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

Written by Olivier Loidi

In August 2018, ennomotive launched a circular economy challenge to find ways to repurpose waste materials found in mine tailings. Durante 6 semanas, 74 engenheiros de 30 países aceitaram o desafio e apresentaram diferentes soluções. Após uma avaliação completa, as soluções que melhor atenderam aos critérios de avaliação foram apresentadas por Cliff Edwards, do Canadá, e Oliver Loidi, da França.Ennomotive pediu a Olivier para escrever um artigo sobre um tema que ele gosta e aqui estão suas opiniões sobre o futuro da energia solar e a alta concentração fotovoltaica.A energia Solar é a chave para conter o aquecimento global. Com efeito, há dez anos, trabalhei activamente neste domínio e, sobretudo, no campo fotovoltaico de alta concentração (CPV). Na altura, era considerado um verdadeiro concorrente dos painéis fotovoltaicos normalizados, mas anos de dumping agressivo dos preços prejudicaram seriamente a sua evolução.

a abordagem de curto prazo de “baixo custo de capital/baixo tempo de vida” do PV padrão parece ser muito mais tentadora do que o caminho mais sábio “custo inicial moderado/longo tempo de vida”, mesmo com mais do dobro da eficiência.

agora que os painéis solares padrão começam a competir favoravelmente com as empresas de carvão e gás e CPV ainda lutando para sobreviver, pode ser fácil concluir que o jogo já acabou. No entanto, a investigação continua a ser forte para reduzir o défice de custos de capital e, se o limiar for atingido, poderá abrir caminho a um regresso maciço do CPV.

neste artigo, vou tentar explicar os prós e contras das tecnologias CPV, juntamente com meus pontos de vista pessoais do que deve ser melhorado para torná-lo bem sucedido.

o que é a alta concentração fotovoltaica?

o princípio do CPV é focar a luz solar em uma célula solar extremamente de alta eficiência que seria de outra forma muito caro para usar diretamente.

estas excecionais células solares robustas, geralmente feitas para aplicações espaciais ou militares, podem lidar com uma razão de concentração de mil ou mais e ainda ser quase três vezes mais eficiente do que uma célula fotovoltaica tradicional feita de silício (Si-Pv).

esta abordagem tem seus próprios inconvenientes: ela precisa ser diretamente orientada para o sol e equipada com óptica concentrada.

tipos de óptica

• :

lentes de ampliação podem ser usadas, mas o design mais elegante de lentes Fresnel é o mais usado.

• reflector:

envolve a concentração da luz solar com espelhos normalmente com uma forma parabólica. Sistemas usando uma reflexão existem, mas o design mais popular é derivado do telescópio Cassegrain, que permite colocação de células solares menos complexas.

Vantagens do CPV mais normal painéis solares

• Eficiência

O melhor comercial de células solares de silício tops em 21% de eficiência, enquanto várias junções de células utilizadas para CPV pode chegar a 46% e ainda melhorar, esta diferença no desempenho pode ser observado no nível de módulo, mesmo com a óptica de alta perdas para o CPV.

• desempenho muito estável sob alta temperatura

o desempenho das células solares de silício é muito sensível à temperatura com um coeficiente de temperatura de cerca de -0.5% por °C, O que significa que para cada grau acima de 25° (ou 20°C dependendo do fabricante) perde 0,5% do desempenho.

isto não parece ser muito, mas, no verão, não é raro para ele chegar a 80 ° C (assim como em um carro exposto ao sol) que iria degradar o desempenho de um painel de alta qualidade de 19% para apenas 14%!

em contraste, as células solares de CPV são feitas de materiais com um coeficiente de temperatura muito baixa de cerca de -0,05%/°C, com a melhor atingindo -0,01%/°C, que é quase 10-50 vezes melhor do que as células solares de silício! Isto permite que a célula CPV opere a temperatura muito alta (100°C ou mais) sem problemas.

• Muito boa durabilidade

Em todos os sistemas industriais, os componentes ativos são os mais propensos a falhar ou degradar e PV não faz exceção. Em Si-Pv tradicional, os componentes ativos (células solares) representam quase 100% da superfície exposta, além de componentes eletrônicos (diodos de derivação), então uma chance de falha ou degradação é um problema real.

para piorar as coisas, a enorme competição de preços impede o uso de componentes de alta qualidade que se traduzem em fraco desempenho a longo prazo, especialmente em climas muito quentes que também têm grande potencial solar. Por exemplo, plásticos transparentes (EVA) usados para encapsulação e colagem do vidro frontal são submetidos a amarelecimento devido ao ciclismo térmico, taxa de degradação típica é de 0,5% por ano em um ambiente temperado até 3%/ano em locais quentes.

células solares de CPV são derivadas de aplicações espaciais e militares e são virtualmente imunes a danos térmicos ou de radiação também a concentração permite o uso de componentes eletrônicos premium como seus números também são reduzidos. Como a tecnologia é relativamente jovem, o desempenho a longo prazo CPV não existe per se, mas retornos de tecnologias semelhantes baseadas em aplicações militares ou espaciais parecem indicar um desempenho muito estável, mesmo após 20 anos de operação. Todas as outras superfícies expostas podem ser feitas de materiais inorgânicos (vidro, alumínio) que não se degradam ao longo do tempo.

• potencial uso duplo da terra

grandes rastreadores podem ser altos o suficiente para permitir a habitação ou culturas debaixo dela.

• Facilmente reciclável

CPV módulos de desmontagem é mais fácil porque os elementos constitutivos são facilmente separáveis e composta na maior parte por material inorgânico que pode ser totalmente reciclado. Pelo contrário, as células SI-PV e a estrutura estão completamente ligadas a Plásticos complexos fluorados, o que exige uma trituração avançada e um tratamento térmico para reciclagem parcial.

Por que o CPV falhou até agora?

• custo inicial de capital mais elevado

CPV pode ser mais rentável a longo prazo, mas esta vantagem não é suficientemente grande para compensar o investimento de custos de capital muito mais elevado para a instalação, que pode ir de 2,5 a 4 vezes mais elevado do que para a tecnologia SI-PV tradicional.

Nota: CSP é a geração de eletricidade através da concentração solar térmica

• maior necessidade de manutenção

rastreamento de alta precisão do sol (até 0.1° de precisão angular) precisa de atenção constante do pessoal dedicado. Além disso, a lavagem dos painéis pode ser mais difícil devido à altura dos rastreadores.

• as nuvens degradam o desempenho

CPV só pode trabalhar com luz solar direta, portanto, não pode operar o tempo todo. CPV é geralmente destinado a ser instalado em um local ensolarado com mais de 80% dos dias claros por ano. Como referência, o CPV só pode funcionar se estiverem presentes sombras vivas, que é o sinal de que a luz solar vem principalmente de uma direção.

• baixa densidade de ocupação da terra

para evitar efeitos de sombra na manhã ou à noite, os rastreadores devem ser colocados alguns metros de distância. A ocupação da terra resultante atinge apenas cerca de 50%, que é apenas parcialmente compensada pelos 25% de energia solar oferecida pelo rastreamento. Em consequência, o CPV é viável em terrenos de baixo custo ou se apenas for instalado um localizador.

• a tecnologia ainda é jovem

embora esteja amadurecendo muito rápido, CPV sofreu de uma falta de cadeia de fornecimento dedicada, que forçou todas as empresas a desenvolver e produzir a maioria dos componentes (módulos de rastreadores, etc..).

as células eram demasiado grandes no início, o que se traduziu em elevadas necessidades de dissipação (as células maiores geram temperaturas mais elevadas) e módulos mais pesados que se traduziam em custos operacionais adicionais.Ao mesmo tempo, a indústria fotovoltaica experimentou uma queda massiva de preços de mais de 80% provenientes de indústrias subsidiadas que poderiam vender produtos com pouca ou nenhuma rentabilidade com o objetivo de ganhar mercado de ações.

Por que as células CPV têm o potencial de sucesso no futuro

• as células CPV estão ficando melhores, menores e mais baratas

múltiplas células de junção utilizadas em CPV benefício do recente aumento da indústria LED como o equipamento de fabricação é quase o mesmo. Como muitos reatores LED podem ser reequipados para CPV, o preço começou a cair muito mais rápido do que antes.

com a colocação automatizada originalmente desenvolvida para LED, fabricação de projetos de células extremamente pequenas é possível em alta velocidade com erros de fabricação muito baixos. Tamanhos padrão podem ser 25 vezes menores do que 10 anos atrás (4mm2 vs 100) conduzindo o preço do módulo para baixo como pequenas células de superfície dissipar o calor mais facilmente.

• a queda do preço do módulo SI-PV está a estagnar

agora que a poeira assentou após a guerra comercial PV, os preços dos módulos Si-Pv atingiram um patamar, enquanto o CPV ainda tem um enorme potencial de queda de preços.

• os locais disponíveis restantes são mais exigentes

a instalação fotovoltaica num clima temperado é um ambiente cada vez mais competitivo, por isso o novo crescimento da energia solar deve vir de locais mais difíceis.

lugares com o maior potencial de energia solar, como desertos, também são os mais duros. Componentes de painéis fotovoltaicos padrão estão tendo um tempo difícil lidar com o ciclo térmico de quase um dia, o que resulta em eficiências muito mais baixas em comparação com as instaladas em climas temperados.

o que eu acho que deve ser melhorado para CPV ser bem sucedido

como eu disse no início, CPV tem um lugar especial no meu coração e eu nunca parei de pensar em novos projetos ou possíveis melhorias.

Aqui estão os meus pensamentos em pontos que precisam de atenção para o futuro CPV sucesso:

• a Redução do módulo de peso é fundamental

se Esqueça de apertar ainda mais o desempenho, módulo de peso é, de longe, um parâmetro mais importante quando se trata de uma redução dos custos operacionais, simplesmente porque ele permite maior tracker para a mesma precisão e custo. Mais módulos significam mais receitas por unidade global para a mesma manutenção, ou mesmo permite que a manutenção automatizada (limpeza) seja eficiente em termos de custos, reduzindo ainda mais o pessoal necessário.

esta não é uma tarefa difícil, uma vez que o peso não tem sido um parâmetro muito otimizado desde as gerações anteriores. Eu desenvolvi pessoalmente projetos que pesam abaixo de 10kg / m2 em comparação com a média de 40-45 kg / m2 de módulos CPV comuns.

• o uso de lentes ópticas de Fresnel é um beco sem saída

a ideia por trás delas é incrivelmente elegante, mas sofre de falhas fatais quando é usado para a concentração solar de precisão. Em primeiro lugar, o design deve ser perfeito para ser verdadeiramente eficaz: qualquer compromisso na nitidez das arestas, como o arredondamento que ocorre com a moldagem de plástico, causa um grande desempenho de degradação.

então, as lentes de Fresnel são muito sensíveis a erros de apontamento, os raios solares têm uma divergência angular inerente +/-0.5° que só deixa uma minúscula sala +/-0.1° para erros de rastreamento. Rastreamento com tal precisão é uma das principais fontes de custo de manutenção para tecnologias que utilizam este tipo de óptica.

• a óptica reflectora deve evoluir a partir da concepção clássica do telescópio”

a óptica reflexiva, apesar de seu olhar inicial desajeitado, não sofre das limitações das lentes de Fresnel, eles geralmente podem lidar com grandes erros de rastreamento de mais de +/- 1°, permitindo custos de manutenção muito mais baixos. O único inconveniente é que o atual desenhos com base no “telescópio Cassegrain” não são facilmente produzidos em massa com tecnologias padrão que se traduzem em muito alto os custos de fabricação

Melhorar a fabricação de custo pode ser feito com a utilização de mais “deformada” projetos que se livrar da imagem da formação para se manter apenas a capacidade de concentração, as possibilidades são muito grandes e eu criei-me alguns problemas de design que pode cortar o custo de produção por 10 ou mais.

• uso de limpeza automatizada com muito baixo consumo de água

como explicado anteriormente, CPV realmente brilha em locais particularmente difíceis, onde a disponibilidade de água é geralmente muito escassa. Adicionar um sistema de limpeza muito econômico é essencial, usando as tecnologias de limpeza de janelas existentes em vez de desenvolver novas pode ser a chave.

Conclusion

CPV aparente demise may be just a setback as this technology still has the potential to outperform standard PV systems. Agora que a poeira assentou após tempos de frenética queda de preços, a CPV pode desempenhar um grande papel como uma ferramenta durável para combater o aquecimento global.Diga-nos o que pensa do futuro da energia solar e explore o que a ennomotive tem para oferecer.