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

geschreven door Olivier Loidi

gedurende 6 weken hebben 74 ingenieurs uit 30 landen de uitdaging aanvaard en verschillende oplossingen voorgelegd. Na een grondige evaluatie werden de oplossingen die het best voldeden aan de evaluatiecriteria ingediend door Cliff Edwards, uit Canada, en Oliver Loidi, uit Frankrijk.Ennomotive vroeg Olivier om een artikel te schrijven over een onderwerp dat hij leuk vindt en hier zijn zijn opvattingen over de toekomst van zonne-energie en de hoge concentratie fotovoltaïsche zonne-energie.

zonne-energie is de sleutel tot het beteugelen van de opwarming van de aarde, dat geloof ik echt. Eigenlijk was ik tien jaar geleden actief op dit gebied en vooral in het hoge concentratie fotovoltaïsche veld (CPV). Destijds werd hij gezien als een echte concurrent voor standaard PV-panelen, maar jaren van agressieve prijsdumping hebben de ontwikkeling ervan ernstig ondermijnd.

de korte – termijnbenadering van “lage kapitaalkosten / lage levensduur” van standaard PV lijkt veel verleidelijker dan de wijzere “gematigde initiële kosten/lange levensduur”, zelfs met meer dan het dubbele van de efficiëntie.

nu standaard zonnepanelen gunstig beginnen te concurreren met kolen en gas en CPV-bedrijven nog steeds worstelen om te overleven, kan gemakkelijk worden geconcludeerd dat de wedstrijd al voorbij is. Het onderzoek is echter nog steeds sterk bezig om de kapitaalkostenkloof te verkleinen en, als de drempel wordt bereikt, de weg te effenen voor een massale comeback voor CPV.

In dit artikel zal ik proberen de voors en tegens van de CPV-technologieën uit te leggen, samen met mijn persoonlijke opvattingen over wat moet worden verbeterd om het succesvol te maken.

Wat is fotovoltaïsch met hoge concentratie?Het principe van CPV is om zonlicht te concentreren op een uiterst efficiënte zonnecel die anders te duur zou zijn om direct te gebruiken.

deze uitzonderlijke robuuste zonnecellen, meestal gemaakt voor ruimte-of militaire toepassingen, kunnen een concentratieverhouding van duizend of meer aan en zijn nog steeds bijna drie keer efficiënter dan een traditionele PV-cel gemaakt van silicium (Si-Pv).

deze benadering heeft zijn eigen nadelen: ze moet direct op de zon gericht zijn en uitgerust zijn met concentrerende optica.

typen optica

• Transmissief:

vergrotende lenzen kunnen worden gebruikt, maar de meer elegante Fresnel lens ontwerp is de meest gebruikte.

• reflecterend:

het gaat om het concentreren van zonlicht met spiegels meestal met een parabolische vorm. Systemen met één reflectie bestaan wel, maar het meest populaire ontwerp is afgeleid van de Cassegrain telescoop, die minder complexe plaatsing van zonnecellen mogelijk maakt.

voordelen van CPV ten opzichte van normale zonnepanelen

• efficiëntie

de beste commerciële silicium zonnecellen toppen bij een rendement van 21% terwijl voor CPV gebruikte cellen met meerdere aansluitingen 46% kunnen bereiken en nog steeds aan het verbeteren zijn, kan deze prestatiekloof worden waargenomen op moduleniveau, zelfs bij hoge optische verliezen voor CPV.

• zeer stabiele prestaties bij hoge temperatuur

de prestaties van silicium-zonnecellen zijn zeer temperatuurgevoelig met een temperatuurcoëfficiënt van ongeveer -0.5% per °c, wat betekent dat voor elke graad boven 25° (of 20°C afhankelijk van de fabrikant) het verliest 0,5% van de prestaties.

dit lijkt niet veel, maar in de zomer komt het niet zelden voor dat het 80°C bereikt (net als in een zonovergoten auto), wat de prestaties van een topkwaliteit paneel zou verlagen van 19% tot slechts 14%!

daarentegen zijn CPV-zonnecellen gemaakt van materialen met een zeer lage temperatuurcoëfficiënt van ongeveer -0,05%/°C, waarbij de beste -0,01%/°C bereiken, wat bijna 10-50 keer beter is dan silicium-zonnecellen! Hierdoor kan CPV-cel werken bij zeer hoge temperatuur (100°C of meer) zonder problemen.

• zeer goede duurzaamheid

in alle industriële systemen zijn de actieve componenten het meest waarschijnlijk defect of afgebroken en maakt PV geen uitzondering. In traditionele Si-Pv vertegenwoordigen de actieve componenten (zonnecel) bijna 100% van het blootgestelde oppervlak, naast elektronische componenten (bypass diodes), dus een kans op falen of afbraak is een reëel probleem. Tot overmaat van ramp verhindert de enorme prijsconcurrentie het gebruik van componenten van zeer hoge kwaliteit, die zich vertalen in slechte prestaties op lange termijn, vooral in zeer warme klimaten, die ook een groot zonnepotentieel hebben. Bijvoorbeeld, transparante kunststoffen (EVA) gebruikt voor inkapseling en lijmen van het voorglas worden onderworpen aan vergeling als gevolg van thermische cycli, typische degradatiesnelheid is 0,5% per jaar in een gematigde omgeving tot 3%/jaar op warme locaties.

CPV zonnecellen zijn afgeleid van ruimte-en militaire toepassingen en zijn vrijwel immuun voor thermische of stralingsschade. Aangezien de technologie relatief jong is, bestaat er op lange termijn geen CPV-prestatie op zich, maar het rendement van soortgelijke technologieën op basis van militaire of ruimtetoepassingen lijkt te wijzen op een zeer stabiele prestatie, zelfs na 20 jaar gebruik. Alle andere blootgestelde oppervlakken kunnen worden gemaakt van anorganische materialen (glas, Aluminium) die na verloop van tijd niet afbreken.

• potentieel dubbel gebruik van de grond

Grote trackers kunnen hoog genoeg zijn om bewoning of gewassen eronder mogelijk te maken.

• gemakkelijk recycleerbaar

CPV-modules demontage is gemakkelijker omdat de samenstellende elementen gemakkelijk scheidbaar zijn en meestal bestaan uit anorganisch materiaal dat volledig kan worden gerecycleerd. Integendeel, SI-PV-cellen en-frames zijn volledig gebonden aan complexe gefluoreerde kunststoffen, wat geavanceerde verbrijzeling en thermische behandeling voor gedeeltelijke recycling vereist.

Waarom is CPV tot nu toe mislukt?

• hogere initiële kapitaalkosten

CPV kunnen op lange termijn winstgevender zijn, maar dit voordeel is niet groot genoeg om de veel hogere investeringen in kapitaalkosten voor de installatie te compenseren, die 2,5 tot 4 keer hoger kunnen zijn dan voor de traditionele SI-PV-technologie.

opmerking CSP is elektriciteitsopwekking via thermische zonneconcentratie

• hogere onderhoudsbehoefte

hoge precisie volgen van de zon (tot 0.1 ° hoekprecisie) heeft constante aandacht van toegewijd personeel nodig. Ook kan het wassen van de panelen moeilijker zijn door de hoogte van de trackers.

• wolken degraderen prestaties

CPV kan alleen werken met direct zonlicht, daarom kan het niet altijd werken. CPV is meestal bedoeld om te worden geïnstalleerd op een zonnige locatie met meer dan 80% van heldere dagen per jaar. Als referentie kan CPV alleen werken als er scherpe schaduwen aanwezig zijn, wat het teken is dat zonlicht voornamelijk uit één richting komt.

• lage grondbezettingsdichtheid

om schaduweffecten ‘s morgens of’ s avonds te voorkomen, moeten trackers enkele meters van elkaar worden geplaatst. De resulterende landbezetting bedraagt slechts ongeveer 50%, dat wordt slechts gedeeltelijk gecompenseerd door de 25% zonne-energie die wordt geboden door tracking. Bijgevolg is CPV levensvatbaar op goedkope grond of als er slechts één tracker moet worden geïnstalleerd.

• de technologie is nog jong

hoewel ze vrij snel rijpt, leed CPV onder een gebrek aan specifieke toeleveringsketen, waardoor elk bedrijf de meeste componenten (trackermodules, enz.) zelf moest ontwikkelen en produceren..).

cellen waren in het begin te groot, wat zich vertaalde in hoge dissipatiebehoeften (grotere cellen genereren hogere temperaturen) en grotere zwaardere modules die zich vertaalden in extra bedrijfskosten.

tegelijkertijd kende de PV-industrie een enorme prijsdaling van meer dan 80%, afkomstig van gesubsidieerde industrieën die producten konden verkopen met weinig tot geen winstgevendheid met als doel de aandelenmarkt te winnen.

waarom CPV het potentieel heeft om in de toekomst te slagen

• CPV-cellen worden steeds beter, kleiner en goedkoper

Multiple junction-cellen gebruikt in CPV profiteren van de recente opkomst van de LED-industrie, aangezien de fabricageapparatuur bijna hetzelfde is. Omdat veel LED-reactoren achteraf kunnen worden geïnstalleerd voor CPV, begon de prijs veel sneller te dalen dan voorheen.

met de automatische plaatsing die oorspronkelijk voor LED werd ontwikkeld, is de fabricage van uiterst kleine celontwerpen mogelijk bij hoge snelheid met zeer geringe fabricagefouten. Standaardmaten kunnen 25 keer kleiner zijn dan 10 jaar geleden (4mm2 vs 100), waardoor de moduleprijs daalt omdat kleine voetafdruk-cellen warmte gemakkelijker afvoeren.

• de prijsdaling van SI-PV-modules is aan het stagneren

nu het stof na de PV-handelsoorlog is neergedaald, hebben de prijzen van Si-Pv-modules een plateau bereikt, terwijl de CPV nog steeds een enorme prijsdaling mogelijk maakt.

• de resterende beschikbare locaties zijn veeleisender

PV-installatie in een gematigd klimaat is een meer en meer concurrerende omgeving, dus nieuwe zonne-energie groei moet komen van hardere locaties.

plaatsen met het hoogste zonne-energiepotentieel, zoals woestijnen, zijn ook de zwaarste. Standaard PV panelen componenten hebben een moeilijke tijd omgaan met de bijna/dag thermische cycli, wat resulteert in een veel lagere efficiëntie in vergelijking met die geïnstalleerd in gematigde klimaten.

wat ik denk dat verbeterd moet worden om CPV succesvol te laten zijn

zoals ik in het begin al zei, CPV heeft een speciale plaats in mijn hart en ik ben nooit gestopt met denken over nieuwe ontwerpen of mogelijke verbeteringen.

hier zijn mijn gedachten over welke punten aandacht nodig hebben voor toekomstig succes CPV:

• het verminderen van het gewicht van de module is cruciaal

vergeet de prestaties verder te duwen, het gewicht van de module is veruit een belangrijkste parameter als het gaat om het verlagen van de bedrijfskosten, simpelweg omdat het een grotere tracker voor dezelfde precisie en kosten mogelijk maakt. Meer modules betekenen meer inkomsten per wereldwijde eenheid voor hetzelfde onderhoud, of maken het zelfs mogelijk om geautomatiseerd onderhoud (reiniging) kostenefficiënt te laten zijn, waardoor het benodigde personeel verder wordt verminderd.

dit is geen moeilijke taak, aangezien het gewicht sinds de vorige generaties niet veel geoptimaliseerd is. Ik heb zelf ontwerpen ontwikkeld die minder dan 10kg/m2 wegen in vergelijking met de gemiddelde 40-45 kg/m2 aan gangbare CPV modules.

• het gebruik van Fresnel-lenzen optisch is een doodlopende weg

het idee erachter is ongelooflijk elegant, maar het lijdt aan fatale gebreken wanneer het wordt gebruikt voor precisie zonneconcentratie. Ten eerste moet het ontwerp perfect zijn om echt effectief te zijn: elk compromis in de scherpte van de randen, zoals de afronding die optreedt bij plastic gieten, veroorzaakt grote degradatieprestaties.

dan zijn Fresnellenzen zeer gevoelig voor richtfouten, de zonnestralen hebben een inherente hoekdivergentie van +/-0,5°, waardoor slechts een minuscule +/-0,1° ruimte overblijft voor volgfouten. Tracking met een dergelijke precisie is een van de belangrijkste bronnen van onderhoudskosten voor technologieën met behulp van dit soort optica.

• reflecterende optica moeten evolueren vanuit het klassieke telescoopontwerp”

reflecterende optica, ondanks hun eerste onhandig uiterlijk, heeft geen last van de beperkingen van Fresnel lenzen, ze kunnen meestal omgaan met grote tracking fouten van meer dan +/- 1° waardoor veel lagere onderhoudskosten. Het enige nadeel is dat de huidige ontwerpen op basis van de “Cassegrain telescope” niet gemakkelijk in massa worden geproduceerd met standaardtechnologieën die zich vertalen in zeer hoge fabricagekosten

verbetering van de fabricagekosten kan worden gedaan met het gebruik van meer “vervormde” ontwerpen die zich ontdoen van de beeldvorming om alleen de concentratiecapaciteit te behouden, de mogelijkheden zijn zeer groot en ik heb zelf een ontwerp gemaakt dat de productiekosten met 10 of meer kan verlagen.

• gebruik van geautomatiseerde reiniging met een zeer laag waterverbruik

zoals eerder uitgelegd, schijnt CPV echt op bijzonder ruwe locaties waar de beschikbaarheid van water meestal zeer schaars is. Het toevoegen van een zeer zuinig reinigingssysteem is essentieel, het gebruik van bestaande glazenreinigingstechnologieën in plaats van het ontwikkelen van nieuwe technologieën zou de sleutel kunnen zijn.

conclusie

de schijnbare ondergang van de CPV kan slechts een tegenslag zijn, aangezien deze technologie nog steeds het potentieel heeft om beter te presteren dan standaard PV-systemen. Nu het stof is neergedaald na tijden van hectische prijsdumping, kan CPV een grote rol spelen als een duurzaam instrument om de opwarming van de aarde te bestrijden.

vertel ons wat u denkt dat de toekomst van zonne-energie is en ontdek wat ennomotive te bieden heeft.