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「CPV」我是第一次听说。与普通的太阳能面板（Si）有什么区别？
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CPV是Concentrated Photovoltaic，即「聚光型太阳光发电」。普通Si面板直接接受太阳光，而CPV用Fresnel透镜或反射镜将太阳光聚光500~2000倍，照射一个小的高效电池。那个电池是III-V化合物半导体——InGaP/GaAs/Ge这三层结构，能无浪费地吸收整个太阳光谱。Si面板的效率是22~26%，而CPV模块可达35~46%，研究电池甚至能达到47.1%。那是Spectrolab的六接合电池的记录（NREL 2020）。
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效率差不多翻倍了！那为什么不普遍用CPV？我玩了一下滑块，默认500倍时「所需冷却=液冷」。
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好问题。CPV有三大难点。第一是「只能用直达日射」。CPV只能聚光直达日射（DNI），散射的太阳光无法利用。多云或湿度高的地区，DNI会急剧下降。所以撒哈拉、阿塔卡玛、澳洲中部、美国西南部这样的干旱晴天地区才有意义。第二是「必须二轴追尾」。Fresnel透镜太阳偏移几度就会错过电池，追尾装置要一直旋转。第三个就是你刚发现的「廃热」。聚光后，进入的能量50%要当热扔掉。500倍聚光的话，电池表面40 W/cm²，其中20 W/cm²是廃热。这比CPU的TDP（功率密度）高出一个数量级。
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廃热通量的图线形状很凶。聚光倍率增加时急剧上升……这是线性的吗？
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基本上是线性。q_heat = X · DNI · η_opt · (1-η) / 电池面积。如果电池面积固定，廃热密度与X成正比直线增加。100倍聚光用被动散热器还够，但500倍以上要强制空冷，1000倍以上就得用液冷（微通道冷却或喷射冷却）。Amonix和Soitec商用化的HCPV系统用铜基散热器逃逸热量，想办法用自然对流。但冷却系统的成本和维护吸引了注意力，加上Si面板价格暴跌，2015年以后商用CPV市场在萎缩。
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电池温度T从60℃改到100℃，效率不断下降。这也是线性的吗？
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III-V三接合电池的温度系数是β ≈ -0.13 %/°C，也是线性。Si的β ≈ -0.45 %/°C，III-V要好一个数量级。所以即使冷却不完美，III-V的效率也不会掉得那么厉害。但「效率掉得慢」和「不会坏」是两回事，超过120℃就会开始坏：焊接接头、防反射膜、ARC涂层劣化。实用中的目标是保持接合部温度在80℃以下。本工具的X=500倍、T=60℃时计算出50.4%效率，但代码上限到50%，是因为「物理上达到的最高记录是47.1%」，我设了个保守上限。
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商用面板市场里撤退在继续，但研究还很活跃。尤其是卫星和ISS用太阳电池，基本上都是III-V三接合。还有混合CPV/热电（废热用来供热或驱动吸收式冷气机）、超高聚光（>2000倍）结合光化学燃料合成的研究。住友电工、SHARP、Fraunhofer ISE、NREL、Spectrolab都还在保持最先进的技术。就像这个工具表现的，廃热密度、追尾精度、DNI依赖性的约束条件你理解了，用在合适的地点，就是全球最高效率的系统。
CPV用Fresnel透镜或反射镜将太阳光聚光500~2000倍，照射超高效的III-V化合物半导体电池（InGaP/GaAs/Ge三接合等）。Si平板面板的效率为22~26%，而CPV模块为35~46%，研究电池达到47.1%（NREL/Spectrolab的六接合电池，2020年）。但CPV只能利用直达日射（DNI），散射光无法使用，需要二轴太阳追踪装置，廃热密度是Si的数百倍，需要积极冷却（通常为液冷）。
因为开路电压Voc随照度对数增长。理论上V_oc(X) ≈ V_oc(1) + (kT/q)·ln(X)，X=500倍时室温下约增加160 mV，初始Voc=3 V的三接合电池可获得约5%的电压奖励。本工具采用voltageBoostFactor = 1 + 0.06·ln(X)进行近似。但高聚光会导致电池温度上升，温度系数β ≈ -0.13 %/°C的补正和充分的冷却是前提条件。
年直达日射超过2000 kWh/m²的高DNI地区最适合，具体包括撒哈拉沙漠、阿塔卡玛沙漠、美国西南部、澳大利亚中部、中东等。日本和中国华东等多云、湿度高的地区以散射光为主，仅能利用DNI的CPV相比能利用全天日射（GHI）的Si平板处于劣势。加上二轴追尾维护成本，以及Si价格急剧下降，2015年以后商用CPV市场在萎缩，Soitec、Amonix等已退出。Sumitomo Electric和ISFOC等继续进行研究。
在聚光倍率500倍、DNI 950 W/m²、光学效率85%、电池效率50%的条件下，电池表面入射通量约400 kW/m²（=40 W/cm²），其中约20 W/cm²为廃热。普通Si面板的廃热约0.07 W/cm²，所以CPV的廃热是其数百倍。本工具的判定标准：5 W/cm²以下用被动冷却（散热器），15 W/cm²以下用强制空冷，更高则需要液冷（微通道冷却、喷射冷却等）。这比CPU的TDP（最多1 W/cm²）严苛得多。
沙漠地带的巨型太阳能电站：西班牙（ISFOC）、美国亚利桑那州·加州、澳大利亚中部、沙特阿拉伯等高DNI地区运营过Amonix的HCPV电站（最大30 MW）和Soitec的Concentrix系统。在年DNI超过2200 kWh/m²的地区，Si面板的年发电量被超越的事例存在。但2015年以后，随着Si面板价格暴跌，多数已撤退或改用Si。
空间太阳电池：人工卫星、ISS、深空探测器的电源几乎完全采用III-V三接合电池。在重量严格限制的太空应用中，效率是最优先的，35~34%级InGaP/GaAs/Ge电池是标准。最近还在研究用小倍数聚光（10~20倍）的空间CPV，Sharp、Spectrolab、AZUR SPACE占据市场。
混合CPV/热电（CPV-T）：电池背面的冷却水在60~80°C取出，用于供热、吸收式冷气机、低温工艺热的热电联产方式。电力+热的总效率能提高到70~80%，酒店、医院、食品工厂等都在进行实证。Solar Junction、Insolight等初创公司在商用化。
太阳光化学燃料合成（Sun-to-Fuels）：用2000倍以上超高聚光将温度升至1500°C以上，水蒸气直接热化学制氢或CO₂还原合成燃料，将III-V电池的电力和廃热组合。瑞士ETH和DLR主导，CPV是其关键部件之一。
最大的误解是，「CPV效率比Si面板高，所以总是经济的」这个想法。CPV的高效率是建立在特定条件下（仅限DNI），在多云、湿度高的地区，年发电量会比Si大幅劣后。日本年平均DNI约1300 kWh/m²，比Si用的全天日射(GHI)1500 kWh/m²还低。经济性是「效率×可用日射量×设置·追尾成本」的综合决定，适地选择是CPV的生死问题。用本工具把DNI从950改到400（多云天气相当），可以看到瞬时输出下降到一半以下。
其次，「聚光倍率越高，效率越高」这个简化想法不对。Voc确实对数增长，但高聚光导致电池温度升高，温度系数β ≈ -0.13 %/°C引起的效率下降会抵消。再加上串联电阻损失随电流平方增加，设计上的最优聚光倍率在500~1000倍附近就头顶了。本工具即使聚光倍率提到2000倍，效率也被限制在50%，是基于实际电池研究的最高记录47.1%（6接合、143倍聚光）的保守限制。
最后，「廃热用被动冷却就能处理」这个估计太甜蜜。本工具默认条件（X=500、DNI=950、电池1 cm²）下产生20 W/cm²廃热，这非要有数百W/cm²热传导系数的液冷系统才能处理。用被动散热器的话电池温度会超过200°C，焊接接头、防反射膜、ARC涂层会快速劣化。设计时要计算电池背面热阻R_th [K·cm²/W]和冷却系统的组合，检查能否维持目标接合部温度（典型80°C以下）。Fraunhofer ISE的报告里微通道铜冷却能达成R_th ≈ 0.5 K·cm²/W。