太陽エネルギーの未来：高濃度太陽光発電（CPV）セル

Olivier Loidi著

2018年8月、ennomotiveは、鉱山の尾鉱で見つかった廃棄物を再利用する方法を見つけるための循環経済チャレンジを開始しました。

6週間、74カ国から30人のエンジニアが挑戦を受け入れ、異なる解決策を提出しました。 徹底的な評価の後、評価基準を最もよく満たした解決策は、カナダのCliff EdwardsとフランスのOliver Loidiによって提出されました。

ennomotiveはOlivierに彼が好きなトピックについての記事を書くように頼んだ。

太陽エネルギーは地球温暖化を抑制するための鍵です、私は本当にそれを信じています。 実際には、10年前、私はこの分野、特に高濃度太陽光発電分野（CPV）で積極的に働いていました。 当時、それは標準的なPVパネルの真の競争相手と見なされていましたが、積極的な価格ダンピングの年は真剣にその開発を損なっています。

標準PVの”低資本コスト/低寿命”という短期的なアプローチは、効率が倍以上であっても、賢明な”中moderate initial cost/long lifespan”パスよりもはるかに魅力的であるようです。

標準的なソーラーパネルが石炭やガスと好意的に競争し始め、CPV企業はまだ生き残るために苦労しているので、試合はすでに終わっていると結論づける しかし、資本コストのギャップを削減するための研究は依然として強力であり、閾値に達した場合、CPVの大規模なカムバックへの道を開く可能性があ

この記事では、CPV技術の長所と短所を、それを成功させるために何を改善すべきかについての私の個人的な見解とともに説明しようとします。

高濃度太陽光発電とは何ですか？

CPVの原理は、直接使用するには高価すぎる非常に高効率の太陽電池に太陽光を集中させることです。

これらの優れた堅牢な太陽電池は、通常、宇宙や軍事用途のために作られ、千以上の濃度比を処理することができ、まだシリコン製の伝統的なPVセル（Si-Pv）

このアプローチには独自の欠点があります：太陽に向かって直接向き、集中光学系を装備する必要があります。

光学系の種類

• 透過型:

拡大レンズを使用することができますが、よりエレガントなフレネルレンズのデザインが最も頻繁に使用されます。

• 反射:

それは通常放物線形を持っているミラーが付いている日光を集中することを含みます。 一つの反射を使用するシステムは存在しますが、最も一般的な設計は、より複雑な太陽電池の配置を可能にするカセグレン望遠鏡から派生しています。

通常の太陽電池パネルに比べてCPVの利点

• 効率

最高の商用シリコン太陽電池は21％の効率でトップCPVに使用される複数の接合セルは46％に達

• 高温下での非常に安定した性能

シリコン太陽電池の性能は、約-0の温度係数で非常に温度に敏感です。これは、25°（または製造元によっては20°c）を超える度ごとに0.5％の性能を失うことを意味します。

これはあまりないようですが、夏には（太陽にさらされた車のように）80℃に達することは珍しくありません。対照的に、CPV太陽電池は、-0.05%/°C程度の非常に低い温度係数を持つ材料で作られており、最高の到達-0.01%/°Cは、シリコン太陽電池よりも10〜50倍近く優れて これにより、CPVセルは非常に高い温度（100℃以上）で問題なく動作することができます。

• 非常によい耐久性

すべての産業システムでは、活動的な部品は失敗するために本当らしいですまたは低下し、PVは例外を作りません。 従来のSi-Pvでは、活動的な部品（太陽電池）は電子部品（バイパスダイオード）のほかに露出された表面のほぼ100%を表します従って失敗または低下のチャンスは

事態を悪化させるために、巨大な価格競争は、特に太陽の可能性が高い非常に暑い気候では、長期的な性能が低下する非常に高品質の部品の使用を 例えば、フロントガラスの封止や接着に使用される透明プラスチック（EVA）は、熱サイクルによる黄変を受け、典型的な劣化率は、暑い場所で3％/年までの温

CPV太陽電池は、宇宙および軍事用途に由来し、熱または放射線損傷に対して事実上免疫され、その数も減少するため、高級電子部品の使用が可能にな この技術は比較的若いため、長期的な性能CPV自体は存在しませんが、軍事用途や宇宙用途に基づく同様の技術のリターンは、20年の運用後でさえも非常に安定した性能を示しているようです。 他のすべての露出された表面は、時間の経過とともに劣化しない無機材料（ガラス、アルミニウム）で作ることができる。

• 土地の潜在的な二重利用

大きなトラッカーは、その下に居住や作物を可能にするのに十分な高さにすることができます。

• 容易に再生利用できる

CPVモジュール構成要素が十分にリサイクルすることができる無機材料によって容易に分離可能、大抵構成されるので分解 逆に、SI-PVセルとフレームは、部分的なリサイクルのための高度な粉砕と熱処理を必要とする複雑なフッ素化プラスチックに完全に結合されています。

なぜCPVはこれまでに失敗したのですか？

• 初期資本コストが高い

CPVは長期的にはより収益性が高いかもしれませんが、この利点は、従来のSI-PV技術の2.5倍から4倍になる可能性がある、設置のためのはるかに高い資本コスト投資を相殺するのに十分な大きさではありません。

注CSPは、太陽熱集中による発電です

• より高いメンテナンスニーズ

太陽の高精度追跡（最大0。1°角の精密）熱心な人員からの一定した注意を必要とします。 また、パネルの洗浄は追跡者の高さがより堅い原因である場合もある。

• 雲はパフォーマンスを低下させます

CPVは直射日光でのみ動作するため、常に動作することはできません。 CPVは通常1年ごとの明確な日の80%上のの明るい位置に取付けられているために向けられます。 参考として、CPVは鋭い影が存在する場合にのみ機能することができ、これは日光が主に一方向から来るという兆候です。

• 低い土地占有密度

朝や夕方の影の影響を避けるために、トラッカーは数メートル離れて配置する必要があります。 結果として生じる土地の占有率はわずか約50％に達し、それは追跡によって提供される25％の太陽エネルギーによって部分的に補償されるだけである。 その結果、CPVは低コストの土地で実行可能であるか、または1つの追跡者だけが取付けられていれば。

• 技術はまだ若い

それはかなり速く成熟しているが、CPVは専用のサプライチェーンの欠如に苦しんだ、それはすべての企業が開発し、自分自身.).

最初はセルが大きすぎたため、高い消費ニーズ（セルが大きいほど温度が高くなる）と、より重いモジュールが大きくなり、運用コストが増加しました。

同時に、太陽光発電業界は、株式市場を獲得する目的で収益性の低い製品を販売できる補助金産業から80％以上の大幅な価格下落を経験しました。

CPVが将来成功する可能性を秘めている理由

• CPVセルは、より良く、より小さく、より安価になっています

CPVで使用される複数の接合セル製造装置がほぼ同じであるため、LED業界の最近の上昇の利点。 多くのLEDリアクターがCPVのために改装することができるので価格は前により大いに速く落ち始めた。

LED用に独自に開発された自動配置により、非常に小さなセル設計の製造が非常に低い製造誤差で高速で可能です。 標準サイズは、10年前の25倍（4mm2対100）にすることができ、小さなフットプリントのセルが熱をより簡単に放散するため、モジュールの価格を下げます。

• SI-PVモジュールの価格下落は失速している

PV貿易戦争後にほこりが落ち着いた今、SI-Pvモジュールの価格は高原に達していますが、CPVはまだ大規模な価格下落の可能性があります。

• 残りの利用可能な場所はより厳しい

温暖な気候での太陽光発電の設置はますます競争環境であるため、新しい太陽光発電の成長はより厳しい

砂漠のような太陽エネルギーポテンシャルが最も高い場所も、最も過酷です。 標準的なPVのパネルの部品は穏健な気候に取付けられているそれらと比較されるずっと低い効率で起因するnigh/dayの熱循環に対処する堅い時を過

CPVが成功するために改善すべきだと思うこと

最初に言ったように、CPVは私の心の中に特別な場所を持っており、新しいデザインや改善の可能性について

今後のCPV成功のために注意が必要な点についての私の考えは次のとおりです:

• モジュールの重量を減らすことは重大である

それが同じ精密および費用のためのより大きい追跡者を可能にするのでそれ以上の性能を押すことを忘れて、モジュールの重量は操業コストの減少に関してははるかに最も重要な変数である。 より多くのモジュールは同じ維持のための全体的な単位ごとのより多くの収入を意味したり、また更に自動化された維持(クリーニング)が有効な費用であ

これは難しい作業ではなく、重みは以前の世代からあまり最適化されたパラメータではなかったからです。 私は個人的に一般的なCPVモジュールの平均40-45kg/m2と比較して10kg/m2以下の重量を量る設計を開発しました。

• フレネルレンズの使用は行き止まりです

それらの背後にあるアイデアは信じられないほどエレガントですが、それは精密な太陽集中のために使用されるときに致命的な欠陥に苦しんでいます。 まず、デザインは本当に効果的であるために完璧でなければなりません: プラスチック成形で発生する丸めなど、エッジの鋭さに妥協すると、性能が大幅に低下します。

そして、フレネルレンズはポインティングエラーに非常に敏感であり、太陽の光線は固有の+/-0.5°の角度発散を持ち、誤差を追跡するためのわずかな+/-0.1°の余地しか残さない。 このような精度で追跡することは、この種の光学系を使用する技術のメンテナンスコストの主要な原因の一つです。

• 反射光学は古典的な”望遠鏡の設計”から進化するはずです”

反射光学は、最初の不格好な一見にもかかわらず、フレネルレンズの限定に、通常+/-1°より多くの大きい追跡の間違いに対処してもいい大いにより低 唯一の欠点は、”カセグレン望遠鏡”をベースにした現在の設計は、非常に高い製造コストで翻訳する標準的な技術では容易に大量生産されないことです

製造コストの改善は、集中能力だけを維持するために画像形成を取り除くより多くの”変形”設計を使用することで行うことができ、可能性は非常に大きく、私は自分自身に生産コストを10以上削減できる設計を作成しました。

• 水の消費量が非常に少ない自動洗浄の使用

前に説明したように、CPVは水の利用が通常非常に乏しい特に過酷な場所では本当に輝いています。 新しいものを開発するよりもむしろ既存の建物の窓クリーニングの技術を使用して非常に経済的なクリーニングシステムを加えることはキーである

結論

この技術はまだ標準的なPVシステムを上回る可能性があるため、CPVの明らかな終焉は後退に過ぎないかもしれません。 今、ほこりが必死の価格ダンピングの時間の後に定住していることを、CPVは、地球温暖化と戦うための耐久性のあるツールとして大きな役割を果たし

あなたが太陽エネルギーの未来が何であるかを教えて、ennomotiveが提供しているものを探ります。