solenergins framtid: högkoncentrerade fotovoltaiska (CPV) celler

skriven av Olivier Loidi

i augusti 2018 lanserade ennomotive en cirkulär ekonomiutmaning för att hitta sätt att återanvända avfallsmaterial som finns i gruvavfall.

under 6 veckor accepterade 74 ingenjörer från 30 länder utmaningen och lämnade in olika lösningar. Efter en grundlig utvärdering lämnades de lösningar som bäst uppfyllde utvärderingskriterierna av Cliff Edwards, från Kanada, och Oliver Loidi, från Frankrike.

Ennomotive bad Olivier att skriva en artikel om ett ämne han gillar och här är hans syn på framtiden för solenergi och den högkoncentrerade fotovoltaiken.

solenergi är nyckeln för att begränsa den globala uppvärmningen, jag tror verkligen det. Faktum är att för tio år sedan arbetade jag aktivt inom detta område och särskilt i det höga koncentrations fotovoltaiska fältet (CPV). Då sågs det som en sann konkurrent för vanliga PV-paneler, men år av aggressiv prisdumpning har allvarligt undergrävt dess utveckling.

den kortsiktiga metoden för ‘låg kapitalkostnad/låg livslängd’ för standard PV verkar vara mycket mer frestande än den klokare ‘måttliga initialkostnaden/lång livslängd’-vägen, även med mer än dubbelt effektiviteten.

nu när standard solpaneler börjar konkurrera positivt med kol och gas och CPV-företag som fortfarande kämpar för att överleva, kan det vara lätt att dra slutsatsen att matchen redan är över. Forskningen går dock fortfarande starkt för att minska kapitalkostnadsgapet och, om tröskeln uppnås, kan bana väg för en massiv comeback för CPV.

i den här artikeln kommer jag att försöka förklara för-och nackdelarna med CPV-tekniken tillsammans med mina personliga åsikter om vad som bör förbättras för att göra det framgångsrikt.

Vad är hög koncentration solceller?

principen för CPV är att fokusera solljus på en extremt högeffektiv solcell som annars skulle vara för dyr att använda direkt.

dessa exceptionella robusta solceller, vanligtvis gjorda för Rymd-eller militära applikationer, kan hantera ett koncentrationsförhållande på tusen eller mer och är fortfarande nästan tre gånger effektivare än en traditionell PV-cell gjord av kisel (Si-Pv).

detta tillvägagångssätt har sina egna nackdelar: det måste vara direkt orienterat mot solen och utrustat med koncentrationsoptik.

typer av optik

• transmissiv:

förstoringsglas kan användas, men den mer eleganta Fresnel-linsdesignen används oftast.

• reflekterande:

det handlar om att koncentrera solljus med speglar som vanligtvis har en parabolisk form. System som använder en reflektion existerar, men den mest populära designen härrör från Cassegrain-teleskopet, vilket möjliggör mindre komplex solcellsplacering.

fördelar med CPV över normala solpaneler

• effektivitet

de bästa kommersiella kiselsolcellerna toppar vid 21% effektivitet medan flera korsningar celler som används för CPV kan nå 46% och förbättras fortfarande, detta gap i prestanda kan observeras på modulnivå även med höga optiska förluster för CPV.

• mycket stabil prestanda under hög temperatur

kisel solceller prestanda är mycket temperaturkänslig med en temperaturkoefficient på ca -0.5% per CCB, vilket innebär att för varje grad över 25 CCB (eller 20 CCB beroende på tillverkaren) förlorar den 0,5% av prestanda.

detta verkar inte vara mycket, men på sommaren är det inte sällsynt att det når 80 kcal C (precis som i en solskyddad bil) vilket skulle försämra prestandan hos en högkvalitativ panel från 19% till endast 14%!

däremot är CPV-solceller gjorda av material med en mycket låg temperaturkoefficient på cirka -0,05%/CB C med den bästa nå -0,01%/CB C som är nästan 10-50 gånger bättre än Kiselsolceller! Detta gör att CPV-cellen kan fungera vid mycket hög temperatur (100 CCB eller mer) utan problem.

• mycket god hållbarhet

i alla industriella system är de aktiva komponenterna mest sannolika att misslyckas eller försämras och PV gör inget undantag. I traditionell Si-Pv representerar de aktiva komponenterna (solceller) nästan 100% av den exponerade ytan utöver elektroniska komponenter (bypassdioder) så en chans att misslyckas eller försämras är en verklig fråga.

för att göra saken värre förhindrar den enorma priskonkurrensen användningen av mycket högkvalitativa komponenter som översätter till dålig långsiktig prestanda, särskilt i mycket heta klimat som också har stor solpotential. Till exempel, transparent plast (EVA) som används för inkapsling och limning av frontglaset utsätts för gulning på grund av termisk cykling, typisk nedbrytningshastighet är 0,5% per år i en tempererad miljö upp till 3%/år på heta platser.

CPV-solceller härrör från rymd-och militära tillämpningar och är praktiskt taget immun mot termisk eller strålningsskada. Eftersom tekniken är relativt ung existerar inte långsiktig prestanda CPV i sig, men avkastning av liknande tekniker baserade på militära eller rymdapplikationer verkar indikera en mycket stabil prestanda även efter 20 års drift. Alla andra exponerade ytor kan vara tillverkade av oorganiska material (Glas, Aluminium) som inte bryts ned med tiden.

• potentiell dubbel användning av marken

stora spårare kan vara tillräckligt höga för att tillåta bostad eller grödor under den.

• lätt återvinningsbar

CPV-moduler demontering är lättare eftersom de konstitutiva elementen är lätt separerbara och består mestadels av oorganiskt material som kan återvinnas helt. Tvärtom är SI-PV-celler och ramar helt bundna till komplex fluorerad plast som kräver avancerad krossning och termisk behandling för partiell återvinning.

Varför har CPV misslyckats hittills?

• högre startkapitalkostnad

CPV kan vara mer lönsamt på lång sikt men denna fördel är inte tillräckligt stor för att kompensera den mycket högre kapitalkostnadsinvesteringen för installationen, som kan gå från 2,5 till 4 gånger högre än för traditionell SI-PV-teknik.

Obs CSP är elproduktion via solvärmekoncentration

• högre underhållsbehov

hög precisionsspårning av solen (upp till 0.1 msk vinkelprecision) behöver ständig uppmärksamhet från dedikerad personal. Tvätten av panelerna kan också vara hårdare på grund av spårarnas höjd.

• moln försämrar prestanda

CPV kan bara fungera med direkt solljus, därför kan det inte fungera hela tiden. CPV syftar vanligtvis till att installeras på ett soligt läge med över 80% klara dagar per år. Som referens kan CPV bara fungera om skarpa skuggor finns, vilket är tecknet på att solljus huvudsakligen kommer från en riktning.

• låg ockupationstäthet

för att undvika skuggningseffekter på morgonen eller kvällen måste spårare placeras några meter från varandra. Den resulterande Mark ockupationen når endast ca 50%, som endast delvis kompenseras av 25% sol energi som erbjuds av spårning. Följaktligen är CPV livskraftigt på lågkostnadsmark eller om endast en tracker ska installeras.

• tekniken är fortfarande ung

även om den mognar ganska snabbt, LED CPV av brist på dedikerad leveranskedja, vilket tvingade varje företag att utveckla och producera sig själva de flesta komponenterna (trackers-moduler etc..).

cellerna var för stora i början, vilket översattes till höga spridningsbehov (större celler genererar högre temperaturer) och större tyngre moduler som översattes till ytterligare driftskostnader.

samtidigt upplevde PV-industrin ett massivt prisfall på mer än 80% från subventionerade industrier som kunde sälja produkter med liten eller ingen lönsamhet med målet att vinna aktiemarknaden.

varför CPV har potential att lyckas i framtiden

• CPV-celler blir bättre, mindre och billigare

flera korsningsceller som används i CPV-fördelen med den senaste ökningen av LED-industrin eftersom tillverkningsutrustningen är nästan densamma. Eftersom många LED-reaktorer kan eftermonteras för CPV började priset sjunka mycket snabbare än tidigare.

med den automatiska placeringen som ursprungligen utvecklades för LED är tillverkning av extremt små celldesigner möjlig vid hög hastighet med mycket låga tillverkningsfel. Standardstorlekar kan vara 25 gånger mindre än 10 år sedan (4mm2 vs 100) driver modulen priset ner som små fotavtryck celler skingra värmen lättare.

• si-PV-modulens prisfall stannar

nu när dammet har avgjort efter PV-handelskriget har priserna på Si-Pv-moduler nått en platå medan CPV fortfarande har massiv prisfallspotential.

• återstående tillgängliga platser är mer krävande

PV-Installation i ett tempererat klimat är en mer och mer konkurrensutsatt miljö, så ny solkrafttillväxt måste komma från tuffare platser.

platser med den högsta solenergipotentialen, såsom öknar, råkar också vara de hårdaste. Standard PV-paneler komponenter har en tuff tid att hantera nära / dag termisk cykling, vilket resulterar i mycket lägre effektivitet jämfört med de som installeras i tempererade klimat.

vad jag tycker borde förbättras för att CPV ska lyckas

som jag sa i början har CPV en speciell plats i mitt hjärta och jag slutade aldrig tänka på nya mönster eller möjliga förbättringar.

här är mina tankar om vilka punkter som behöver uppmärksammas för framtida CPV-framgång:

• att minska modulvikten är kritisk

Glöm att trycka vidare prestanda, modulvikten är överlägset en viktigaste parameter när det gäller att minska driftskostnaderna helt enkelt för att det tillåter större tracker för samma precision och kostnad. Fler moduler innebär mer intäkter per global enhet för samma underhåll, eller till och med tillåter automatiserat underhåll (Rengöring) att vara kostnadseffektivt, vilket minskar ytterligare nödvändig personal.

detta är inte en svår uppgift, eftersom vikten inte har varit en parameter mycket optimerad sedan tidigare generationer. Jag har personligen utvecklat mönster som väger under 10 kg/m2 jämfört med genomsnittet 40-45 kg/m2 av vanliga CPV-moduler.

• användning av Fresnel-linser optic är en återvändsgränd

tanken bakom dem är otroligt elegant men den lider av dödliga brister när den används för precision solkoncentration. För det första måste designen vara perfekt för att vara verkligt effektiv: varje kompromiss i skärpan i kanterna, såsom avrundningen som sker med plastgjutning, orsakar stor nedbrytningsprestanda.

sedan är Fresnel-linser mycket känsliga för pekningsfel, solstrålarna har en inneboende +/-0.5-vinkeldivergens som bara lämnar bara ett litet +/-0.1-utrymme för spårningsfel. Spårning med sådan precision är en av de viktigaste källorna till underhållskostnader för teknik som använder denna typ av optik.

• reflekterande optik bör utvecklas från den klassiska “teleskopdesignen”

reflekterande optik, trots deras ursprungliga klumpiga utseende, lider inte av begränsningarna hos Fresnel – linser, de kan vanligtvis klara av stora spårningsfel på mer än + / – 1 kg, vilket möjliggör mycket lägre underhållskostnader. Den enda nackdelen är att de nuvarande mönster baserade på” Cassegrain telescope “inte lätt massproduceras med standardteknik som översätter i mycket höga tillverkningskostnader

förbättra tillverkningskostnaden kan göras med hjälp av mer” deformerade ” mönster som blir av med bildbildningen för att bara behålla koncentrationsförmågan, möjligheterna är mycket stora och jag har skapat mig en design som kan sänka produktionskostnaden med 10 eller mer.

• användning av automatiserad rengöring med mycket låg vattenförbrukning

som förklarats tidigare lyser CPV verkligen på särskilt hårda platser där vattentillgängligheten vanligtvis är mycket knapp. Att lägga till ett mycket ekonomiskt rengöringssystem är viktigt, att använda befintliga fönsterrengöringstekniker snarare än att utveckla nya kan vara nyckeln.

slutsats

CPV uppenbar nedläggning kan vara bara ett bakslag eftersom denna teknik fortfarande har potential att överträffa standard PV-system. Nu när dammet har avgjort efter tider med häftig prisdumpning kan CPV spela en stor roll som ett hållbart verktyg för att bekämpa global uppvärmning.

berätta för oss vad du tycker framtiden för solenergi är och utforska vad ennomotive har att erbjuda.