能的普及，也能让它更广泛地融入日常环境。
借助Sphelar这类技术，“能源无处不在”的理念变得更加可行。我们不必再把太阳能仅仅视为由偏远电站生产、远距离输送的能源，而可以设想这样一个世界：每个暴露在光线下的表面都可能成为能源来源。窗户可以在透光的同时发电，衣物可以为可穿戴设备供电，建筑物不仅能利用屋顶，也能从墙面发电。这种分布式发电模式能够减少输电损耗，提高能源系统的韧性。
随着物联网不断扩展，智慧城市逐渐成为现实，对分布式电源的需求也将持续增长。Sphelar电池适用于能量采集，也能集成到多种材料和形态中，可能成为这一互联未来的关键赋能技术。利用环境光为传感器和设备供电，可以消除智慧城市应用的基础设施成本和部署障碍。
Sphelar技术的研发也说明，挑战根深蒂固的假设能够带来突破性创新。一个多世纪以来，平板太阳能电池的设计几乎从未受到质疑。日本工程师提出太阳能电池为什么必须是平的，由此开辟了全新的集光和发电方式。对传统观念提出质疑的精神，或将推动太阳能技术乃至更广泛的可再生能源领域继续创新。
随着Sphelar Power Corporation与全球合作伙伴继续开发原创产品和应用，球形太阳能电池的影响力也在不断扩大。从专业工业应用到消费产品，从建筑材料到可穿戴技术，这些微小的球体正在证明：有时，要向前迈进，最好的思路是从圆形出发，而不是拘泥于矩形。
要点
- 由日本Kyosemi Corporation研发的Sphelar球形太阳能电池直径仅为1至2毫米，能够从各个方向捕捉光线。
- 这项技术源于创始人中田修司提出的问题：太阳一直在移动，太阳能电池板为什么必须是平的？
- 制造过程利用日本微重力中心710米深的落井，在微重力环境下制成完美硅球。
- 生产过程几乎不产生硅废料，成本约为传统平板太阳能电池板制造的一半。
- 球形电池在不同光照角度下都能保持效率，既能捕捉直射光，也能捕捉间接光，在多云天气下表现更好。
- 应用包括透明建筑材料、物联网设备能量采集、太阳能发电纺织品和消费照明产品。
- Sphelar Power Corporation于2012年从Kyosemi分拆成立，专注开发球形太阳能电池应用。
- 这项技术可将太阳能集成到曲面、可穿戴物品和建筑构件中，应用于传统平板电池板无法胜任的场景。
