a napenergia jövője: magas koncentrált fotovoltaikus (CPV) cellák

írta: Olivier Loidi

2018 augusztusában az ennomotive körforgásos gazdasági kihívást indított annak érdekében, hogy megtalálja a módját a bányákban található hulladékanyagok újrahasznosítására.

6 héten át 74 mérnök 30 országból fogadta el a kihívást, és különböző megoldásokat nyújtott be. Az értékelési kritériumoknak leginkább megfelelő megoldásokat a kanadai Cliff Edwards és a francia Oliver Loidi nyújtotta be.

az ennomotive felkérte Olivier-t, hogy írjon egy cikket egy olyan témáról, amely tetszik neki, és itt van a véleménye a napenergia jövőjéről és a magas koncentrált fotovoltaikus energiáról.

a napenergia kulcsfontosságú a globális felmelegedés megfékezésében, őszintén hiszem. Ami azt illeti, tíz évvel ezelőtt aktívan dolgoztam ezen a területen, különösen a magas koncentrációjú fotovoltaikus területen (CPV). Akkoriban a szokásos fotovillamos panelek valódi versenytársának tekintették, de az évek óta tartó agresszív árdömping súlyosan aláásta fejlődését.

a rövid távú megközelítés ‘alacsony tőkeköltség/alacsony élettartam’ standard PV úgy tűnik, hogy sokkal csábítóbb, mint a bölcsebb ‘mérsékelt kezdeti költség/Hosszú élettartam’ utat, még több mint kétszerese a hatékonyság.

most, hogy a hagyományos napelemek kedvezően versenyeznek a szén-és gázipari vállalatokkal, és a CPV-vállalatok továbbra is küzdenek a túlélésért, könnyű lehet arra következtetni, hogy a verseny már véget ért. A kutatás azonban továbbra is erős a tőkeköltség-különbség csökkentése érdekében, és ha a küszöböt elérik, előkészítheti az utat a CPV tömeges visszatéréséhez.

ebben a cikkben megpróbálom elmagyarázni a CPV technológiák előnyeit és hátrányait, valamint személyes nézeteimet arról, hogy mit kell javítani a siker érdekében.

mi a nagy koncentrációjú fotovoltaikus?

a CPV elve az, hogy a napfényt egy rendkívül nagy hatékonyságú napelemre összpontosítsa, amelyet egyébként túl drága lenne közvetlenül használni.

ezek a kivételes robusztus napelemek, amelyeket általában űr-vagy katonai alkalmazásokhoz készítenek, ezer vagy annál nagyobb koncentrációs arányt képesek kezelni, és még mindig közel háromszor hatékonyabbak, mint egy hagyományos szilíciumból készült PV cella (Si-Pv).

ennek a megközelítésnek megvannak a maga hátrányai: közvetlenül a nap felé kell orientálni, és koncentráló optikával kell felszerelni.

optikai típusok

• transzmissziós:

nagyító lencsék használhatók, de az elegánsabb Fresnel lencse kialakítás a leggyakrabban használt.

• fényvisszaverő:

ez magában foglalja a napfény koncentrálását olyan tükrökkel, amelyek általában parabolikus alakúak. Léteznek egy reflexiót használó rendszerek, de a legnépszerűbb kialakítás a Cassegrain távcső, amely lehetővé teszi a kevésbé összetett napelem elhelyezését.

a CPV előnyei a normál napelemekkel szemben

• hatékonyság

a legjobb kereskedelmi szilícium napelemek 21% – os hatékonysággal csúcsosodnak ki, míg a CPV-hez használt több csomóponti cellák elérhetik a 46% – ot, és még mindig javulnak, ez a teljesítménybeli különbség a modul szintjén is megfigyelhető, még a CPV nagy optikai veszteségei esetén is.

• nagyon stabil teljesítmény magas hőmérsékleten

a szilícium napelemek teljesítménye nagyon hőmérséklet-érzékeny, hőmérsékleti együtthatója körülbelül -0.C-nként 5%, ami azt jelenti, hogy minden 25 (vagy gyártótól függően 20) C feletti fokozat esetén a teljesítmény 0,5% – át veszíti el.

ez nem tűnik soknak, de nyáron nem ritka, hogy eléri a 80 Ft-ot (csakúgy, mint egy napfénynek kitett autóban), ami a csúcsminőségű panel teljesítményét 19%-ról csak 14% – ra rontja!

ezzel szemben a CPV napelemek olyan anyagokból készülnek, amelyek nagyon alacsony hőmérsékleti együtthatója körülbelül -0,05%/C, a legjobban elérve -0,01%/C, ami közel 10-50-szer jobb, mint a szilícium napelemek! Ez lehetővé teszi, hogy a CPV cella nagyon magas hőmérsékleten (100 KB C vagy több) problémamentesen működjön.

• nagyon jó tartósság

minden ipari rendszerben az aktív komponensek a legnagyobb valószínűséggel meghibásodnak vagy lebomlanak, és a PV sem kivétel. A hagyományos Si-Pv-ben az aktív komponensek (napelem) a kitett felület közel 100% – át képviselik az elektronikus alkatrészek (bypass diódák) mellett, így a meghibásodás vagy a lebomlás esélye valódi kérdés.

a helyzet még rosszabbá tétele érdekében a hatalmas árverseny megakadályozza a nagyon jó minőségű alkatrészek használatát, amelyek rossz hosszú távú teljesítményt eredményeznek, különösen nagyon forró éghajlaton, amelyek szintén jelentős napenergia-potenciállal rendelkeznek. Például az elülső üveg kapszulázásához és ragasztásához használt átlátszó műanyagok (EVA) a termikus ciklus miatt sárgulnak, a tipikus lebomlási Arány mérsékelt környezetben 0,5%/év, forró helyeken pedig 3% / év.

a CPV napelemek űrből és katonai alkalmazásokból származnak, és gyakorlatilag immunisak a termikus vagy sugárzási károkra. Mivel a technológia viszonylag fiatal, a hosszú távú teljesítmény CPV önmagában nem létezik, de a katonai vagy űralkalmazásokon alapuló hasonló technológiák visszatérése nagyon stabil teljesítményt mutat 20 év működés után is. Az összes többi kitett felület szervetlen anyagokból (üveg, alumínium) készülhet, amelyek idővel nem bomlanak le.

• a földterület lehetséges kettős felhasználása

a nagy nyomkövetők elég magasak lehetnek ahhoz, hogy lakóhelyek vagy növények legyenek alatta.

• könnyen újrahasznosítható

CPV modulok szétszerelése könnyebb, mert a konstitutív elemek könnyen elválaszthatók, és többnyire szervetlen anyagból állnak, amely teljesen újrahasznosítható. Éppen ellenkezőleg, az SI-PV cellák és a váz teljes mértékben összetett fluortartalmú műanyagokhoz vannak kötve, ami fejlett zúzást és hőkezelést igényel a részleges újrahasznosításhoz.

miért nem sikerült eddig a CPV?

• magasabb induló tőkeköltség

a CPV hosszú távon jövedelmezőbb lehet, de ez az előny nem elég nagy ahhoz, hogy ellensúlyozza a telepítés sokkal magasabb tőkeköltségét, amely 2,5-4-szer magasabb lehet, mint a hagyományos SI-PV technológia esetében.

megjegyzés a CSP a napenergia-koncentráció révén történő villamosenergia-termelés

• magasabb karbantartási igény

a nap nagy pontosságú követése (legfeljebb 0.1 db szögpontosság) állandó figyelmet igényel a dedikált személyzet részéről. Továbbá a panelek mosása nehezebb lehet a nyomkövetők magassága miatt.

• a felhők rontják a teljesítményt

a CPV csak közvetlen napfény esetén képes működni, ezért nem képes folyamatosan működni. A CPV-t általában napos helyre kell telepíteni, évente a tiszta napok több mint 80% – ával. Referenciaként a CPV csak akkor működhet, ha éles árnyékok vannak jelen, ami azt jelzi, hogy a napfény elsősorban egy irányból származik.

• alacsony földfoglalási sűrűség

a reggel vagy este árnyékoló hatások elkerülése érdekében a nyomkövetőket néhány méterre kell elhelyezni egymástól. Az ebből eredő földfoglalás csak körülbelül 50% – ot ér el, amelyet csak részben kompenzál a követés által kínált 25% – os napenergia. Következésképpen a CPV életképes alacsony költségű földterületen, vagy ha csak egy nyomkövetőt kell telepíteni.

• a technológia még mindig fiatal

bár elég gyorsan érlelődik, a CPV szenvedett a dedikált ellátási lánc hiányától, ami minden vállalatot arra kényszerített, hogy az alkatrészek nagy részét (nyomkövető modulok stb..).

a cellák kezdetben túl nagyok voltak, ami nagy disszipációs igényeket eredményezett (a nagyobb cellák magasabb hőmérsékletet eredményeztek), a nagyobb nehezebb modulok pedig további működési költségeket eredményeztek.

ugyanakkor a fotovillamos ipar hatalmas, több mint 80% – os árcsökkenést tapasztalt olyan támogatott iparágakból, amelyek alig vagy egyáltalán nem jövedelmezőséggel tudtak eladni termékeket azzal a céllal, hogy részvénypiacot szerezzenek.

miért CPV megvan a lehetősége, hogy sikerül a jövőben

• CPV sejtek egyre jobb, kisebb, és olcsóbb

több csomópont sejtek használt CPV javára a közelmúltban emelkedik a LED-ipar, mint a gyártási berendezés közel azonos. Mivel sok LED reaktor utólag felszerelhető a CPV-hez, az ár sokkal gyorsabban kezdett csökkenni, mint korábban.

az eredetileg LED-hez kifejlesztett automatizált elhelyezéssel rendkívül kicsi cellák gyártása nagy sebességgel lehetséges, nagyon alacsony gyártási hibákkal. A Standard méretek 25-szer kisebbek lehetnek, mint 10 évvel ezelőtt (4mm2 vs 100), ami csökkenti a modul árát, mivel a kis helyigényű cellák könnyebben eloszlatják a hőt.

• az SI-PV modul árcsökkenése elakad

most, hogy a por a PV kereskedelmi háború után telepedett le, az Si-Pv modulok árai elérték a fennsíkot, míg a CPV még mindig hatalmas árcsökkenési potenciállal rendelkezik.

• a fennmaradó rendelkezésre álló helyek igényesebbek

a mérsékelt éghajlatú fotovillamos telepítés egyre versenyképesebb környezet, ezért az új napenergia-növekedésnek keményebb helyekről kell származnia.

a legnagyobb napenergia-potenciállal rendelkező helyek, mint például a sivatagok, szintén a legkeményebbek. A Standard PV panelek alkatrészei nehezen birkóznak meg a Közel napi termikus kerékpározással, ami sokkal alacsonyabb hatékonyságot eredményez, mint a mérsékelt éghajlaton telepítettek.

amit szerintem javítani kell a CPV sikeréhez

mint az elején mondtam, a CPV-nek Különleges helye van a szívemben, és soha nem hagytam abba az új tervek vagy lehetséges fejlesztések gondolkodását.

itt vannak a gondolataim arról, hogy mely pontokra kell figyelni a CPV jövőbeli sikeréhez:

• a modul súlyának csökkentése kritikus

felejtsd el a teljesítmény további tolását, a modul súlya messze a legfontosabb paraméter, amikor a működési költségcsökkentésről van szó, egyszerűen azért, mert nagyobb nyomkövetőt tesz lehetővé ugyanolyan pontosság és költség érdekében. A több modul globális egységenként több bevételt jelent ugyanazon karbantartásért, vagy akár lehetővé teszi az automatizált karbantartás (tisztítás) költséghatékonyságát, csökkentve a további szükséges személyzetet.

ez nem nehéz feladat, mivel a súly a korábbi generációk óta nem volt sokkal optimalizált paraméter. Személyesen fejlesztettem ki olyan terveket, amelyek súlya 10 kg/m2 alatt van, összehasonlítva a közös CPV modulok átlagos 40-45 kg/m2-jével.

• a Fresnel lencsék optikai használata zsákutca

az ötlet mögöttük hihetetlenül elegáns, de halálos hibákat szenved, amikor precíziós napkoncentrációra használják. Először is, a tervezésnek tökéletesnek kell lennie ahhoz, hogy valóban hatékony legyen: az élek élességében bekövetkező bármilyen kompromisszum, például a műanyag formázással járó kerekítés, nagy lebomlási teljesítményt okoz.

ezután a Fresnel lencsék nagyon érzékenyek a mutatási hibákra, a napsugaraknak van egy inherens +/-0,5 Ft-os szögletes divergenciája, amely csak egy apró +/-0,1 Ft-os teret hagy a hibák követésére. Az ilyen pontossággal történő nyomon követés az ilyen típusú optikát használó technológiák karbantartási költségeinek egyik fő forrása.

• a fényvisszaverő optikának a klasszikus “távcső-tervezésből kell fejlődnie”

a fényvisszaverő optika kezdeti nehézkes megjelenése ellenére nem szenved a Fresnel lencsék korlátaitól, általában +/- 1-nél nagyobb követési hibákkal képesek megbirkózni, ami sokkal alacsonyabb karbantartási költségeket tesz lehetővé. Az egyetlen hátránya az, hogy a jelenlegi tervek alapján a “Cassegrain teleszkóp” nem könnyen tömeggyártású szabványos technológiák, amelyek lefordítani nagyon magas gyártási költségek

javítása gyártási költség lehet tenni a használata több “deformált” tervez, hogy megszabaduljon a kép kialakulását, hogy csak a koncentráció képesség, a lehetőségek nagyon nagyok, és hoztam létre magam néhány design, amely csökkenti a termelési költségek 10 vagy több.

• automatikus tisztítás használata nagyon alacsony vízfogyasztás mellett

amint azt korábban kifejtettük, a CPV valóban különösen zord helyeken ragyog, ahol a víz rendelkezésre állása általában nagyon kevés. A nagyon gazdaságos takarítási rendszer hozzáadása elengedhetetlen, a kulcs a meglévő épületablak-tisztítási technológiák használata az újak kifejlesztése helyett.

következtetés

a CPV látszólagos megszűnése csak visszaesés lehet, mivel ez a technológia még mindig képes felülmúlni a szabványos PV rendszereket. Most, hogy a por az eszeveszett árdömping után leülepedett, a CPV nagy szerepet játszhat a globális felmelegedés elleni küzdelem tartós eszközeként.

mondja el nekünk, mit gondol a napenergia jövőjéről, és fedezze fel, mit kínál az ennomotive.