Budoucnost Solární Energie: Vysoce Koncentrované Fotovoltaiky (CPV) Buňky

Napsal Olivier Loidi

V srpnu 2018, ennomotive zahájila oběhového hospodářství problém najít způsoby, jak opakované využití odpadních materiálů našli v důl hlušiny.

po dobu 6 týdnů přijalo výzvu 74 inženýrů z 30 zemí a předložilo různá řešení. Po důkladném vyhodnocení byla řešení, která nejlépe splňovala hodnotící kritéria, předložena Cliffem Edwardsem z Kanady a Oliverem Loidi z Francie.

ennomotive požádal Oliviera, aby napsal článek o tématu, které se mu líbí, a zde jsou jeho názory na budoucnost sluneční energie a vysoce koncentrované fotovoltaiky.

sluneční energie je klíčem k potlačení globálního oteplování, tomu opravdu věřím. Ve skutečnosti jsem před deseti lety aktivně pracoval v této oblasti a zejména ve fotovoltaické oblasti s vysokou koncentrací (CPV). Tehdy byla považována za skutečného konkurenta standardních fotovoltaických panelů, ale roky agresivního cenového dumpingu vážně narušily její vývoj.

krátkodobý přístup ‘nízké investiční náklady/nízká životnost’ standardní PV se zdá být mnohem více než lákavé moudřejší ‘mírné počáteční náklady a dlouhá životnost cestu, a to i s více než dvojnásobnou efektivitu.

nyní, když standardní solární panely začínají příznivě konkurovat uhlím a plynem a společnosti CPV, které stále bojují o přežití, by mohlo být snadné dospět k závěru, že zápas již skončil. Výzkum je však stále silný, aby snížil mezeru v kapitálových nákladech, a pokud bude dosaženo prahové hodnoty, mohl by připravit cestu k masivnímu návratu CPV.

v tomto článku se pokusím vysvětlit výhody a nevýhody technologií CPV spolu s mými osobními názory na to, co by mělo být vylepšeno, aby bylo úspěšné.

co je fotovoltaika s vysokou koncentrací?

princip CPV je soustředit sluneční světlo na extrémně vysoké účinnosti solárních článků, které by jinak byly příliš drahé použít přímo.

Tyto výjimečné robustní solární buňky, obvykle vyrobený pro kosmické či vojenské aplikace, zvládne koncentrační poměr tisíc nebo víc a být stále téměř třikrát účinnější než tradiční PV mobilní vyrobeny z křemíku (Si-Pv).

tento přístup má své vlastní nevýhody: musí být přímo orientován na slunce a vybaven koncentrační optikou.

typy optiky

• transmisivní:

lze použít zvětšovací čočky, ale nejčastěji se používá elegantnější design Fresnelových čoček.

• reflexní:

zahrnuje soustředění slunečního světla se zrcadly, které mají obvykle parabolický tvar. Systémy používající jeden odraz existují, ale nejoblíbenější design je odvozen od dalekohledu Cassegrain, který umožňuje méně složité umístění solárních článků.

Výhody CPV přes běžné solární panely

• Efektivita

nejlepší komerční křemíkových solárních článků maximálně na 21% účinnost vzhledem k tomu, že více uzlů buněk použitých pro CPV může dosáhnout 46% a jsou stále zlepšuje, tento rozdíl ve výkonu lze pozorovat na úrovni modulu i při vysoké optické ztráty pro CPV.

• Velmi stabilní výkon za vysoké teploty

Křemíkových solárních článků výkon je velmi citlivé na teplotu s teplotou koeficient o -0.5% na °C, což znamená, že pro každý stupeň nad 25° (nebo 20°c v závislosti na výrobci) ztrácí 0,5% výkonu.

To se nezdá být mnoho, ale v létě, to není vzácné pro to, aby dosáhnout až 80°C (stejně jako v slunci-exponovaných auto), které budou degradovat výkon vysoce kvalitní panel z 19% na pouhých 14%!

V kontrastu, CPV solární články jsou vyrobeny z materiálů s velmi nízkou teplotní koeficient o -0.05%/°C s nejlepší dosažení -0.01%/°C, což je téměř o 10 až 50 krát lepší než Křemíkové solární články! To umožňuje CPV buňce pracovat při velmi vysoké teplotě (100°c nebo více) bez problémů.

• Velmi dobrá trvanlivost

Ve všech průmyslových systémů, aktivních složek jsou nejvíce pravděpodobné, že k selhání nebo degradaci a PV je žádná výjimka. V tradičním Si-Pv představují aktivní složky (solární článek) téměř 100% exponovaného povrchu kromě elektronických součástek (obtokové diody), takže pravděpodobnost selhání nebo degradace je skutečným problémem.

Aby věc horší, obrovské cenové konkurenci zabraňuje použití velmi kvalitních komponent, které se promítají do špatné dlouhodobé výkonnosti, a to zejména ve velmi horkém podnebí, které mají rovněž významný potenciál solární. Například, transparentní plasty (EVA) používá se pro zapouzdření a lepení předního skla jsou vystaveny žloutnutí v důsledku tepelné cyklistika, Typická degradace sazby jsou 0,5% za rok v mírném prostředí až o 3%/rok v horkých místech.

solární články CPV jsou odvozeny z vesmírných a vojenských aplikací a jsou prakticky imunní vůči tepelnému nebo radiačnímu poškození, protože jejich počet je také snížen. Jako technologie je poměrně mladá, dlouhodobý výkon CPV neexistuje per se, ale vrátí se z podobné technologie založená na vojenské nebo kosmické použití naznačují velmi stabilní výkon i po 20 letech provozu. Všechny ostatní exponované povrchy mohou být vyrobeny z anorganických materiálů (sklo, hliník), které se časem nerozkládají.

• Potenciální dvojí využití půdy

Velké trackery, může být dostatečně vysoká, aby umožnila osídlení nebo plodiny pod ním.

• Snadno recyklovatelné

CPV moduly demontáž je jednodušší, protože nosné prvky jsou snadno oddělitelné a skládá se převážně anorganický materiál, který může být plně recyklován. Naopak SI-PV články a rám jsou zcela vázány na složité fluorované plasty, což vyžaduje pokročilé drcení a tepelné zpracování pro částečnou recyklaci.

proč CPV dosud selhal?

• Vyšší počáteční investiční náklady

CPV může být výhodnější v dlouhodobém horizontu, ale tato výhoda není dostatečně velká, aby vyvážila mnohem vyšší kapitálové náklady investice pro instalaci, které mohou jít od 2,5 až 4 krát vyšší než u tradičních SI-FV technologie.

Poznámka: CSP je výroba elektrické energie prostřednictvím solárních tepelných koncentrace

• Vyšší nároky na údržbu

Vysoká přesnost sledování slunce (až na 0.1° úhlová přesnost) vyžaduje neustálou pozornost specializovaného personálu. Také mytí panelů může být těžší kvůli výšce sledovačů.

• Mraky snížit výkon

CPV může pracovat pouze s přímým slunečním zářením, proto to nemůže fungovat pořád. CPV je obvykle zaměřen na instalaci na slunném místě s více než 80% jasných dnů za rok. Jako reference může CPV fungovat pouze tehdy, jsou-li přítomny ostré stíny, což je známkou toho, že sluneční světlo pochází hlavně z jednoho směru.

• Nízká země okupace hustota

, Aby se zabránilo stínování účinky, ráno nebo večer, stopaři musí být umístěna pár metrů od sebe. Výsledná okupace půdy dosahuje pouze asi 50%, což je jen částečně kompenzováno 25% sluneční energií nabízenou sledováním. V důsledku toho je CPV životaschopný na nízkonákladových pozemcích nebo pokud má být nainstalován pouze jeden sledovač.

• Technologie je stále mladá.

i když to vyvíjí docela rychle, CPV trpěl nedostatkem specializované dodavatelského řetězce, který přinutil všechny společnosti vyvíjet a vyrábět sami většinu komponent (trackery moduly, atd..).

Buňky byly příliš velké na začátku, což v překladu do vysokého rozptylu potřeby (větší buňky generovat vyšší teploty) a větší, těžší modulů, které přeloženy do dalších provozních nákladů.

Ve stejné době, PV průmysl zažil masivní pokles cen o více než 80% z dotované odvětví, která by mohla prodávat výrobky s malý k žádné ziskovosti s cílem získat podíl na trhu.

Proč CPV má potenciál uspět v budoucnu

• CPV Buňky jsou stále lepší, menší a levnější

Více křižovatce buňky používané v CPV prospěch nedávný vzestup LED průmyslu jako je výroba vybavení je téměř stejné. Protože mnoho LED reaktorů může být dovybaveno pro CPV, cena začala klesat mnohem rychleji než dříve.

automatická umístění, původně vyvinutý pro LED, výrobu extrémně malých buněk návrhy je možné při vysoké rychlosti s velmi nízkou výrobní chyby. Standardní velikosti může být 25 krát menší než 10 lety (4mm2 vs 100) řídicí modul cena dolů jako malé rozměry buněk odvádět teplo snadněji.

• SI-FOTOVOLTAICKÉHO modulu pokles cen brzdí

Teď, že se usadil prach po PV obchodní války, Si-Pv modulů ceny plató, zatímco CPV má stále masivní pokles cen potenciálu.

• Zbývajících dostupných místech jsou náročnější

FV Instalace v mírném klimatu je stále více a více konkurenčním prostředí, tak nové solární energie růst musí přijít z tvrdší místa.

místa s nejvyšším potenciálem sluneční energie, jako jsou pouště, jsou také nejtvrdší. Standardní FOTOVOLTAICKÉ panely, komponenty jsou těžké vyrovnat se s noc/den tepelné cyklování, což má za následek mnohem nižší účinnost ve srovnání s těmi, instalované v mírném podnebí.

Co si myslím, že by měly být lepší pro CPV, aby byla úspěšná

Jak jsem řekl na začátku, CPV má zvláštní místo v mém srdci a já jsem nikdy nepřestal přemýšlet o nové vzory, nebo možné vylepšení.

Zde jsou mé myšlenky o tom, které body potřebují pozornost pro budoucí CPV úspěch:

• Snížení modulu hmotnosti je kritická

Zapomenout tlačí další výkon, hmotnost desky je zdaleka nejdůležitější parametr, pokud jde o operační snižování nákladů, jednoduše proto, že umožňuje větší tracker pro stejnou přesností a náklady. Více modulů znamená více příjmů na globální jednotku pro stejný údržbu, nebo dokonce umožňuje automatické údržby (čištění), aby se nákladově efektivní, což snižuje další potřebný personál.

to není obtížný úkol, protože hmotnost nebyla od dřívějších generací parametrem příliš optimalizovaným. Osobně jsem vyvinul návrhy, které váží pod 10 kg / m2 ve srovnání s průměrnými 40-45 kg/m2 běžných CPV modulů.

• Použití Fresnelovy čočky, zrakového je slepá ulička

myšlenka za nimi je neuvěřitelně elegantní, ale trpí fatální chyby, když je použita pro přesné solární koncentrace. Za prvé, design musí být dokonalý, aby byl skutečně efektivní: jakýkoli kompromis v ostrosti hran, jako je zaoblení, ke kterému dochází při tvarování plastů, způsobuje velký degradační výkon.

pak jsou Fresnelovy čočky velmi citlivé na chyby směřování, sluneční paprsky mají inherentní +/-0.5° úhlovou divergenci, která ponechává pouze nepatrný +/-0.1° prostor pro chyby sledování. Sledování s takovou přesností je jedním z hlavních zdrojů nákladů na údržbu technologií využívajících tento druh optiky.

• Reflexní optika by se měla vyvíjet od klasického “dalekohled konstrukce”

Reflexní optika, i přes jejich počáteční neohrabaný vzhled, netrpí omezení Fresnelovy čočky, obvykle se dokáže vyrovnat s velkými sledování chyb o více než +/- 1° umožňuje výrazně nižší náklady na údržbu. Jedinou nevýhodou je, že současné návrhy na základě “Cassegrain dalekohled”, nejsou snadno sériově vyráběné standardní technologií, které se promítají ve velmi vysoké výrobní náklady

Zlepšení výrobní náklady může být provedeno s použitím více “deformována” vzorů, které se zbavit obrazu, aby pouze koncentrace schopnosti, možnosti jsou velmi velké a vytvořil jsem si nějaký design, který může snížit výrobní náklady o 10 nebo více.

• Použití automatického čištění s velmi nízkou spotřebou vody

Jak bylo vysvětleno dříve, CPV opravdu svítí v mimořádně nepříznivých místech, kde dostupnost vody je obvykle velmi vzácné. Přidání velmi úsporného čisticího systému je zásadní, klíčem by mohlo být použití stávajících technologií čištění oken budovy, spíše než vývoj nových.

Závěr

CPV zdánlivý zánik může být jen neúspěch, jak tato technologie stále má potenciál překonat standardní FOTOVOLTAICKÉ systémy. Nyní, když se prach usadil po dobách zběsilého cenového dumpingu, může CPV hrát velkou roli jako trvalý nástroj boje proti globálnímu oteplování.

řekněte nám, co si myslíte, že budoucnost sluneční energie je, a prozkoumejte, co ennomotive nabízí.