El Futuro de la Energía Solar: Células Fotovoltaicas de Alta Concentración (CPV)

Escrito por Olivier Loidi

En agosto de 2018, ennomotive lanzó un desafío de economía circular para encontrar formas de reutilizar los materiales de desecho que se encuentran en los relaves mineros.

Durante 6 semanas, 74 ingenieros de 30 países aceptaron el desafío y presentaron diferentes soluciones. Después de una evaluación exhaustiva, las soluciones que mejor cumplían los criterios de evaluación fueron presentadas por Cliff Edwards, de Canadá, y Oliver Loidi, de Francia.

ennomotive le pidió a Olivier que escribiera un artículo sobre un tema que le gusta y aquí están sus opiniones sobre el futuro de la energía solar y la fotovoltaica de alta concentración.

La energía solar es clave para frenar el calentamiento global, realmente lo creo. De hecho, hace diez años trabajaba activamente en este campo y, en particular, en el campo fotovoltaico de alta concentración (CPV). En aquel entonces se consideraba un verdadero competidor de los paneles fotovoltaicos estándar, pero años de dumping agresivo de precios han socavado gravemente su desarrollo.

El enfoque a corto plazo de “bajo costo de capital/baja vida útil” de la fotovoltaica estándar parece ser mucho más tentador que el camino más sabio de “costo inicial moderado/larga vida útil”, incluso con más del doble de eficiencia.

Ahora que los paneles solares estándar comienzan a competir favorablemente con las compañías de carbón y gas y de CPV que aún luchan por sobrevivir, podría ser fácil concluir que el partido ya ha terminado. Sin embargo, la investigación sigue siendo sólida para reducir la brecha de costos de capital y, si se alcanza el umbral, podría allanar el camino para un regreso masivo de los CPV.

En este artículo, trataré de explicar los pros y los contras de las tecnologías CPV junto con mis puntos de vista personales de lo que se debe mejorar para que tenga éxito.

¿Qué es la Energía Fotovoltaica de Alta Concentración?

El principio del CPV es enfocar la luz solar en una célula solar de alta eficiencia que de otro modo sería demasiado costosa de usar directamente.

Estas células solares robustas excepcionales, generalmente hechas para aplicaciones espaciales o militares, pueden manejar una relación de concentración de mil o más y aún ser casi tres veces más eficientes que una célula fotovoltaica tradicional de silicio (Si-Pv).

Este enfoque tiene sus propios inconvenientes: necesita estar orientado directamente hacia el sol y equipado con óptica de concentración.

Tipos de óptica

• Transmisiva:

Se pueden usar lentes de aumento, pero el diseño de lente Fresnel más elegante es el que se usa con más frecuencia.

• Reflectante:

Consiste en concentrar la luz solar con espejos que suelen tener forma parabólica. Existen sistemas que utilizan una reflexión, pero el diseño más popular se deriva del telescopio Cassegrain, que permite la colocación de células solares menos complejas.

Ventajas de CPV sobre los paneles solares normales

• Eficiencia

Las mejores celdas solares de silicio comerciales con una eficiencia del 21% mientras que las celdas de uniones múltiples utilizadas para CPV pueden alcanzar el 46% y aún están mejorando, esta brecha en el rendimiento se puede observar a nivel de módulo incluso con altas pérdidas ópticas para CPV.

• Rendimiento muy estable a altas temperaturas

El rendimiento de las células solares de silicio es muy sensible a la temperatura con un coeficiente de temperatura de aproximadamente -0.5% por °C, lo que significa que por cada grado por encima de 25° (o 20°c, dependiendo del fabricante) pierde un 0,5% de rendimiento.

Esto no parece ser mucho, pero, en verano, no es raro que alcance los 80 ° C (al igual que en un automóvil expuesto al sol), lo que degradaría el rendimiento de un panel de alta calidad del 19% al 14%.

En contraste, las células solares de CPV están hechas de materiales con un coeficiente de temperatura muy baja de aproximadamente -0.05%/°C con el mejor alcance de -0.01%/°C, ¡que es casi 10-50 veces mejor que las células solares de silicio! Esto permite que la célula CPV funcione a muy alta temperatura (100°c o más) sin problemas.

• Muy buena durabilidad

En todos los sistemas industriales, los componentes activos son los que tienen más probabilidades de fallar o degradarse y la energía fotovoltaica no es una excepción. En el Si-Pv tradicional, los componentes activos (células solares) representan casi el 100% de la superficie expuesta, además de los componentes electrónicos (diodos de derivación), por lo que la posibilidad de falla o degradación es un problema real.

Para empeorar las cosas, la enorme competencia de precios impide el uso de componentes de muy alta calidad que se traducen en un rendimiento pobre a largo plazo, especialmente en climas muy cálidos que también tienen un gran potencial solar. Por ejemplo, los plásticos transparentes (EVA) utilizados para encapsular y pegar el vidrio frontal se someten a amarilleo debido al ciclo térmico, la tasa de degradación típica es de 0,5% por año en un ambiente templado hasta 3%/año en lugares calientes.

Las células solares de CPV se derivan de aplicaciones espaciales y militares y son prácticamente inmunes al daño térmico o a la radiación, también la concentración permite el uso de componentes electrónicos de primera calidad, ya que su número también se reduce. Como la tecnología es relativamente joven, el rendimiento a largo plazo de los VPC no existe per se, pero los rendimientos de tecnologías similares basadas en aplicaciones militares o espaciales parecen indicar un rendimiento muy estable incluso después de 20 años de funcionamiento. Todas las demás superficies expuestas pueden estar hechas de materiales inorgánicos (vidrio, aluminio) que no se degradan con el tiempo.

• Potencial doble uso de la tierra

Los rastreadores grandes pueden ser lo suficientemente altos como para permitir la habitación o los cultivos debajo de ella.

• El desmontaje de módulos CPV fácilmente reciclables

es más fácil porque los elementos constitutivos son fácilmente separables y están compuestos principalmente por material inorgánico que puede reciclarse completamente. Por el contrario, las células y el bastidor SI-PV están completamente unidos a plásticos fluorados complejos, lo que requiere un tratamiento térmico y de trituración avanzado para el reciclaje parcial.

¿Por qué el CPV ha fallado hasta ahora?

• Un costo de capital inicial más alto

El CPV puede ser más rentable a largo plazo, pero esta ventaja no es lo suficientemente grande como para compensar la inversión de costos de capital mucho más alta para la instalación, que puede ir de 2,5 a 4 veces más alta que para la tecnología tradicional SI-PV.

Nota CSP es la generación de electricidad a través de concentración solar térmica

• Mayor necesidad de mantenimiento

Seguimiento de alta precisión del sol (hasta 0.precisión angular de 1°) necesita la atención constante de personal dedicado. Además, el lavado de los paneles puede ser más difícil debido a la altura de los rastreadores.

• Las nubes degradan el rendimiento

El CPV solo puede funcionar con luz solar directa, por lo que no puede funcionar todo el tiempo. Por lo general, el CPV está destinado a instalarse en un lugar soleado con más del 80% de días despejados al año. Como referencia, el CPV solo puede funcionar si hay sombras nítidas presentes, que es el signo de que la luz solar proviene principalmente de una dirección.

• Densidad de ocupación de tierra baja

Para evitar efectos de sombra por la mañana o por la noche, los rastreadores deben colocarse a unos metros de distancia. La ocupación de la tierra resultante alcanza solo alrededor del 50%, que solo se compensa parcialmente con el 25% de energía solar que ofrece el seguimiento. En consecuencia, el CPV es viable en terrenos de bajo costo o si solo se va a instalar un rastreador.

• La tecnología todavía es joven

Aunque está madurando bastante rápido, los CPV sufrieron una falta de cadena de suministro dedicada, lo que obligó a cada empresa a desarrollar y producir por sí misma la mayoría de los componentes (módulos de seguimiento, etc.)..).

Las celdas eran demasiado grandes al principio, lo que se tradujo en necesidades de alta disipación (las celdas más grandes generan temperaturas más altas) y módulos más pesados más grandes que se tradujeron en costos operativos adicionales.

Al mismo tiempo, la industria fotovoltaica experimentó una caída masiva de precios de más del 80% proveniente de industrias subsidiadas que podían vender productos con poca o ninguna rentabilidad con el objetivo de ganar mercado de acciones.

Por qué el CPV tiene el potencial de tener éxito en el futuro

• Las células de CPV son cada vez mejores, más pequeñas y más baratas

Las células de unión múltiple utilizadas en CPV se benefician del reciente auge de la industria del LED, ya que el equipo de fabricación es casi el mismo. Como muchos reactores LED se pueden adaptar para CPV, el precio comenzó a caer mucho más rápido que antes.

Con la colocación automatizada desarrollada originalmente para LED, la fabricación de diseños de celdas extremadamente pequeñas es posible a alta velocidad con errores de fabricación muy bajos. Los tamaños estándar pueden ser 25 veces más pequeños que hace 10 años (4 mm2 frente a 100), lo que reduce el precio del módulo, ya que las celdas de tamaño reducido disipan el calor con mayor facilidad.

• La caída de precios de los módulos SI-PV se está estancando

Ahora que el polvo se ha asentado después de la guerra comercial de PV, los precios de los módulos Si-Pv han alcanzado una meseta, mientras que el CPV todavía tiene un potencial de caída de precios masivo.

• Las ubicaciones disponibles restantes son más exigentes

La instalación fotovoltaica en un clima templado es un entorno cada vez más competitivo, por lo que el nuevo crecimiento de la energía solar debe provenir de ubicaciones más difíciles.

Los lugares con el mayor potencial de energía solar, como los desiertos, también son los más duros. Los componentes de paneles fotovoltaicos estándar están teniendo dificultades para hacer frente al ciclo térmico cercano/día, lo que resulta en una eficiencia mucho menor en comparación con los instalados en climas templados.

Lo que creo que debe mejorarse para que el CPV tenga éxito

Como dije al principio, el CPV tiene un lugar especial en mi corazón y nunca dejé de pensar en nuevos diseños o posibles mejoras.

Aquí están mis pensamientos sobre qué puntos necesitan atención para el éxito futuro de CPV:

• Reducir el peso del módulo es crítico

Olvídese de empujar aún más el rendimiento, el peso del módulo es, con mucho, un parámetro más importante cuando se trata de la reducción de costos operativos, simplemente porque permite un rastreador más grande con la misma precisión y costo. Más módulos significan más ingresos por unidad global por el mismo mantenimiento, o incluso permite que el mantenimiento automatizado (limpieza) sea rentable, reduciendo el personal necesario.

Esto no es una tarea difícil, ya que el peso no ha sido un parámetro muy optimizado desde las generaciones anteriores. He desarrollado personalmente diseños que pesan menos de 10 kg/m2 en comparación con el promedio de 40-45 kg/m2 de los módulos CPV comunes.

• El uso de lentes Fresnel optic es un callejón sin salida

La idea detrás de ellas es increíblemente elegante, pero sufre de defectos fatales cuando se usa para una concentración solar de precisión. En primer lugar, el diseño debe ser perfecto para ser realmente efectivo: cualquier compromiso en la nitidez de los bordes, como el redondeo que se produce con el moldeado de plástico, causa un gran rendimiento de degradación.

Entonces, las lentes Fresnel son muy sensibles a los errores de puntería, los rayos solares tienen una divergencia angular inherente de +/-0,5° que solo deja un espacio minúsculo de +/-0,1° para errores de seguimiento. El seguimiento con tal precisión es una de las principales fuentes de costos de mantenimiento para las tecnologías que utilizan este tipo de ópticas.

• La óptica reflectante debe evolucionar desde el clásico “diseño de telescopio”

Las ópticas reflectantes, a pesar de su aspecto torpe inicial, no sufren las limitaciones de las lentes Fresnel, por lo general pueden hacer frente a grandes errores de seguimiento de más de +/- 1°, lo que permite costos de mantenimiento mucho más bajos. El único inconveniente es que los diseños actuales basados en el” telescopio Cassegrain “no se producen fácilmente en masa con tecnologías estándar que se traducen en costos de fabricación muy altos

La mejora del costo de fabricación se puede hacer con el uso de diseños más” deformados ” que eliminan la formación de imágenes para mantener solo la capacidad de concentración, las posibilidades son muy grandes y yo mismo he creado algún diseño que puede reducir el costo de producción en 10 o más.

• Uso de limpieza automatizada con un consumo de agua muy bajo

Como se explicó anteriormente, el CPV realmente brilla en lugares particularmente duros donde la disponibilidad de agua suele ser muy escasa. La adición de un sistema de limpieza muy económico es esencial, el uso de tecnologías de limpieza de ventanas de edificios existentes en lugar de desarrollar otras nuevas podría ser la clave.

Conclusión

La desaparición aparente de CPV puede ser solo un contratiempo, ya que esta tecnología todavía tiene el potencial de superar a los sistemas fotovoltaicos estándar. Ahora que el polvo se ha asentado después de tiempos de dumping frenético de precios, el CPV puede desempeñar un gran papel como herramienta duradera para combatir el calentamiento global.

Díganos cuál cree que es el futuro de la energía solar y explore lo que ennomotive tiene para ofrecer.