the Future of Solar Energy: High Concentrated Photovoltaic (CPV) Cells

kirjoittanut Olivier Loidi

elokuussa 2018 ennomotive käynnisti kiertotaloushaasteen löytääkseen keinoja kaivoksen rikastushiekasta löytyvien jätemateriaalien uudelleenkäyttöön.

6 viikon ajan 74 insinööriä 30 maasta otti haasteen vastaan ja esitti erilaisia ratkaisuja. Perusteellisen arvioinnin jälkeen arviointikriteerit parhaiten täyttävät ratkaisut esittivät Kanadalainen Cliff Edwards ja ranskalainen Oliver Loidi.

ennomotive pyysi Olivieria kirjoittamaan artikkelin aiheesta, josta hän pitää, ja tässä ovat hänen näkemyksensä aurinkoenergian tulevaisuudesta ja korkeasta keskittyneestä aurinkosähköstä.

Aurinkoenergia on avain ilmaston lämpenemisen hillitsemiseen, uskon todella siihen. Itse asiassa kymmenen vuotta sitten työskentelin aktiivisesti tällä alalla ja erityisesti korkean konsentraation aurinkosähköalalla (CPV). Tuolloin sitä pidettiin todellisena kilpailijana tavallisille AURINKOSÄHKÖPANEELEILLE, mutta vuosia jatkunut aggressiivinen hintojen polkeminen on vakavasti heikentänyt sen kehitystä.

tavallisen aurinkosähkön lyhyen aikavälin lähestymistapa “Alhainen pääomakustannus/Alhainen elinkaari” näyttää olevan paljon houkuttelevampi kuin viisaampi “kohtuullinen alkukustannus/pitkä elinkaari”, vaikka tehokkuus olisi yli kaksinkertainen.

nyt kun tavalliset aurinkopaneelit alkavat kilpailla suotuisasti hiili-ja kaasu-ja CPV-yhtiöiden kanssa, jotka yhä kamppailevat selviytymisestään, voisi olla helppo päätellä, että ottelu on jo ohi. Tutkimus on kuitenkin edelleen voimissaan pääomakustannusten kuilun pienentämiseksi, ja jos kynnys saavutetaan, se voi tasoittaa tietä CPV: n valtavalle paluulle.

tässä artikkelissa pyrin selittämään CPV-teknologian hyviä ja huonoja puolia sekä henkilökohtaisia näkemyksiäni siitä, mitä pitäisi parantaa, jotta se menestyisi.

mikä on korkean konsentraation aurinkosähkö?

CPV: n periaatteena on keskittää auringonvalo erittäin tehokkaaseen aurinkokennoon, jonka käyttäminen suoraan olisi muuten liian kallista.

nämä poikkeuksellisen vahvat aurinkokennot, jotka on yleensä valmistettu avaruus-tai sotilassovelluksiin, pystyvät käsittelemään vähintään tuhannen konsentraatiosuhteen ja ovat silti lähes kolme kertaa tehokkaampia kuin perinteinen piistä valmistettu AURINKOSÄHKÖKENNO (Si-Pv).

tällä lähestymistavalla on omat haittapuolensa: se on suunnattava suoraan aurinkoon ja varustettava konsentroivalla optiikalla.

Optiikan tyypit

• Transmissiiviset:

suurennuslaseja voidaan käyttää,mutta tyylikkäämpi Fresnel-Objektiivin muotoilu on useimmin käytetty.

• heijastava:

siihen kuuluu auringonvalon keskittäminen peileihin, joilla on yleensä parabolinen muoto. Yhtä heijastusta hyödyntäviä järjestelmiä on olemassa, mutta suosituin muotoilu on peräisin Cassegrain-teleskoopista, joka mahdollistaa yksinkertaisemman aurinkokennojen sijoittelun.

CPV: n edut verrattuna normaaleihin aurinkopaneeleihin

• hyötysuhde

parhaat kaupalliset pii-aurinkokennot ovat parhaimmillaan 21 prosentin hyötysuhteella, kun taas CPV: ssä käytettävät moninkertaiset liitoskennot voivat saavuttaa 46 prosentin hyötysuhteen ja paranevat edelleen, tämä ero suorituskyvyssä voidaan havaita moduulitasolla, vaikka CPV: n Optiset häviöt olisivat suuria.

• erittäin vakaa suorituskyky korkeassa lämpötilassa

pii-aurinkokennojen suorituskyky on hyvin lämpötilaherkkä lämpötilakertoimen ollessa noin -0.5% / °C, mikä tarkoittaa, että jokaista astetta yli 25° (tai 20°C valmistajasta riippuen) se menettää 0,5% suorituskyvystä.

tämä ei tunnu paljolta, mutta kesäisin ei ole harvinaista, että se yltäisi 80 asteeseen (aivan kuten auringolle altistuvassa autossa), mikä heikentäisi laadukkaan paneelin suorituskykyä 19 prosentista vain 14 prosenttiin!

sen sijaan CPV-aurinkokennot on valmistettu materiaaleista, joiden hyvin matalan lämpötilan kerroin on noin -0,05%/°C ja parhaimmillaan -0,01%/°C, mikä on lähes 10-50 kertaa parempi kuin pii-aurinkokennot! Tämä mahdollistaa CPV-kennon toiminnan erittäin korkeassa lämpötilassa (100°C tai enemmän) ilman ongelmia.

• Erittäin hyvä kestävyys

kaikissa teollisuusjärjestelmissä aktiiviset komponentit ovat todennäköisimpiä vikaantumaan tai hajoamaan, eikä PV tee poikkeusta. Perinteisessä Si-Pv: ssä aktiiviset komponentit (aurinkokenno) edustavat lähes 100% altistuneesta pinnasta elektronisten komponenttien (ohitusdiodien) lisäksi, joten epäonnistumisen tai hajoamisen mahdollisuus on todellinen ongelma.

tilannetta pahentaa se, että valtava hintakilpailu estää erittäin korkealaatuisten komponenttien käytön, mikä johtaa huonoon pitkän aikavälin suorituskykyyn erityisesti erittäin kuumassa ilmastossa, jossa on myös merkittäviä aurinkoenergiapotentiaaleja. Esimerkiksi läpinäkyvät muovit (EVA), joita käytetään Etulasin kapselointiin ja liimaamiseen, altistuvat kellastumiselle lämpökierron vuoksi, tyypillinen hajoamisnopeus on 0,5% vuodessa lauhkeassa ympäristössä jopa 3% vuodessa kuumissa paikoissa.

CPV-aurinkokennot ovat peräisin avaruus-ja sotilassovelluksista ja ovat käytännössä immuuneja lämpö-tai säteilyvaurioille myös keskittyminen mahdollistaa premium-elektroniikkakomponenttien käytön, koska myös niiden määrä vähenee. Koska teknologia on suhteellisen nuorta, pitkän aikavälin suorituskykyä CPV: tä ei sinänsä ole olemassa, mutta samankaltaisten sotilaallisiin tai avaruussovelluksiin perustuvien teknologioiden tuotto näyttää osoittavan erittäin vakaata suorituskykyä 20 toimintavuoden jälkeenkin. Kaikki muut altistuvat pinnat voidaan valmistaa epäorgaanisista materiaaleista (lasi, alumiini), jotka eivät hajoa ajan myötä.

• maan mahdollinen kaksinkertainen käyttö

suuret trackerit voivat olla niin korkeita, että sen alla voi olla asutusta tai viljelyksiä.

• helposti kierrätettävissä

CPV-moduulien purkaminen on helpompaa, koska peruselementit ovat helposti erotettavissa ja koostuvat enimmäkseen epäorgaanisesta materiaalista, joka voidaan kierrättää kokonaan. Päinvastoin, SI-PV-kennot ja-runko on täysin sidottu monimutkaisiin fluorattuihin muoveihin, mikä vaatii kehittynyttä murskausta ja lämpökäsittelyä osittaista kierrätystä varten.

miksi CPV on toistaiseksi epäonnistunut?

• korkeammat alkupääomakustannukset

CPV saattaa olla pitkällä aikavälillä kannattavampi, mutta tämä etu ei ole tarpeeksi suuri kompensoimaan laitoksen paljon suurempia pääomakustannuksia, jotka voivat olla 2,5-4 kertaa suuremmat kuin perinteisessä si-PV-teknologiassa.

Huom. CSP tarkoittaa sähköntuotantoa aurinkolämpökonsentraatiolla

• suurempi huoltotarve

auringon tarkka seuranta (enintään 0.1° kulmatarkkuus) vaatii jatkuvaa huomiota omistautuneelta henkilökunnalta. Myös paneelien pesu voi olla vaikeampaa jäljittimien korkeuden vuoksi.

• pilvet hajoavat suorituskyky

CPV voi toimia vain suorassa auringonvalossa, joten se ei voi toimia koko ajan. CPV pyritään yleensä asentamaan aurinkoiseen paikkaan, jossa on yli 80 prosenttia selkeistä päivistä vuodessa. Viitteenä CPV voi toimia vain, jos siinä on teräviä varjoja, mikä on merkki siitä, että auringonvalo tulee pääasiassa yhdestä suunnasta.

• Alhainen maan miehitystiheys

varjostusvaikutusten välttämiseksi aamulla tai illalla on paikannuslaitteet sijoitettava muutaman metrin päähän toisistaan. Tuloksena maan miehitys saavuttaa vain noin 50%, joka kompensoidaan vain osittain 25% aurinkoenergiaa tarjotaan seuranta. Näin ollen CPV on elinkelpoinen edullisella maalla tai jos siihen asennetaan vain yksi jäljitin.

• teknologia on vielä nuorta

vaikka se kypsyykin melko nopeasti, CPV kärsi erityisen toimitusketjun puutteesta, joka pakotti jokaisen yrityksen kehittämään ja valmistamaan itse suurimman osan komponenteista (seurantamoduulit jne..).

kennot olivat alussa liian suuria, mikä johti suuriin häviötarpeisiin (isommat kennot tuottavat korkeampia lämpötiloja) ja suurempiin raskaampiin moduuleihin, jotka johtivat ylimääräisiin käyttökustannuksiin.

samaan aikaan AURINKOSÄHKÖTEOLLISUUS koki valtavan, yli 80 prosentin hinnanlaskun, joka johtui tuetuista teollisuudenaloista, jotka pystyivät myymään tuotteita, joiden kannattavuus oli vähäinen tai olematon, tavoitteenaan saada osakemarkkinoita.

miksi CPV: llä on mahdollisuuksia menestyä tulevaisuudessa

• CPV: n kennot paranevat, pienenevät ja halpenevat

CPV: ssä käytetyt useat liitoskennot hyötyvät LED-teollisuuden viimeaikaisesta noususta, koska valmistuslaitteet ovat lähes samanlaisia. Koska monet LED-reaktorit voidaan jälkiasentaa CPV: lle, hinta alkoi laskea paljon nopeammin kuin ennen.

alun perin ledille kehitetyllä automatisoidulla sijoittelulla erittäin pienten kennomallien valmistus on mahdollista suurella nopeudella hyvin pienillä valmistusvirheillä. Vakiokoot voivat olla 25 kertaa pienempiä kuin 10 vuotta sitten (4mm2 vs 100), jolloin moduulin hinta laskee, kun pienet jalanjälkisolut haihduttavat lämpöä helpommin.

• SI-PV-moduulien hinnanlasku hidastuu

nyt kun pöly on laskeutunut AURINKOSÄHKÖKAUPPASODAN jälkeen, Si-Pv-moduulien hinnat ovat saavuttaneet tasanteen, kun taas CPV: llä on edelleen valtava hinnanlaskupotentiaali.

• jäljellä olevat käytettävissä olevat paikat ovat vaativampia

AURINKOSÄHKÖASENNUS lauhkeassa ilmastossa on yhä kilpailukykyisempi ympäristö, joten uuden aurinkoenergian kasvun on tultava kovemmista paikoista.

myös paikat, joissa on suurin aurinkoenergiapotentiaali, kuten aavikot, sattuvat olemaan karuimpia. Aurinkosähköpaneelien vakiokomponenteilla on vaikeuksia selviytyä lähes joka päivä tapahtuvasta lämpökierroksesta, mikä johtaa huomattavasti alhaisempaan tehokkuuteen verrattuna lauhkeassa ilmastossa asennettuihin komponentteihin.

mitä minun mielestäni pitäisi parantaa, jotta CPV menestyisi

kuten alussa sanoin, CPV: llä on erityinen paikka sydämessäni, enkä koskaan lakannut ajattelemasta uusia malleja tai mahdollisia parannuksia.

Here are my thoughts on which points need attention for future CPV success:

• moduulin painon vähentäminen on tärkeää

unohda suorituskyvyn lisääminen, moduulin paino on ylivoimaisesti tärkein parametri käyttökustannusten vähentämisessä yksinkertaisesti siksi, että se mahdollistaa suuremman seuraajan samalla tarkkuudella ja kustannuksilla. Enemmän moduuleja tarkoittaa enemmän tuloja globaalia yksikköä kohti samasta kunnossapidosta, tai jopa mahdollistaa automaattisen kunnossapidon (siivouksen) kustannustehokkuuden vähentäen lisää tarvittavaa henkilöstöä.

tämä ei ole vaikea tehtävä, sillä paino ei ole ollut aiemmista sukupolvista juurikaan optimoitu parametri. Olen itse kehittänyt malleja, jotka painavat alle 10kg/m2 verrattuna tavallisiin CPV-moduuleihin keskimäärin 40-45 kg/m2.

• Fresnelin linssien käyttö optiikka on umpikuja

niiden idea on uskomattoman tyylikäs, mutta se kärsii kohtalokkaista virheistä, kun sitä käytetään auringon tarkkuuteen. Ensinnäkin suunnittelun on oltava täydellinen ollakseen todella tehokas: mikä tahansa särmien terävyyden kompromissi, kuten muovivalun yhteydessä tapahtuva pyöristäminen, aiheuttaa suurta hajoamistehoa.

silloin Fresnelin linssit ovat hyvin herkkiä osoittamisvirheille, auringonsäteillä on luontainen +/-0,5° kulmaero, joka jättää vain minimaalisen + / -0,1° tilaa seurantavirheille. Näin tarkka seuranta on yksi tärkeimmistä ylläpitokustannusten lähteistä tällaista optiikkaa käyttäville tekniikoille.

• heijastavan Optiikan tulisi kehittyä klassisesta “kaukoputken suunnittelusta”

heijastava optiikka, huolimatta alkuperäisestä kömpelö näyttää, ei kärsi rajoituksia Fresnel linssit, ne yleensä selviävät suuria seuranta virheitä yli + / – 1° mahdollistaa paljon alhaisemmat ylläpitokustannukset. Ainoa haittapuoli on, että nykyiset mallit perustuvat “Cassegrain teleskooppi” eivät ole helposti massatuotantoon standarditeknologioita, jotka kääntää erittäin korkeat valmistuskustannukset

parantaa valmistuskustannukset voidaan tehdä käyttämällä enemmän “epämuodostunut” malleja, jotka päästä eroon kuvan muodostumista pitää vain keskittymiskyky, mahdollisuudet ovat hyvin suuria ja olen luonut itselleni joitakin suunnittelu, joka voi leikata tuotantokustannuksia 10 tai enemmän.

• automaattipuhdistuksen käyttö hyvin pienellä vedenkulutuksella

kuten aiemmin selitettiin, CPV todella loistaa erityisen ankarissa paikoissa, joissa veden saatavuus on yleensä hyvin vähäistä. Erittäin taloudellisen puhdistusjärjestelmän lisääminen on välttämätöntä, sillä nykyisten rakennusten ikkunanpesutekniikoiden käyttäminen uusien sijasta voisi olla avainasemassa.

johtopäätös

CPV: n näennäinen tuhoutuminen voi olla vain takaisku, sillä tällä teknologialla on edelleen mahdollisuus päihittää tavanomaiset aurinkosähköjärjestelmät. Nyt kun pöly on laskeutunut kiihkeän hintojen polkumyynnin jälkeen, CPV: llä voi olla suuri rooli kestävänä välineenä ilmaston lämpenemisen torjunnassa.

kerro meille, mikä on mielestäsi aurinkoenergian tulevaisuus ja tutki, mitä ennomotive tarjoaa.