viitorul energiei solare: celule fotovoltaice cu concentrație mare (CPV)

scris de Olivier Loidi

în August 2018, ennomotive a lansat o provocare a economiei circulare pentru a găsi modalități de reutilizare a deșeurilor găsite în sterilele miniere.

timp de 6 săptămâni, 74 de ingineri din 30 de țări au acceptat provocarea și au prezentat soluții diferite. După o evaluare amănunțită, soluțiile care au îndeplinit cel mai bine criteriile de evaluare au fost prezentate de Cliff Edwards, din Canada, și Oliver Loidi, din Franța.

ennomotive i-a cerut lui Olivier să scrie un articol despre un subiect care îi place și iată opiniile sale despre viitorul energiei solare și fotovoltaicul concentrat.

energia solară este esențială pentru reducerea încălzirii globale, cred cu adevărat acest lucru. De fapt, acum zece ani lucram activ în acest domeniu și mai ales în câmpul fotovoltaic de înaltă concentrație (CPV). Pe atunci a fost văzut ca un adevărat concurent pentru panourile fotovoltaice standard, dar anii de dumping agresiv au subminat grav dezvoltarea sa.

abordarea pe termen scurt a costului de capital redus/duratei de viață reduse a PV standard pare a fi mult mai tentantă decât calea mai înțeleaptă a costului inițial moderat/duratei de viață lungi, chiar și cu o eficiență mai mult decât dublă.

acum, când panourile solare standard încep să concureze favorabil cu companiile de cărbune și gaz și CPV care încă se luptă să supraviețuiască, ar putea fi ușor să concluzionăm că meciul s-a încheiat deja. Cu toate acestea, cercetările continuă să reducă decalajul de costuri de capital și, dacă se atinge pragul, ar putea deschide calea către o revenire masivă pentru CPV.

în acest articol, voi încerca să explic avantajele și dezavantajele tehnologiilor CPV împreună cu opiniile mele personale despre ceea ce ar trebui îmbunătățit pentru a avea succes.

ce este Fotovoltaica cu concentrație mare?

principiul CPV este de a concentra lumina soarelui pe o celulă solară extrem de eficientă, care altfel ar fi prea scumpă pentru a fi utilizată direct.

aceste celule solare robuste excepționale, de obicei făcute pentru aplicații spațiale sau militare, pot gestiona un raport de concentrație de o mie sau mai mult și pot fi încă de aproape trei ori mai eficiente decât o celulă fotovoltaică tradițională din siliciu (Si-Pv).

această abordare are propriile dezavantaje: trebuie să fie orientată direct spre soare și echipată cu optică de concentrare.

tipuri de optică

• transmisive:

lentilele de mărire pot fi utilizate, dar designul mai elegant al lentilelor Fresnel este cel mai des utilizat.

• reflectorizant:

aceasta implică concentrarea luminii solare cu oglinzi care au de obicei o formă parabolică. Sistemele care utilizează o singură reflecție există, dar cel mai popular design este derivat din telescopul Cassegrain, care permite plasarea celulelor solare mai puțin complexe.

avantajele CPV față de panourile solare normale

• eficiență

cele mai bune celule solare din siliciu comercial au o eficiență de 21%, în timp ce celulele cu joncțiuni multiple utilizate pentru CPV pot ajunge la 46% și se îmbunătățesc în continuare, acest decalaj de performanță poate fi observat la nivelul modulului chiar și cu pierderi optice ridicate pentru CPV.

• performanță foarte stabilă la temperaturi ridicate

performanța celulelor solare din siliciu este foarte sensibilă la temperatură, cu un coeficient de temperatură de aproximativ -0.5% pentru fiecare grad C, ceea ce înseamnă că pentru fiecare grad mai mare de 25 de grade C (sau 20 de grade C în funcție de producător) pierde 0,5% din performanță.

acest lucru nu pare a fi o mulțime, dar, în timpul verii, nu este rar pentru a ajunge la 80 de centimetrii C (la fel ca într-o mașină expusă la soare), care ar degrada performanța unui panou de calitate superioară de la 19% la doar 14%!

în schimb, celulele solare CPV sunt realizate din materiale cu un coeficient de temperatură foarte scăzută de aproximativ -0.05%/centi C cu cel mai bun ajungând la -0.01%/centi C, care este de aproape 10-50 de ori mai bun decât celulele solare de siliciu! Acest lucru permite celulei CPV să funcționeze fără probleme la temperaturi foarte ridicate(100 C sau mai mult).

• durabilitate foarte bună

în toate sistemele industriale, componentele active sunt cele mai susceptibile de a eșua sau de a se degrada, iar PV nu face excepție. În Si-Pv tradițional, componentele active (celula solară) reprezintă aproape 100% din suprafața expusă în plus față de componentele electronice (diode bypass), astfel încât o șansă de eșec sau degradare este o problemă reală.

pentru a înrăutăți lucrurile, concurența uriașă a prețurilor împiedică utilizarea componentelor de înaltă calitate, care se traduc în performanțe slabe pe termen lung, în special în climatele foarte calde, care au și un potențial solar major. De exemplu, materialele plastice transparente (EVA) utilizate pentru încapsularea și lipirea geamului frontal sunt supuse îngălbenirii datorită ciclului termic, rata tipică de degradare fiind de 0,5% pe an într-un mediu temperat până la 3%/an în locuri fierbinți.

celulele solare CPV sunt derivate din aplicații spațiale și militare și sunt practic imune la daune termice sau radiații, de asemenea, concentrația permite utilizarea componentelor electronice premium, deoarece numărul lor este, de asemenea, redus. Deoarece tehnologia este relativ tânără, CPV de performanță pe termen lung nu există în sine, dar returnările tehnologiilor similare bazate pe aplicații militare sau spațiale par să indice o performanță foarte stabilă chiar și după 20 de ani de funcționare. Toate celelalte suprafețe expuse pot fi realizate din materiale anorganice (sticlă, aluminiu) care nu se degradează în timp.

• utilizarea dublă potențială a terenului

trackerele mari pot fi suficient de mari pentru a permite locuirea sau culturile de dedesubt.

• ușor de reciclat

demontarea modulelor CPV este mai ușoară, deoarece elementele constitutive sunt ușor de separat și compuse în mare parte din material anorganic care poate fi reciclat complet. Dimpotrivă, celulele SI-PV și Cadrul sunt complet lipite de materiale plastice fluorurate complexe, care necesită zdrobire avansată și tratament termic pentru reciclarea parțială.

de ce a eșuat CPV până acum?

• cost de capital inițial mai mare

CPV poate fi mai profitabil pe termen lung, dar acest avantaj nu este suficient de mare pentru a compensa investiția cu costuri de capital mult mai mari pentru instalare, care poate merge de la 2,5 la 4 ori mai mare decât pentru tehnologia tradițională SI-PV.

notă CSP este generarea de energie electrică prin concentrația termică solară

• nevoie de întreținere mai mare

urmărirea de înaltă precizie a soarelui (până la 0.1. precizie unghiulară (de la un unghi de precizie) necesită o atenție constantă din partea personalului dedicat. De asemenea, spălarea panourilor poate fi mai dificilă datorită înălțimii trackerelor.

• norii degradează performanța

CPV poate funcționa numai cu lumina directă a soarelui, prin urmare nu poate funcționa tot timpul. CPV este de obicei destinat să fie instalat într-o locație însorită, cu peste 80% din zilele senine pe an. Ca referință, CPV poate funcționa numai dacă sunt prezente umbre ascuțite, care este semnul că lumina soarelui provine în principal dintr-o direcție.

• densitate scăzută de ocupare a terenului

pentru a evita efectele de umbrire dimineața sau seara, trackerele trebuie amplasate la câțiva metri distanță. Ocuparea terenurilor rezultate atinge doar aproximativ 50%, adică este compensată doar parțial de energia solară de 25% oferită de urmărire. În consecință, CPV este viabil pe terenuri cu costuri reduse sau dacă urmează să fie instalat un singur tracker.

• tehnologia este încă tânără

deși se maturizează destul de repede, CPV a suferit de o lipsă a lanțului de aprovizionare dedicat, ceea ce a forțat fiecare companie să dezvolte și să producă ele însele majoritatea componentelor (module de urmărire etc..).

celulele erau prea mari la început, ceea ce s-a tradus în nevoi de disipare ridicate (celulele mai mari generează temperaturi mai ridicate) și module mai mari mai grele, care s-au tradus în costuri de operare suplimentare.

în același timp, industria fotovoltaică a cunoscut o scădere masivă a prețurilor de peste 80% provenind din industrii subvenționate care ar putea vinde produse cu rentabilitate mică sau deloc, cu obiectivul de a câștiga cotă piață.

de ce CPV are potențialul de a reuși în viitor

• celulele CPV sunt din ce în ce mai bune, mai mici și mai ieftine

mai multe celule de joncțiune utilizate în CPV beneficiază de creșterea recentă a industriei LED, deoarece echipamentul de fabricație este aproape același. Deoarece multe reactoare LED pot fi modernizate pentru CPV, prețul a început să scadă mult mai repede decât înainte.

cu plasarea automată dezvoltată inițial pentru LED, fabricarea de modele de celule extrem de mici este posibilă la viteză mare, cu erori de fabricație foarte mici. Dimensiunile Standard pot fi de 25 de ori mai mici decât acum 10 ani (4mm2 vs 100) conducând prețul modulului în jos, deoarece celulele mici de amprentă disipează căldura mai ușor.

• SI-PV modul de scădere a prețurilor este trage de timp

acum, că praful sa stabilit după războiul comercial PV, si-PV prețurile modulelor au atins un platou în timp ce CPV are încă un potențial masiv de scădere a prețurilor.

• locațiile rămase disponibile sunt mai solicitante

instalarea fotovoltaică într-un climat temperat este un mediu din ce în ce mai competitiv, astfel încât noua creștere a energiei solare trebuie să provină din locații mai dure.

locurile cu cel mai mare potențial de energie solară, cum ar fi deșerturile, se întâmplă, de asemenea, să fie cele mai dure. Componentele standard ale panourilor fotovoltaice se confruntă cu dificultăți în ceea ce privește ciclismul termic aproape/zi, ceea ce duce la o eficiență mult mai mică în comparație cu cele instalate în climatele temperate.

ce cred că ar trebui îmbunătățit pentru ca CPV să aibă succes

așa cum am spus la început, CPV are un loc special în inima mea și nu am încetat niciodată să mă gândesc la noi modele sau la posibile îmbunătățiri.

iată gândurile mele despre care puncte au nevoie de atenție pentru viitorul succes CPV:

• reducerea greutății modulului este critică

uitați de împingerea în continuare a performanței, greutatea modulului este de departe un parametru cel mai important atunci când vine vorba de reducerea costurilor de operare pur și simplu pentru că permite un tracker mai mare pentru aceeași precizie și cost. Mai multe module înseamnă mai multe venituri pe unitate globală pentru aceeași întreținere sau chiar permit întreținerea automată (curățarea) să fie eficientă din punct de vedere al costurilor, reducând în continuare personalul necesar.

aceasta nu este o sarcină dificilă, deoarece greutatea nu a fost un parametru mult optimizat de la generațiile anterioare. Am dezvoltat personal modele care cântăresc sub 10 kg/m2 în comparație cu media 40-45 kg/m2 a modulelor CPV comune.

• utilizarea lentilelor Fresnel optica este o fundătură

ideea din spatele lor este incredibil de elegantă, dar suferă de defecte fatale atunci când este utilizată pentru concentrarea solară de precizie. În primul rând, designul trebuie să fie perfect pentru a fi cu adevărat eficient: orice compromis în claritatea marginilor, cum ar fi rotunjirea care are loc cu turnarea din plastic, provoacă performanțe mari de degradare.

apoi, lentilele Fresnel sunt foarte sensibile la erorile de indicare, razele soarelui au o divergență unghiulară inerentă +/-0,5 centimetrii, care lasă doar o cameră minusculă +/-0,1 centimetrii pentru urmărirea erorilor. Urmărirea cu o astfel de precizie este una dintre sursele majore de costuri de întreținere pentru tehnologiile care utilizează acest tip de optică.

• optica reflectorizantă ar trebui să evolueze de la “designul telescopului “clasic”

optica reflectorizantă, în ciuda aspectului lor inițial greoi, nu suferă de limitările lentilelor Fresnel, de obicei pot face față unor erori mari de urmărire de peste +/- 1 Irak, permițând costuri de întreținere mult mai mici. Singurul dezavantaj este că proiectele actuale bazate pe” telescopul Cassegrain “nu sunt ușor de produs în masă cu tehnologii standard care se traduc în costuri de fabricație foarte mari

îmbunătățirea costului de fabricație se poate face cu utilizarea unor modele mai” deformate ” care scapă de formarea imaginii pentru a păstra doar capacitatea de concentrare, posibilitățile sunt foarte mari și mi-am creat un design care poate reduce costul de producție cu 10 sau mai mult.

• utilizarea curățării automate cu un consum foarte scăzut de apă

așa cum am explicat mai devreme, CPV strălucește într-adevăr în locații deosebit de dure, unde disponibilitatea apei este de obicei foarte redusă. Adăugarea unui sistem de curățare foarte economic este esențială, utilizarea tehnologiilor existente de curățare a ferestrelor clădirii, mai degrabă decât dezvoltarea unor noi, ar putea fi cheia.

concluzie

dispariția aparentă a CPV poate fi doar un obstacol, deoarece această tehnologie are încă potențialul de a depăși performanțele sistemelor fotovoltaice standard. Acum că praful s-a stabilit după perioade de dumping frenetic al prețurilor, CPV poate juca un rol important ca instrument durabil pentru combaterea încălzirii globale.

spuneți-ne ce credeți că este viitorul energiei solare și explorați ce are de oferit ennomotive.