fremtiden for solenergi: high Concentrated Photovoltaic (CPV) celler

skrevet af Olivier Loidi

i August 2018 lancerede ennomotive en cirkulær økonomi udfordring for at finde måder at genbruge affaldsmaterialer, der findes i mine tailings.

i 6 uger accepterede 74 ingeniører fra 30 lande udfordringen og indsendte forskellige løsninger. Efter en grundig evaluering, de løsninger, der bedst opfyldte evalueringskriterierne, blev indsendt af Cliff Edvard, fra Canada, og Oliver Loidi, fra Frankrig.

ennomotive bad Olivier om at skrive en artikel om et emne, han kan lide, og her er hans syn på fremtiden for solenergi og den høje koncentrerede fotovoltaiske.

solenergi er nøglen til at bremse den globale opvarmning, det tror jeg virkelig på. Faktisk arbejdede jeg for ti år siden aktivt på dette område og især inden for fotovoltaisk felt med høj koncentration (CPV). Dengang blev det set som en ægte konkurrent til standard PV-paneler, men år med aggressiv prisdumping har alvorligt undermineret dens udvikling.

den kortsigtede tilgang til ‘lave kapitalomkostninger/lav levetid’ for standard PV ser ud til at være meget mere fristende end den klogere ‘moderate startomkostning/lang levetid’-sti, selv med mere end dobbelt effektivitet.

nu hvor standard solpaneler begynder at konkurrere positivt med kul-og gas-og CPV-virksomheder, der stadig kæmper for at overleve, kan det være let at konkludere, at kampen allerede er forbi. Forskningen går dog stadig stærkt for at reducere kapitalomkostningsgabet, og hvis tærsklen nås, kan det bane vejen for et massivt comeback for CPV.

i denne artikel vil jeg forsøge at forklare fordele og ulemper ved CPV-teknologierne sammen med mine personlige synspunkter om, hvad der skal forbedres for at gøre det vellykket.

Hvad er fotovoltaisk med høj koncentration?

princippet om CPV er at fokusere sollys på en ekstremt højeffektiv solcelle, der ellers ville være for dyr at bruge direkte.

disse ekstraordinære robuste solceller, der normalt er lavet til rum-eller militære applikationer, kan håndtere et koncentrationsforhold på tusind eller mere og stadig være næsten tre gange mere effektive end en traditionel PV-celle lavet af silicium (Si-Pv).

denne tilgang har sine egne ulemper: den skal være direkte orienteret mod solen og udstyret med koncentrerende optik.

typer af optik

• Transmissive:

forstørrelseslinser kan bruges, men det mere elegante Fresnel-linsedesign er det mest anvendte.

• reflekterende:

det indebærer at koncentrere sollys med spejle, der normalt har en parabolsk form. Systemer, der bruger en refleksion, findes, men det mest populære design er afledt af Cassegrain-teleskopet, som tillader mindre kompleks solcelleplacering.

fordele ved CPV i forhold til normale solcellepaneler

• effektivitet

de bedste kommercielle siliciumsolceller topper ved 21% effektivitet, mens flere krydsceller, der anvendes til CPV, kan nå 46% og forbedres stadig, dette hul i ydeevne kan observeres på modulniveau selv med høje optiske tab for CPV.

• meget stabil ydeevne under høj temperatur

silicium solceller ydeevne er meget temperaturfølsom med en temperaturkoefficient på omkring -0.5% pr.liter C, hvilket betyder, at for hver grad over 25 liter (eller 20 liter C afhængigt af producenten) mister den 0,5% af ydeevnen.

dette ser ikke ud til at være meget, men om sommeren er det ikke sjældent, at det når 80 liter C (ligesom i en soleksponeret bil), hvilket ville forringe ydeevnen for et topkvalitetspanel fra 19% til kun 14%!

i modsætning hertil er CPV-solceller lavet af materialer med en meget lav temperaturkoefficient på ca. -0,05%/liter C med den bedste nå -0,01%/liter C, som er næsten 10-50 gange bedre end silicium solceller! Dette gør det muligt for CPV-celle at fungere ved meget høj temperatur (100 liter c eller mere) uden problemer.

• meget god holdbarhed

i alle industrielle systemer er de aktive komponenter mest tilbøjelige til at mislykkes eller nedbrydes, og PV gør ingen undtagelse. I traditionel Si-Pv repræsenterer de aktive komponenter (solcelle) næsten 100% af den eksponerede overflade ud over elektroniske komponenter (bypass-dioder), så en chance for fiasko eller nedbrydning er et reelt problem.

for at gøre tingene værre forhindrer den enorme priskonkurrence brugen af komponenter af meget høj kvalitet, der oversættes til dårlig langsigtet ydeevne, især i meget varme klimaer, som også har stort solpotentiale. For eksempel udsættes gennemsigtig plast (EVA), der anvendes til indkapsling og limning af frontglasset, for gulning på grund af termisk cykling, typisk nedbrydningshastighed er 0,5% om året i et tempereret miljø op til 3%/år på varme steder.

CPV-solceller stammer fra rum-og militære applikationer og er praktisk talt immun mod termiske eller strålingsskader, og koncentrationen tillader også brugen af premium-elektronikkomponenter, da deres antal også reduceres. Da teknologien er relativt ung, eksisterer CPV på lang sigt ikke i sig selv, men afkast af lignende teknologier baseret på militære eller rumapplikationer ser ud til at indikere en meget stabil ydelse, selv efter 20 års drift. Alle andre eksponerede overflader kan være lavet af uorganiske materialer (glas, Aluminium), der ikke nedbrydes over tid.

• potentiel dobbelt brug af jorden

Store trackere kan være høje nok til at tillade beboelse eller afgrøder under den.

• let genanvendelig

CPV-moduler demontering er lettere, fordi de konstitutive elementer let kan adskilles og hovedsageligt består af uorganisk materiale, der kan genbruges fuldt ud. Tværtimod er SI-PV-celler og ramme fuldstændigt bundet til kompleks fluoreret plast, hvilket kræver avanceret knusning og termisk behandling til delvis genanvendelse.

Hvorfor har CPV mislykkedes hidtil?

• højere startkapitalomkostninger

CPV kan være mere rentabel i det lange løb, men denne fordel er ikke stor nok til at udligne den meget højere kapitalomkostningsinvestering til installationen, som kan gå fra 2,5 til 4 gange højere end for traditionel SI-PV-teknologi.

Bemærk CSP er elproduktion via solvarmekoncentration

• højere vedligeholdelsesbehov

høj præcisionssporing af solen (op til 0.1 lit vinkelpræcision) har brug for konstant opmærksomhed fra dedikeret personale. Vaskningen af panelerne kan også være sværere på grund af trackernes højde.

• skyer forringer ydeevnen

CPV kan kun arbejde med direkte sollys, derfor kan det ikke fungere hele tiden. CPV er normalt rettet mod at blive installeret på en solrig beliggenhed med over 80% af klare dage om året. Som reference kan CPV kun fungere, hvis der er skarpe skygger, hvilket er tegn på, at sollys hovedsageligt kommer fra en retning.

• lav jordbesættelsestæthed

for at undgå skyggeeffekter om morgenen eller aftenen skal trackere placeres nogle meter fra hinanden. Den resulterende jordbesættelse når kun omkring 50%, der kun delvist kompenseres af den 25% solenergi, der tilbydes ved sporing. Som følge heraf er CPV levedygtig på billig jord, eller hvis kun en tracker skal installeres.

• teknologi er stadig ung

selvom det modnes ret hurtigt, LED CPV af mangel på dedikeret forsyningskæde, som tvang enhver virksomhed til at udvikle og producere sig selv de fleste af komponenterne (trackers moduler osv..).

celler var for store i begyndelsen, hvilket oversatte til høje spredningsbehov (større celler genererer højere temperaturer) og større tungere moduler, der oversatte til yderligere driftsomkostninger.

samtidig oplevede solcelleindustrien et massivt prisfald på mere end 80% Fra subsidierede industrier, der kunne sælge produkter med ringe eller ingen rentabilitet med det formål at vinde aktiemarkedet.

hvorfor CPV har potentialet til at lykkes i fremtiden

• CPV-celler bliver bedre, mindre og billigere

flere krydsceller, der anvendes i CPV, drager fordel af den nylige stigning i LED-industrien, da fabrikationsudstyret er næsten det samme. Da mange LED-reaktorer kan eftermonteres til CPV, begyndte prisen at falde meget hurtigere end før.

med den automatiske placering, der oprindeligt blev udviklet til LED, er fremstilling af ekstremt småcelledesign mulig ved høj hastighed med meget lave fabrikationsfejl. Standardstørrelser kan være 25 gange mindre end for 10 år siden (4mm2 vs 100), der kører modulprisen ned, da små fodaftryksceller lettere spreder varmen.

• SI-PV modul prisfald er gået i stå

nu, at støvet har lagt sig efter PV handelskrig, si-Pv moduler priserne har nået et plateau, mens CPV har stadig massiv prisfald potentiale.

• resterende tilgængelige placeringer er mere krævende

PV Installation i et tempereret klima er et mere og mere konkurrencedygtigt miljø, så ny solkraftvækst skal komme fra hårdere steder.

steder med det højeste potentiale for solenergi, såsom ørkener, er tilfældigvis også de hårdeste. Standard PV paneler komponenter har svært ved at klare den nærmeste / dag termiske cykling, hvilket resulterer i langt lavere effektivitet sammenlignet med dem, der er installeret i tempererede klimaer.

hvad jeg synes skal forbedres for at CPV skal få succes

som jeg sagde i starten, har CPV en særlig plads i mit hjerte, og jeg stoppede aldrig med at tænke på nye designs eller mulige forbedringer.

her er mine tanker om, hvilke punkter der har brug for opmærksomhed for fremtidig CPV-succes:

• reduktion modul vægt er kritisk

glem alt om at skubbe yderligere ydeevne, modul vægt er langt en vigtigste parameter, når det kommer til reduktion driftsomkostninger simpelthen fordi det giver større tracker for den samme præcision og omkostninger. Globale enheder til den samme vedligeholdelse eller tillader endda automatiseret vedligeholdelse (Rengøring) at være omkostningseffektiv, hvilket reducerer yderligere nødvendigt personale.

dette er ikke en vanskelig opgave, da vægten ikke har været en parameter, der er meget optimeret siden de tidligere generationer. Jeg har personligt udviklet design, der vejer under 10 kg/m2 sammenlignet med de gennemsnitlige 40-45 kg/m2 almindelige CPV-moduler.

• brug af Fresnel-objektiver optik er en blindgyde

ideen bag dem er utrolig elegant, men den lider af fatale fejl, når den bruges til præcision solkoncentration. For det første skal designet være perfekt for at være virkelig effektivt: ethvert kompromis i skarpheden af kanterne, såsom afrunding, der opstår med plaststøbning, forårsager stor nedbrydningsydelse.

derefter er Fresnel-objektiver meget følsomme over for pegefejl, solstrålerne har en iboende +/-0.5 liter vinkeldivergens, som kun efterlader et lille +/-0.1 liter plads til sporingsfejl. Sporing med en sådan præcision er en af de største kilder til vedligeholdelsesomkostninger for teknologier, der bruger denne type optik.

• reflekterende optik skal udvikle sig fra det klassiske “teleskopdesign”

reflekterende optik, på trods af deres oprindelige klumpede udseende, lider ikke af begrænsningerne i Fresnel – linser, de kan normalt klare store sporingsfejl på mere end + / – 1-liter, hvilket giver meget lavere vedligeholdelsesomkostninger. Den eneste ulempe er, at de nuværende designs baseret på” Cassegrain telescope “ikke let masseproduceres med standardteknologier, der oversættes til meget høje fabrikationsomkostninger

forbedring af fabrikationsomkostningerne kan gøres ved hjælp af mere” deformerede ” designs, der slipper af billeddannelsen for kun at bevare koncentrationsevnen, mulighederne er meget store, og jeg har skabt mig et design, der kan reducere produktionsomkostningerne med 10 eller mere.

• brug af automatiseret rengøring med meget lavt vandforbrug

som forklaret tidligere skinner CPV virkelig på særligt barske steder, hvor vandtilgængelighed normalt er meget knap. Det er vigtigt at tilføje et meget økonomisk rengøringssystem ved hjælp af eksisterende vinduesrensningsteknologier i stedet for at udvikle nye kan være nøglen.

konklusion

CPV tilsyneladende død kan kun være et tilbageslag, da denne teknologi stadig har potentialet til at overgå standard PV-systemer. Nu hvor støvet har lagt sig efter tider med hektisk prisdumping, kan CPV spille en stor rolle som et holdbart værktøj til bekæmpelse af global opvarmning.

fortæl os, hvad du synes fremtiden for solenergi er, og udforsk, hvad ennomotive har at tilbyde.