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

Geschrieben von Olivier Loidi

Im August 2018 startete ennomotive eine Circular Economy Challenge, um Wege zur Wiederverwendung von Abfällen in Bergwerken zu finden.

6 Wochen lang nahmen 74 Ingenieure aus 30 Ländern die Herausforderung an und reichten unterschiedliche Lösungen ein. Nach einer gründlichen Bewertung wurden die Lösungen, die die Bewertungskriterien am besten erfüllten, von Cliff Edwards aus Kanada und Oliver Loidi aus Frankreich eingereicht.

ennomotive bat Olivier, einen Artikel über ein Thema zu schreiben, das er mag, und hier sind seine Ansichten über die Zukunft der Solarenergie und der hochkonzentrierten Photovoltaik.

Solarenergie ist der Schlüssel zur Eindämmung der globalen Erwärmung, das glaube ich wirklich. Tatsächlich war ich vor zehn Jahren aktiv auf diesem Gebiet tätig, insbesondere im Bereich der hochkonzentrierten Photovoltaik (CPV). Damals galt es als echter Konkurrent für Standard-PV-Module, aber jahrelanges aggressives Preisdumping hat seine Entwicklung ernsthaft untergraben.

Der kurzfristige Ansatz ‘niedrige Investitionskosten /niedrige Lebensdauer’ von Standard-PV scheint viel verlockender zu sein als der klügere Weg ‘moderate Anschaffungskosten /lange Lebensdauer’, selbst bei mehr als doppelter Effizienz.

Nun, da Standard-Solarmodule beginnen, mit Kohle- und Gas- und CPV-Unternehmen, die immer noch ums Überleben kämpfen, günstig zu konkurrieren, könnte man leicht zu dem Schluss kommen, dass das Spiel bereits vorbei ist. Die Forschung ist jedoch immer noch stark, um die Kapitalkostenlücke zu schließen, und wenn die Schwelle erreicht ist, könnte dies den Weg für ein massives Comeback von CPV ebnen.

In diesem Artikel werde ich versuchen, die Vor- und Nachteile der CPV-Technologien zusammen mit meinen persönlichen Ansichten darüber zu erklären, was verbessert werden sollte, um sie erfolgreich zu machen.

Was ist Photovoltaik mit hoher Konzentration?

Das Prinzip des CPV besteht darin, Sonnenlicht auf eine extrem hocheffiziente Solarzelle zu fokussieren, deren direkte Verwendung sonst zu teuer wäre.

Diese außergewöhnlich robusten Solarzellen, die normalerweise für Weltraum- oder Militäranwendungen hergestellt werden, können ein Konzentrationsverhältnis von tausend oder mehr bewältigen und sind dennoch fast dreimal effizienter als eine herkömmliche PV-Zelle aus Silizium (Si-Pv).

Dieser Ansatz hat seine eigenen Nachteile: Er muss direkt zur Sonne ausgerichtet und mit einer konzentrierenden Optik ausgestattet sein.

Optikarten

• Transmissiv:

Vergrößerungslinsen können verwendet werden, aber das elegantere Fresnel-Linsendesign wird am häufigsten verwendet.

• Reflektierend:

Dabei wird das Sonnenlicht mit Spiegeln konzentriert, die normalerweise eine parabolische Form haben. Es gibt zwar Systeme, die eine Reflexion verwenden, aber das beliebteste Design stammt vom Cassegrain-Teleskop, das eine weniger komplexe Platzierung von Solarzellen ermöglicht.

Vorteile von CPV gegenüber normalen Solarmodulen

• Wirkungsgrad

Die besten kommerziellen Siliziumsolarzellen liegen bei einem Wirkungsgrad von 21%, während für CPV verwendete Mehrfachverbindungszellen 46% erreichen können und sich immer noch verbessern, kann diese Leistungslücke auf Modulebene selbst bei hohen optischen Verlusten für CPV beobachtet werden.

• Sehr stabile Leistung unter hoher Temperatur

Die Leistung von Siliziumsolarzellen ist mit einem Temperaturkoeffizienten von etwa -0 sehr temperaturempfindlich.5% pro ° C, was bedeutet, dass für jeden Grad über 25 ° (oder 20 ° C je nach Hersteller) 0, 5% der Leistung verloren gehen.

Das scheint nicht viel zu sein, aber im Sommer erreicht es nicht selten 80 ° C (genau wie in einem sonnenexponierten Auto), was die Leistung eines hochwertigen Panels von 19% auf nur 14% beeinträchtigen würde!

Im Gegensatz dazu werden CPV-Solarzellen aus Materialien mit einem sehr niedrigen Temperaturkoeffizienten von etwa -0,05% / ° C hergestellt, wobei der beste -0,01% / ° C erreicht, was fast 10-50 mal besser ist als Siliziumsolarzellen! Dadurch kann die CPV-Zelle problemlos bei sehr hohen Temperaturen (100 ° C oder mehr) betrieben werden.

• Sehr gute Haltbarkeit

In allen industriellen Systemen sind die aktiven Komponenten am wahrscheinlichsten ausfallen oder verschlechtern und PV macht keine Ausnahme. Bei herkömmlicher Si-Pv machen die aktiven Komponenten (Solarzellen) neben elektronischen Komponenten (Bypass-Dioden) fast 100% der freiliegenden Oberfläche aus, sodass die Möglichkeit eines Ausfalls oder einer Verschlechterung ein echtes Problem darstellt.

Erschwerend kommt hinzu, dass der enorme Preiswettbewerb die Verwendung sehr hochwertiger Komponenten verhindert, was zu einer schlechten Langzeitleistung führt, insbesondere in sehr heißen Klimazonen, die auch ein großes Solarpotenzial haben. Zum Beispiel werden transparente Kunststoffe (EVA), die für die Verkapselung und Verklebung des Frontglases verwendet werden, aufgrund von thermischen Zyklen vergilbt, Typische Abbauraten sind 0,5% pro Jahr in einer gemäßigten Umgebung bis zu 3% / Jahr an heißen Orten.

CPV solar zellen sind abgeleitet von raum und militär anwendungen und sind praktisch immun gegen thermische oder strahlung schäden auch konzentration ermöglicht die verwendung von premium elektronik komponenten als ihre zahlen sind auch reduziert. Da die Technologie relativ jung ist, gibt es keine CPV-Langzeitleistung an sich, aber die Renditen ähnlicher Technologien, die auf militärischen oder Weltraumanwendungen basieren, scheinen auch nach 20 Betriebsjahren auf eine sehr stabile Leistung hinzudeuten. Alle anderen freiliegenden Oberflächen können aus anorganischen Materialien (Glas, Aluminium) bestehen, die sich im Laufe der Zeit nicht abbauen.

• Mögliche doppelte Nutzung des Landes

Große Tracker können hoch genug sein, um darunter Wohnen oder Ernten zu ermöglichen.

• Leicht recycelbar

CPV-Module Die Demontage ist einfacher, da die konstitutiven Elemente leicht trennbar sind und hauptsächlich aus anorganischem Material bestehen, das vollständig recycelt werden kann. Im Gegensatz dazu sind SI-PV-Zellen und -Rahmen vollständig mit komplexen fluorierten Kunststoffen verbunden, was eine fortschrittliche Zerkleinerung und thermische Behandlung für ein teilweises Recycling erfordert.

Warum ist CPV bisher gescheitert?

• Höhere Anfangsinvestitionskosten

CPV kann auf lange Sicht rentabler sein, aber dieser Vorteil ist nicht groß genug, um die viel höheren Investitionskosten für die Installation auszugleichen, die 2,5- bis 4-mal höher sein können als bei herkömmlicher SI-PV-Technologie.

Hinweis CSP ist Stromerzeugung über Solarthermie Konzentration

• Höherer Wartungsbedarf

Hochpräzises Tracking der Sonne (bis 0.1 ° Winkelgenauigkeit) erfordert ständige Aufmerksamkeit von engagiertem Personal. Auch das Waschen der Paneele kann aufgrund der Höhe der Tracker schwieriger sein.

• Wolken beeinträchtigen die Leistung

CPV kann nur bei direkter Sonneneinstrahlung arbeiten und kann daher nicht ständig betrieben werden. CPV wird normalerweise an einem sonnigen Standort mit über 80% der klaren Tage pro Jahr installiert. Als Referenz kann CPV nur funktionieren, wenn scharfe Schatten vorhanden sind, was ein Zeichen dafür ist, dass Sonnenlicht hauptsächlich aus einer Richtung kommt.

• Geringe Landnutzungsdichte

Um Schatteneffekte am Morgen oder Abend zu vermeiden, müssen Tracker einige Meter voneinander entfernt platziert werden. Die resultierende Landnutzung erreicht nur etwa 50%, das wird nur teilweise durch die 25% Sonnenenergie kompensiert, die das Tracking bietet. Folglich ist CPV auf kostengünstigem Land oder wenn nur ein Tracker installiert werden soll, rentabel.

• Die Technologie ist noch jung

Obwohl sie ziemlich schnell reift, litt CPV unter einem Mangel an dedizierter Lieferkette, was jedes Unternehmen dazu zwang, die meisten Komponenten (Tracker-Module usw.) selbst zu entwickeln und zu produzieren..).

Die Zellen waren zu Beginn zu groß, was zu einem hohen Verlustbedarf (größere Zellen erzeugen höhere Temperaturen) und größeren, schwereren Modulen führte, was zu zusätzlichen Betriebskosten führte.

Gleichzeitig verzeichnete die PV-Industrie einen massiven Preisverfall von mehr als 80%, der auf subventionierte Industrien zurückzuführen war, die Produkte mit geringer bis keiner Rentabilität verkaufen konnten, um Marktanteile zu gewinnen.

Warum CPV das Potenzial hat, in Zukunft erfolgreich zu sein

• CPV-Zellen werden immer besser, kleiner und billiger

Multiple junction cells used in CPV benefit of the recent rise of the LED industry as the fabrication equipment is nearly the same. Da viele LED-Reaktoren für CPV nachgerüstet werden können, begann der Preis viel schneller zu fallen als zuvor.

Mit der ursprünglich für LED entwickelten automatisierten Bestückung ist die Fertigung extrem kleiner Zelldesigns mit hoher Geschwindigkeit und sehr geringen Herstellungsfehlern möglich. Standardgrößen können 25-mal kleiner sein als vor 10 Jahren (4 mm2 gegenüber 100), was den Modulpreis senkt, da Zellen mit geringem Platzbedarf die Wärme leichter abführen.

• Der Preisverfall bei SI-PV-Modulen hält an

Nachdem sich der Staub nach dem PV-Handelskrieg gelegt hat, haben die Preise für Si-Pv-Module ein Plateau erreicht, während CPV immer noch ein massives Preissenkungspotenzial aufweist.

• Die verbleibenden verfügbaren Standorte sind anspruchsvoller

Die PV-Installation in einem gemäßigten Klima ist ein immer wettbewerbsfähigeres Umfeld, daher muss das Wachstum der Solarenergie von härteren Standorten ausgehen.

Orte mit dem höchsten Sonnenenergiepotenzial, wie Wüsten, sind auch am härtesten. Standard-PV-Panel-Komponenten haben es schwer, mit den thermischen Nacht- / Tageszyklen fertig zu werden, was zu weit niedrigeren Wirkungsgraden im Vergleich zu denen führt, die in gemäßigten Klimazonen installiert sind.

Was meiner Meinung nach verbessert werden sollte, damit CPV erfolgreich ist

Wie ich zu Beginn sagte, hat CPV einen besonderen Platz in meinem Herzen und ich habe nie aufgehört, über neue Designs oder mögliche Verbesserungen nachzudenken.

Hier sind meine Gedanken darüber, welche Punkte für den zukünftigen CPV-Erfolg beachtet werden müssen:

• Die Reduzierung des Modulgewichts ist entscheidend

Vergessen Sie, die Leistung weiter voranzutreiben, das Modulgewicht ist bei weitem ein wichtiger Parameter, wenn es um die Reduzierung der Betriebskosten geht, einfach weil es größere Module bei gleicher Präzision und Kosten ermöglicht. Mehr Module bedeuten mehr Umsatz pro globaler Einheit für die gleiche Wartung oder ermöglichen sogar eine kosteneffiziente automatisierte Wartung (Reinigung), wodurch der weitere Personalbedarf reduziert wird.

Dies ist keine schwierige Aufgabe, da das Gewicht seit den früheren Generationen kein viel optimierter Parameter war. Ich habe persönlich Designs entwickelt, die im Vergleich zu den durchschnittlichen 40-45 kg / m2 gängiger CPV-Module unter 10 kg / m2 wiegen.

• Verwendung von Fresnel-Linsen Optik ist eine Sackgasse

Die Idee dahinter ist unglaublich elegant, aber es leidet an fatalen Fehlern, wenn es für Präzisions-Solar-Konzentration verwendet wird. Erstens muss das Design perfekt sein, um wirklich effektiv zu sein: jeder Kompromiss in der Schärfe der Kanten, wie die Rundung, die beim Kunststoffformen auftritt, verursacht eine große Degradationsleistung.

Dann sind Fresnel-Linsen sehr empfindlich gegenüber Zeigefehlern, die Sonnenstrahlen haben eine inhärente Winkeldivergenz von +/-0,5 °, die nur einen winzigen Raum von +/-0,1 ° für Verfolgungsfehler lässt. Die Verfolgung mit einer solchen Präzision ist eine der Hauptquellen für Wartungskosten für Technologien, die diese Art von Optik verwenden.

• Reflektierende Optik soll sich aus dem klassischen “Teleskop-Design” entwickeln”

Reflektierende Optiken leiden trotz ihres anfänglich klobigen Aussehens nicht unter den Einschränkungen von Fresnel-Linsen, sie können in der Regel große Tracking-Fehler von mehr als +/- 1 ° bewältigen, was viel geringere Wartungskosten ermöglicht. Der einzige Nachteil ist, dass die aktuellen Designs, die auf dem “Cassegrain-Teleskop” basieren, nicht einfach mit Standardtechnologien in Massenproduktion hergestellt werden können, was zu sehr hohen Herstellungskosten führt

Die Verbesserung der Herstellungskosten kann mit der Verwendung von mehr “deformierten” Designs erfolgen, die die Bilderzeugung loswerden, um nur die Konzentrationsfähigkeit zu erhalten, die Möglichkeiten sind sehr groß und ich habe mir ein Design geschaffen, das die Produktionskosten um 10 oder mehr senken kann.

• Einsatz einer automatisierten Reinigung mit sehr geringem Wasserverbrauch

Wie bereits erläutert, glänzt CPV an besonders rauen Orten, an denen die Wasserverfügbarkeit normalerweise sehr knapp ist. Das Hinzufügen eines sehr wirtschaftlichen Reinigungssystems ist unerlässlich, die Verwendung bestehender Gebäudefensterreinigungstechnologien anstelle der Entwicklung neuer könnte der Schlüssel sein.

Fazit

Das Ende von CPV kann nur ein Rückschlag sein, da diese Technologie immer noch das Potenzial hat, Standard-PV-Systeme zu übertreffen. Jetzt, da sich der Staub nach Zeiten hektischen Preisdumpings gelegt hat, kann CPV eine große Rolle als dauerhaftes Instrument zur Bekämpfung der globalen Erwärmung spielen.

Sagen Sie uns, was Sie von der Zukunft der Solarenergie halten und entdecken Sie, was ennomotive zu bieten hat.