przyszłość energii słonecznej: wysoko skoncentrowane ogniwa fotowoltaiczne (CPV)

Autor: Olivier Loidi

w sierpniu 2018 r.firma ennomotive uruchomiła wyzwanie dla gospodarki o obiegu zamkniętym, aby znaleźć sposoby na ponowne wykorzystanie materiałów odpadowych znalezionych w kopalniach.

przez 6 tygodni 74 inżynierów z 30 krajów przyjęło wyzwanie i przedstawiło różne rozwiązania. Po dokładnej ocenie rozwiązania, które najlepiej spełniały kryteria oceny, zostały przedstawione przez Cliffa Edwardsa z Kanady i Olivera Loidiego z Francji.

ennomotive poprosił Oliviera o napisanie artykułu na temat, który lubi.oto jego poglądy na przyszłość energii słonecznej i wysoko skoncentrowanej fotowoltaiki.

energia słoneczna jest kluczem do ograniczenia globalnego ocieplenia, naprawdę w to wierzę. W rzeczywistości dziesięć lat temu aktywnie pracowałem w tej dziedzinie, a szczególnie w polu fotowoltaicznym o wysokim stężeniu (CPV). Wtedy był postrzegany jako prawdziwy konkurent dla standardowych paneli fotowoltaicznych, ale lata agresywnego dumpingu cenowego poważnie osłabiły jego rozwój.

krótkoterminowe podejście do “niskiego kosztu kapitału/niskiej żywotności” standardowego fotowoltaiki wydaje się być znacznie bardziej kuszące niż mądrzejsza ścieżka “umiarkowanego kosztu początkowego/długiej żywotności”, nawet przy ponad dwukrotnie większej wydajności.

teraz, gdy standardowe panele słoneczne zaczynają konkurować korzystnie z węgla i gazu, a firmy CPV nadal walczą o przetrwanie, łatwo można stwierdzić, że mecz już się skończył. Jednak badania nadal trwają, aby zmniejszyć lukę w kosztach kapitałowych, a jeśli próg zostanie osiągnięty, może utorować drogę do masowego powrotu CPV.

w tym artykule postaram się wyjaśnić zalety i wady technologii CPV wraz z moimi osobistymi poglądami na to, co należy poprawić, aby odnieść sukces.

co to jest fotowoltaika o wysokim stężeniu?

zasada CPV polega na skupieniu światła słonecznego na niezwykle wydajnym ogniwie słonecznym, które w przeciwnym razie byłoby zbyt drogie do bezpośredniego użycia.

te wyjątkowo wytrzymałe ogniwa słoneczne, zwykle wykonane do zastosowań kosmicznych lub wojskowych, mogą obsługiwać stosunek stężenia tysiąca lub więcej i nadal być prawie trzy razy bardziej wydajne niż tradycyjne ogniwo fotowoltaiczne wykonane z krzemu (Si-Pv).

to podejście ma swoje wady: musi być bezpośrednio zorientowane na słońce i wyposażone w skoncentrowaną optykę.

rodzaje optyki

• :

można użyć soczewek powiększających, ale najczęściej używana jest bardziej elegancka konstrukcja soczewki Fresnela.

• odblaskowe:

polega na skupieniu światła słonecznego za pomocą luster Zwykle o parabolicznym kształcie. Istnieją systemy wykorzystujące jedno odbicie, jednak najbardziej popularna konstrukcja pochodzi z teleskopu Cassegraina, który umożliwia mniej skomplikowane rozmieszczenie ogniw słonecznych.

zalety CPV w porównaniu z normalnymi panelami słonecznymi

• wydajność

najlepsze komercyjne krzemowe ogniwa słoneczne osiągają wydajność 21% podczas gdy ogniwa z wieloma połączeniami stosowane w CPV mogą osiągnąć 46% i nadal się poprawiają, tę lukę w wydajności można zaobserwować na poziomie modułu nawet przy wysokich stratach optycznych dla CPV.

• bardzo stabilna wydajność w wysokiej temperaturze

wydajność krzemowych ogniw słonecznych jest bardzo wrażliwa na temperaturę o współczynniku temperaturowym około -0.5% na °C, co oznacza, że na każdy stopień powyżej 25° (lub 20°C w zależności od producenta) traci 0,5% wydajności.

nie wydaje się to zbyt wiele, ale latem rzadko zdarza się, że osiąga 80°C (tak jak w samochodzie narażonym na słońce), co obniżyłoby wydajność najwyższej jakości panelu z 19% do tylko 14%!

natomiast ogniwa słoneczne CPV są wykonane z materiałów o bardzo niskim współczynniku temperaturowym około -0,05% / °c z najlepszym osiągnięciem -0,01% / °c, co jest prawie 10-50 razy lepsze niż krzemowe ogniwa słoneczne! Dzięki temu ogniwo CPV może pracować w bardzo wysokiej temperaturze (100°C lub więcej) bez problemów.

• Bardzo dobra trwałość

we wszystkich systemach przemysłowych aktywne komponenty są najbardziej narażone na awarię lub degradację, a PV nie stanowi wyjątku. W tradycyjnych Si-Pv aktywne komponenty (ogniwo słoneczne) stanowią prawie 100% odsłoniętej powierzchni oprócz komponentów elektronicznych (Diody obejściowe), więc ryzyko awarii lub degradacji jest prawdziwym problemem.

co gorsza, ogromna konkurencja cenowa uniemożliwia stosowanie bardzo wysokiej jakości komponentów, które przekładają się na słabą długoterminową wydajność, szczególnie w bardzo gorącym klimacie, który ma również duży potencjał słoneczny. Na przykład przezroczyste Tworzywa sztuczne (EVA) stosowane do hermetyzacji i klejenia przedniej szyby są poddawane żółknięciu z powodu cykli termicznych, typowa szybkość degradacji wynosi 0,5% rocznie w umiarkowanym środowisku do 3% rocznie w gorących miejscach.

ogniwa słoneczne CPV pochodzą z zastosowań kosmicznych i wojskowych i są praktycznie odporne na uszkodzenia termiczne lub radiacyjne, a także koncentracja pozwala na użycie najwyższej jakości komponentów elektronicznych, ponieważ ich liczba jest również zmniejszona. Ponieważ technologia jest stosunkowo młoda, długoterminowa wydajność CPV nie istnieje per se, ale zwroty podobnych technologii opartych na zastosowaniach wojskowych lub kosmicznych wydają się wskazywać na bardzo stabilną wydajność nawet po 20 latach eksploatacji. Wszystkie inne odsłonięte powierzchnie mogą być wykonane z materiałów nieorganicznych (szkło, Aluminium), które nie ulegają degradacji w czasie.

• potencjalne podwójne wykorzystanie ziemi

Duże trackery mogą być wystarczająco wysokie, aby umożliwić siedlisko lub uprawy pod nim.

• łatwo nadaje się do recyklingu

Moduły CPV demontaż jest łatwiejszy, ponieważ elementy konstytutywne można łatwo rozdzielić i składają się głównie z materiału nieorganicznego, który można w pełni poddać recyklingowi. Przeciwnie, ogniwa SI-PV i rama są całkowicie połączone ze złożonymi fluorowanymi tworzywami sztucznymi, które wymagają zaawansowanego kruszenia i obróbki cieplnej w celu częściowego recyklingu.

dlaczego CPV nie powiodło się do tej pory?

• wyższy początkowy koszt kapitału

CPV może być bardziej opłacalny na dłuższą metę, ale ta zaleta nie jest wystarczająco duża, aby zrównoważyć znacznie wyższe koszty inwestycyjne dla instalacji, które mogą być od 2,5 do 4 razy wyższe niż w przypadku tradycyjnej technologii SI-PV.

Uwaga CSP to wytwarzanie energii elektrycznej poprzez koncentrację termiczną słońca

• wyższa potrzeba konserwacji

wysoka precyzja śledzenia słońca (do 0.Dokładność kątowa 1°) wymaga stałej uwagi od dedykowanego personelu. Ponadto mycie paneli może być trudniejsze ze względu na wysokość trackerów.

• chmury pogarszają wydajność

CPV może pracować tylko przy bezpośrednim nasłonecznieniu, dlatego nie może działać przez cały czas. CPV jest zwykle przeznaczony do instalacji w słonecznym miejscu z ponad 80% pogodnych dni w roku. Jako odniesienie, CPV może działać tylko wtedy, gdy obecne są ostre cienie, co jest znakiem, że światło słoneczne pochodzi głównie z jednego kierunku.

• niska gęstość zajmowania ziemi

aby uniknąć efektów cieniowania rano lub wieczorem, nadajniki muszą być umieszczone w odległości kilku metrów od siebie. Wynikająca z tego okupacja ziemi sięga tylko około 50%, co jest tylko częściowo kompensowane przez 25% energii słonecznej oferowanej przez śledzenie. W związku z tym CPV jest opłacalne na tanich gruntach lub jeśli ma być zainstalowany tylko jeden tracker.

• technologia jest wciąż młoda

mimo, że dojrzewa dość szybko, CPV cierpi z powodu braku dedykowanego łańcucha dostaw, co zmusiło każdą firmę do samodzielnego opracowania i produkcji większości komponentów (modułów trackerów itp..).

ogniwa były na początku zbyt duże, co przekładało się na duże potrzeby rozpraszania (większe ogniwa generują wyższe temperatury) i większe cięższe moduły, co przekładało się na dodatkowe koszty operacyjne.

w tym samym czasie przemysł fotowoltaiczny doświadczył ogromnego spadku cen o ponad 80%, pochodzącego z subsydiowanych gałęzi przemysłu, które mogłyby sprzedawać produkty z niewielką lub zerową rentownością w celu uzyskania udziału w rynku.

dlaczego CPV ma potencjał, aby odnieść sukces w przyszłości

• komórki CPV są coraz lepsze, mniejsze i tańsze

wiele ogniw połączeniowych stosowanych w CPV korzyści z niedawnego wzrostu przemysłu LED, ponieważ sprzęt do produkcji jest prawie taki sam. Ponieważ wiele reaktorów LED można doposażyć w CPV, cena zaczęła spadać znacznie szybciej niż wcześniej.

dzięki automatycznemu rozmieszczaniu pierwotnie opracowanemu Dla diod LED, produkcja bardzo małych ogniw jest możliwa z dużą prędkością przy bardzo niskich błędach produkcyjnych. Standardowe rozmiary mogą być 25 razy mniejsze niż 10 lat temu (4 mm2 vs 100), obniżając cenę modułu, ponieważ ogniwa o małej powierzchni łatwiej rozpraszają ciepło.

• spadek cen modułów SI-PV opóźnia się

teraz, gdy kurz opadł po wojnie handlowej PV, ceny modułów Si-Pv osiągnęły plateau, podczas gdy CPV ma nadal ogromny potencjał spadku cen.

• Pozostałe dostępne lokalizacje są bardziej wymagające

instalacja fotowoltaiczna w umiarkowanym klimacie jest coraz bardziej konkurencyjnym środowiskiem, więc nowy wzrost energii słonecznej musi pochodzić z trudniejszych lokalizacji.

miejsca o największym potencjale energii słonecznej, takie jak pustynie, również są najcięższe. Standardowe elementy paneli fotowoltaicznych mają trudny czas radzenia sobie z cyklem termicznym noc/dzień, co skutkuje znacznie niższą wydajnością w porównaniu do tych zainstalowanych w klimacie umiarkowanym.

co moim zdaniem należy poprawić, aby CPV odniosło sukces

jak powiedziałem na początku, CPV ma szczególne miejsce w moim sercu i nigdy nie przestałem myśleć o nowych projektach lub możliwych ulepszeniach.

oto moje przemyślenia, które punkty wymagają uwagi dla przyszłego sukcesu CPV:

• zmniejszenie masy modułu ma kluczowe znaczenie

zapomnij o zwiększaniu wydajności, waga modułu jest zdecydowanie najważniejszym parametrem, jeśli chodzi o redukcję kosztów operacyjnych, ponieważ pozwala na większy tracker dla tej samej precyzji i kosztów. Większa liczba modułów oznacza większe przychody na jednostkę globalną przy tej samej konserwacji, a nawet pozwala na oszczędność kosztów zautomatyzowanej konserwacji (czyszczenia), co zmniejsza liczbę potrzebnych pracowników.

nie jest to trudne zadanie, ponieważ waga nie była parametrem znacznie zoptymalizowanym od wcześniejszych pokoleń. Osobiście opracowałem projekty o wadze poniżej 10 kg / m2 w porównaniu ze średnimi 40-45 kg/m2 popularnych modułów CPV.

• zastosowanie soczewek Fresnela optic to ślepy zaułek

idea za nimi jest niesamowicie elegancka, ale cierpi na fatalne wady, gdy jest używana do precyzyjnej koncentracji słońca. Po pierwsze, projekt musi być doskonały, aby był naprawdę skuteczny: każdy kompromis w Ostrości krawędzi, taki jak zaokrąglenie, które występuje przy formowaniu z tworzywa sztucznego, powoduje dużą wydajność degradacji.

następnie soczewki Fresnela są bardzo wrażliwe na błędy celowania, promienie słoneczne mają nieodłączną rozbieżność kątową +/ – 0,5°, która pozostawia tylko minuskułowe +/ – 0,1° miejsce na błędy śledzenia. Śledzenie z taką precyzją jest jednym z głównych źródeł kosztów utrzymania technologii wykorzystujących ten rodzaj optyki.

• Optyka Odblaskowa powinna ewoluować od klasycznej “konstrukcji teleskopu”

Optyka refleksyjna, pomimo początkowego wyglądu, nie cierpi z powodu ograniczeń soczewek Fresnela, zazwyczaj radzą sobie z dużymi błędami śledzenia powyżej +/- 1°, co pozwala znacznie obniżyć koszty konserwacji. Jedyną wadą jest to, że obecne projekty oparte na ” teleskopie Cassegraina “nie są łatwo produkowane masowo przy użyciu standardowych technologii, które przekładają się na bardzo wysokie koszty produkcji

Poprawa kosztów produkcji może być wykonana przy użyciu bardziej” zdeformowanych ” projektów, które pozbywają się tworzenia obrazu, aby zachować tylko zdolność koncentracji, możliwości są bardzo duże i stworzyłem sobie projekt, który może obniżyć koszty produkcji o 10 lub więcej.

• zastosowanie automatycznego czyszczenia przy bardzo niskim zużyciu wody

jak wyjaśniono wcześniej, CPV naprawdę świeci w szczególnie trudnych miejscach, gdzie dostępność wody jest zwykle bardzo ograniczona. Dodanie bardzo ekonomicznego systemu czyszczenia jest niezbędne, kluczem może być wykorzystanie istniejących technologii mycia okien w budynku, a nie opracowywanie nowych.

wniosek

pozorny upadek CPV może być tylko niepowodzeniem, ponieważ ta technologia nadal ma potencjał, aby przewyższyć standardowe systemy fotowoltaiczne. Teraz, gdy kurz opadł po czasach szalonego dumpingu cenowego, CPV może odgrywać wielką rolę jako trwałe narzędzie walki z globalnym ociepleniem.

powiedz nam, jaka jest przyszłość energii słonecznej i odkryj, co ennomotive ma do zaoferowania.