Il futuro dell’energia solare: celle fotovoltaiche ad alta concentrazione (CPV)

Scritto da Olivier Loidi

Nell’agosto 2018, ennomotive ha lanciato una sfida a economia circolare per trovare modi per riutilizzare i materiali di scarto trovati negli sterili delle miniere.

Per 6 settimane, 74 ingegneri provenienti da 30 paesi hanno accettato la sfida e presentato diverse soluzioni. Dopo una valutazione approfondita, le soluzioni che meglio soddisfacevano i criteri di valutazione sono state presentate da Cliff Edwards, dal Canada, e Oliver Loidi, dalla Francia.

ennomotive ha chiesto a Olivier di scrivere un articolo su un argomento che gli piace ed ecco le sue opinioni sul futuro dell’energia solare e del fotovoltaico ad alta concentrazione.

L’energia solare è la chiave per frenare il riscaldamento globale, credo davvero che. Infatti, dieci anni fa stavo lavorando attivamente in questo campo e in particolare nel campo fotovoltaico ad alta concentrazione (CPV). Allora era visto come un vero concorrente per i pannelli fotovoltaici standard, ma anni di dumping aggressivo dei prezzi hanno seriamente minato il suo sviluppo.

L’approccio a breve termine del “basso costo di capitale/bassa durata” del fotovoltaico standard sembra essere molto più allettante del più saggio “costo iniziale moderato/lunga durata”, anche con più del doppio dell’efficienza.

Ora che i pannelli solari standard iniziano a competere favorevolmente con le società di carbone e gas e CPV che ancora lottano per sopravvivere, potrebbe essere facile concludere che la partita è già finita. Tuttavia, la ricerca sta ancora andando forte per ridurre il divario di costo del capitale e, se la soglia viene raggiunta, potrebbe aprire la strada a un massiccio ritorno per CPV.

In questo articolo, cercherò di spiegare i pro ei contro delle tecnologie CPV insieme alle mie opinioni personali su ciò che dovrebbe essere migliorato per renderlo efficace.

Che cos’è il fotovoltaico ad alta concentrazione?

Il principio di CPV è quello di mettere a fuoco la luce solare su una cella solare ad altissima efficienza che altrimenti sarebbe troppo costosa da utilizzare direttamente.

Queste eccezionali celle solari robuste, di solito realizzate per applicazioni spaziali o militari, possono gestire un rapporto di concentrazione di mille o più e sono ancora quasi tre volte più efficienti di una cella fotovoltaica tradizionale in silicio (Si-Pv).

Questo approccio ha i suoi svantaggi: deve essere orientato direttamente verso il sole e dotato di ottica di concentrazione.

Tipi di ottica

• Trasmissivo:

Possono essere utilizzate lenti di ingrandimento, ma il design più elegante della lente di Fresnel è il più usato.

• Riflettente:

Si tratta di concentrare la luce solare con specchi che di solito hanno una forma parabolica. Esistono sistemi che utilizzano una riflessione, ma il design più popolare deriva dal telescopio Cassegrain, che consente un posizionamento delle celle solari meno complesso.

Vantaggi di CPV sopra i pannelli solari normali

• Efficienza

Le migliori cime commerciali delle celle solari del silicio all’efficienza di 21% mentre le celle multiple delle giunzioni usate per CPV possono raggiungere 46% e stanno ancora migliorando, questa lacuna nella prestazione può essere osservata al livello del modulo anche con le alte perdite ottiche per CPV.

• Prestazioni molto stabili ad alta temperatura

Le prestazioni delle celle solari al silicio sono molto sensibili alla temperatura con un coefficiente di temperatura di circa -0.5% per °C, il che significa che per ogni grado superiore a 25° (o 20°c a seconda del produttore) perde lo 0,5% delle prestazioni.

Questo non sembra essere molto ma, in estate, non è raro che raggiunga gli 80°C (proprio come in un’auto esposta al sole) che degraderebbero le prestazioni di un pannello di alta qualità dal 19% al solo 14%!

Al contrario, le celle solari CPV sono realizzate con materiali con un coefficiente di temperatura molto basso di circa -0,05% / °C con il miglior raggiungimento di -0,01% / °C che è quasi 10-50 volte meglio delle celle solari al silicio! Ciò consente alla cella CPV di funzionare a temperature molto elevate (100°c o più) senza problemi.

• Durabilità molto buona

In tutti i sistemi industriali, i componenti attivi sono i più suscettibili di guastarsi o degradarsi e il fotovoltaico non fa eccezione. Nel tradizionale Si-Pv, i componenti attivi (cella solare) rappresentano quasi il 100% della superficie esposta oltre ai componenti elettronici (diodi di bypass), quindi una possibilità di guasto o degrado è un problema reale.

A peggiorare le cose, l’enorme concorrenza sui prezzi impedisce l’uso di componenti di altissima qualità che si traducono in scarse prestazioni a lungo termine, specialmente in climi molto caldi che hanno anche un grande potenziale solare. Ad esempio, le plastiche trasparenti (EVA) utilizzate per l’incapsulamento e l’incollaggio del vetro frontale sono soggette ad ingiallimento a causa del ciclo termico, il tasso di degradazione tipico è dello 0,5% all’anno in un ambiente temperato fino al 3%/anno in luoghi caldi.

Le celle solari CPV sono derivate da applicazioni spaziali e militari e sono praticamente immuni ai danni termici o da radiazioni anche la concentrazione consente l’uso di componenti elettronici di alta qualità in quanto anche il loro numero è ridotto. Poiché la tecnologia è relativamente giovane, prestazioni a lungo termine CPV non esiste di per sé, ma i ritorni di tecnologie simili basate su applicazioni militari o spaziali sembrano indicare una prestazione molto stabile anche dopo 20 anni di attività. Tutte le altre superfici esposte possono essere realizzate con materiali inorganici (vetro, alluminio) che non si degradano nel tempo.

• Potenziale doppio utilizzo del terreno

I grandi inseguitori possono essere abbastanza alti da consentire l’abitazione o le colture sottostanti.

• Facilmente riciclabile

Lo smontaggio dei moduli CPV è più facile perché gli elementi costitutivi sono facilmente separabili e composti per lo più da materiale inorganico che può essere completamente riciclato. Al contrario, le celle e il telaio SI-PV sono completamente legati a plastiche fluorurate complesse che richiedono una frantumazione avanzata e un trattamento termico per il riciclaggio parziale.

Perché CPV ha fallito finora?

• Maggiore costo iniziale del capitale

Il CPV potrebbe essere più redditizio a lungo termine, ma questo vantaggio non è abbastanza grande da compensare il costo molto più elevato dell’investimento in capitale per l’installazione, che può andare da 2,5 a 4 volte superiore rispetto alla tecnologia tradizionale SI-PV.

Nota CSP è la generazione di energia elettrica tramite solare termico concentrazione

• Maggiore necessità di manutenzione

Inseguimento di alta precisione del sole (fino a 0.1 ° precisione angolare) necessita di una costante attenzione da parte di personale dedicato. Inoltre, il lavaggio dei pannelli può essere più difficile a causa dell’altezza dei tracker.

• Le nuvole degradano le prestazioni

CPV può funzionare solo con la luce solare diretta, quindi non può funzionare tutto il tempo. CPV è di solito finalizzato ad essere installato in una posizione soleggiata con oltre l ‘ 80% delle giornate limpide all’anno. Come riferimento, CPV può funzionare solo se sono presenti ombre nitide, che è il segno che la luce solare proviene principalmente da una direzione.

• Bassa densità di occupazione del terreno

Per evitare effetti di ombreggiamento al mattino o alla sera, i tracker devono essere posizionati a qualche metro di distanza. L’occupazione della terra risultante raggiunge solo circa il 50%, che è solo parzialmente compensata dall’energia solare del 25% offerta dal tracciamento. Di conseguenza, CPV è praticabile su terreni a basso costo o se deve essere installato un solo tracker.

• La tecnologia è ancora giovane

Sebbene stia maturando abbastanza velocemente, CPV ha sofferto di una mancanza di supply chain dedicata, che ha costretto ogni azienda a sviluppare e produrre da sola la maggior parte dei componenti (moduli tracker, ecc..).

Le celle erano troppo grandi all’inizio, il che si traduceva in elevate esigenze di dissipazione (celle più grandi generano temperature più elevate) e moduli più pesanti più grandi che si traducevano in costi operativi aggiuntivi.

Allo stesso tempo, l’industria fotovoltaica ha registrato un massiccio calo dei prezzi di oltre l ‘ 80% proveniente da industrie sovvenzionate che potrebbero vendere prodotti con poca o nessuna redditività con l’obiettivo di guadagnare quote di mercato.

Perché CPV ha il potenziale per avere successo in futuro

• Le celle CPV sono sempre migliori, più piccole e più economiche

Celle a giunzione multiple utilizzate in CPV beneficio della recente ascesa dell’industria dei LED poiché l’attrezzatura di fabbricazione è quasi la stessa. Poiché molti reattori LED possono essere adattati per CPV, il prezzo ha iniziato a scendere molto più velocemente di prima.

Con il posizionamento automatizzato originariamente sviluppato per LED, la fabbricazione di disegni di celle estremamente piccole è possibile ad alta velocità con errori di fabbricazione molto bassi. Le dimensioni standard possono essere 25 volte più piccole di 10 anni fa (4mm2 vs 100) riducendo il prezzo del modulo poiché le celle a ingombro ridotto dissipano il calore più facilmente.

• Il calo dei prezzi dei moduli SI-PV è in stallo

Ora che la polvere si è depositata dopo la guerra commerciale del fotovoltaico, i prezzi dei moduli Si-PV hanno raggiunto un plateau mentre il CPV ha ancora un enorme potenziale di calo dei prezzi.

• Le posizioni disponibili rimanenti sono più impegnative

L’installazione FV in un clima temperato è un ambiente sempre più competitivo, quindi la nuova crescita dell’energia solare deve provenire da luoghi più difficili.

I luoghi con il più alto potenziale di energia solare, come i deserti, sono anche i più duri. I componenti standard dei pannelli fotovoltaici stanno avendo difficoltà a far fronte al ciclo termico quasi giornaliero, il che si traduce in efficienze molto inferiori rispetto a quelle installate in climi temperati.

Quello che penso dovrebbe essere migliorato perché CPV abbia successo

Come ho detto all’inizio, CPV ha un posto speciale nel mio cuore e non ho mai smesso di pensare a nuovi progetti o possibili miglioramenti.

Qui sono i miei pensieri su quali punti di attenzione per il futuro CPV successo:

• Ridurre il peso del modulo è fondamentale

Dimenticare di spingere ulteriormente le prestazioni, il modulo, il peso è un parametro più importante quando si tratta di riduzione dei costi di esercizio, semplicemente perché permette più grande tracker per la stessa precisione e costo. Più moduli significano più ricavi per unità globale per la stessa manutenzione, o anche consente la manutenzione automatizzata (pulizia) per essere efficiente in termini di costi, riducendo ulteriormente il personale necessario.

Questo non è un compito difficile, in quanto il peso non è stato un parametro molto ottimizzato dalle generazioni precedenti. Ho sviluppato personalmente progetti che pesano meno di 10kg/m2 rispetto ai 40-45 kg / m2 medi dei moduli CPV comuni.

• L’uso delle lenti di Fresnel ottiche è un vicolo cieco

L’idea alla base è incredibilmente elegante ma soffre di difetti fatali quando viene utilizzato per la concentrazione solare di precisione. In primo luogo, il design deve essere perfetto per essere veramente efficace: qualsiasi compromesso nella nitidezza dei bordi, come l’arrotondamento che si verifica con lo stampaggio di plastica, causa grandi prestazioni di degradazione.

Quindi, le lenti di Fresnel sono molto sensibili agli errori di puntamento, i raggi del sole hanno una divergenza angolare intrinseca di +/-0,5° che lascia solo una minuscola stanza di +/-0,1° per gli errori di tracciamento. Il tracciamento con tale precisione è una delle principali fonti di costi di manutenzione per le tecnologie che utilizzano questo tipo di ottica.

• L’ottica riflettente dovrebbe evolvere dal classico “design del telescopio”

Le ottiche riflettenti, nonostante il loro aspetto goffo iniziale, non soffrono delle limitazioni delle lenti Fresnel, di solito possono far fronte a grandi errori di tracciamento di oltre +/- 1° consentendo costi di manutenzione molto più bassi. L’unico inconveniente è che la corrente di modelli basati sul “Cassegrain” non sono facilmente massa prodotta con tecnologie standard che si traducono in elevati costi di fabbricazione

Migliorare la fabbricazione di costo può essere fatto con l’uso di più “deformato” disegni che sbarazzarsi di formazione dell’immagine per avere solo la capacità di concentrazione, le possibilità sono molto grandi e ho creato me stesso design in grado di tagliare il costo di produzione da 10 o più.

• Uso della pulizia automatica con un consumo di acqua molto basso

Come spiegato in precedenza, CPV brilla davvero in luoghi particolarmente difficili dove la disponibilità di acqua è solitamente molto scarsa. L’aggiunta di un sistema di pulizia molto economico è essenziale, utilizzando le tecnologie di pulizia delle finestre esistenti piuttosto che svilupparne di nuove potrebbe essere la chiave.

Conclusione

CPV scomparsa apparente può essere solo una battuta d’arresto in quanto questa tecnologia ha ancora il potenziale per sovraperformare sistemi fotovoltaici standard. Ora che la polvere si è depositata dopo tempi di frenetico dumping dei prezzi, il CPV può svolgere un ruolo importante come strumento durevole per combattere il riscaldamento globale.

Raccontaci cosa pensi che sia il futuro dell’energia solare ed esplora ciò che ennomotive ha da offrire.