Yoğunlaştırıcı fotovoltaikler - Concentrator photovoltaics

ABD, Las Vegas'taki bu Amonix sistemi, her biri güneş ışığını ~500X daha yüksek yoğunluğa küçük, yüksek verimli çok eklemli bir güneş pili üzerine odaklayan binlerce küçük Fresnel lensinden oluşur . Ölçek için altına bir Tesla Roadster park edilmiş.
Konsantratörü fotovoltaik (GBM) çift eksenli modüller güneş izleyicinin de Golmud , Çin

Yoğunlaştırıcı fotovoltaikler ( CPV ) ( konsantrasyon fotovoltaikleri olarak da bilinir ), güneş ışığından elektrik üreten bir fotovoltaik teknolojidir. Geleneksel fotovoltaik sistemlerin aksine , güneş ışığını küçük, yüksek verimli, çok eklemli (MJ) güneş pillerine odaklamak için lensler veya kavisli aynalar kullanır . Ek olarak, CPV sistemleri , verimliliklerini daha da artırmak için genellikle güneş takip cihazları ve bazen bir soğutma sistemi kullanır.

Yüksek konsantrasyonlu fotovoltaik ( HCPV ) kullanan sistemler , mevcut tüm PV teknolojilerinin en yüksek verimliliğine sahiptir ve üretim modülleri için yaklaşık %40 ve sistemler için %30'a ulaşır. Arazi kullanımını, atık ısıyı ve malzemeyi ve sistem maliyetlerinin dengesini azaltma potansiyeline sahip daha küçük bir fotovoltaik diziyi mümkün kılarlar . Yıllık CPV kurulumlarının oranı 2012'de zirve yaptı ve kristal silikon fotovoltaiklerde daha hızlı fiyat düşüşü ile 2018'den beri sıfıra yakın . 2016 yılında, kümülatif CPV kurulumları , o yılki 230.000 MW olan küresel kurulu kapasitenin %0,2'sinden daha az olan 350 megawatt'a (MW) ulaştı .

HCPV, yoğunlaştırılmış güneş enerjisiyle (CSP) doğrudan rekabet eder, çünkü her iki teknoloji de , Amerika Birleşik Devletleri'nde Güneş Kuşağı bölgesi ve Güney Avrupa'da Altın Muz olarak da bilinen yüksek doğrudan normal ışımaya sahip alanlar için en uygunudur . CPV ve CSP, başlangıçtan itibaren özünde farklı teknolojiler olmalarına rağmen, genellikle birbirleriyle karıştırılır: CPV , güneş ışığından doğrudan elektrik üretmek için fotovoltaik etkiyi kullanırken, CSP - genellikle konsantre güneş termali olarak adlandırılır - güneşin radyasyonundan gelen ısıyı kullanmak için kullanır. Bir türbini çalıştırmak için buhar yapın, bu daha sonra bir jeneratör kullanarak elektrik üretir . 2012 itibariyle, CSP, CPV'den daha yaygındı .

Tarih

Yoğunlaştırıcı fotovoltaik araştırmaları, 1970'lerin ortalarından beri, başlangıçta bir ortadoğu petrol ambargosundan kaynaklanan enerji şoku tarafından teşvik edildi. New Mexico, Albuquerque'deki Sandia Ulusal Laboratuarları , on yılın sonlarında orada üretilen ilk modern benzeri fotovoltaik yoğunlaştırma sistemi ile ilk çalışmaların çoğunun yeriydi. İlk sistemleri, su soğutmalı silikon hücrelere ve iki eksenli izlemeye odaklanan nokta odaklı akrilik Fresnel lens kullanan doğrusal bir oluk yoğunlaştırıcı sistemiydi . Pasif bir ısı emici ile hücre soğutması ve cam üzerinde silikon Fresnel lenslerin kullanımı, 1979'da Madrid Teknik Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü'ndeki Ramón Areces Projesi tarafından gösterildi . Suudi Arabistan'daki 350 kW SOLERAS projesi - uzun yıllar sonrasına kadar en büyüğüydü - 1981'de Sandia/ Martin Marietta tarafından inşa edildi .

Araştırma ve geliştirme, 1980'ler ve 1990'lar boyunca önemli bir endüstri ilgisi olmaksızın devam etti. Hücre verimliliğindeki iyileştirmelerin, teknolojiyi ekonomik hale getirmek için gerekli olduğu kısa sürede anlaşıldı. Bununla birlikte, hem yoğunlaştırıcılar hem de düz PV tarafından kullanılan Si tabanlı hücre teknolojilerindeki gelişmeler, CPV'nin sistem düzeyindeki ekonomisini destekleyemedi. 2000'li yılların başında başlayan III-V Çok eklemli güneş pillerinin piyasaya sürülmesi, o zamandan beri açık bir farklılaştırıcı sağladı . MJ hücre verimliliği, araştırma ölçekli üretim seviyelerinde %34'ten (3-bağlantı) %46'ya (4-bağlantı) yükseldi. 2010'dan bu yana dünya çapında önemli sayıda çok MW'lık CPV projesi de devreye alınmıştır.

2016 yılında kümülatif CPV kurulumları , 230.000 MW olan küresel kurulu kapasitenin %0,2'sinden daha az olan 350 megawatt'a (MW) ulaştı . Ticari HCPV sistemleri, standart test koşulları altında (400'ün üzerindeki konsantrasyon seviyeleri ile) %42'ye varan anlık ("spot") verimliliklere ulaştı ve Uluslararası Enerji Ajansı , 2020'lerin ortalarında bu teknolojinin verimliliğini %50'ye çıkarma potansiyeli görüyor. Aralık 2014 itibariyle, yoğunlaştırıcı MJ hücreleri için en iyi laboratuvar hücresi verimliliği %46'ya ulaştı (dört veya daha fazla bağlantı). Dış mekan, çalışma koşulları altında, CPV modül verimliliği %33'ü ("güneşin üçte biri") aşmıştır. Sistem düzeyinde AC verimlilikleri %25-28 aralığındadır. CPV kurulumları Çin , Amerika Birleşik Devletleri , Güney Afrika , İtalya ve İspanya'da bulunmaktadır .

Zorluklar

Modern CPV sistemleri, güneş pili ısı alıcılar kullanılarak serin tutulduğu sürece, yüksek konsantrasyonlu güneş ışığında (yani yüzlerce güneşe eşdeğer konsantrasyon seviyelerinde) en verimli şekilde çalışır . Bulutlu ve bulutlu koşullarda oluşan dağınık ışık, yalnızca geleneksel optik bileşenler (yani makroskopik lensler ve aynalar) kullanılarak yüksek oranda konsantre edilemez. Puslu veya kirli koşullarda meydana gelen filtrelenmiş ışık, spektral olarak "ayarlanmış" çok eklemli (MJ) fotovoltaik hücrelerin seri bağlı bağlantılarında üretilen elektrik akımları arasında uyumsuzluklar üreten spektral varyasyonlara sahiptir . Bu CPV özellikleri, atmosferik koşullar idealin altında olduğunda güç çıkışında hızlı düşüşlere yol açar.

Nominal watt başına geleneksel PV sistemlerinden eşit veya daha fazla enerji üretmek için, CPV sistemleri bol miktarda doğrudan güneş ışığı alan alanlara yerleştirilmelidir . Bu, tipik olarak, ortalama DNI (olarak belirtilir doğrudan normal Işınım ) daha büyük 5.5-6 kWh / m 2 / gün veya 2000kWh / m 2 / yıl. Aksi takdirde, yıllıklandırılmış DNI ile GNI/GHI ( Küresel Normal Işınım ve Küresel Yatay Işınım ) ışınım verilerinin değerlendirmeleri, geleneksel PV'nin zaman içinde dünyanın çoğu bölgesinde halen mevcut olan CPV teknolojisinden daha iyi performans göstermesi gerektiği sonucuna varmıştır (örneğin bakınız).

GBM Güçlü Yönleri GBM Zayıf Yönleri
Doğrudan normal ışınlama altında yüksek verimlilik HCPV diffüz radyasyon kullanamaz. LCPV, dağınık radyasyonun yalnızca bir kısmını kullanabilir.
Üretim sermayesinin watt başına düşük maliyeti MJ güneş pillerinin güç çıkışı, değişen atmosferik koşulların neden olduğu radyasyon spektrumlarındaki kaymalara karşı daha hassastır.
Düşük sıcaklık katsayıları Yeterli doğruluk ve güvenilirlikle izleme gereklidir.
Pasif soğutmalı sistemler için soğutma suyu gerekmez Sahaya bağlı olarak kirlenme kayıplarını azaltmak için sık temizlik gerektirebilir
Aktif soğutmanın mümkün olduğu sistemler için atık ısının ek kullanımı mümkündür (eglarge ayna sistemleri) Sınırlı pazar – yalnızca yüksek DNI'ye sahip bölgelerde kullanılabilir, çatılara kolayca kurulamaz
Modüler – kW - GW ölçeği Elektrik üretimi için rakip teknolojilerin güçlü maliyet düşüşü
(İki eksenli) takip sayesinde gün boyunca artan ve istikrarlı enerji üretimi Banka ve algı sorunları
Düşük enerji geri ödeme süresi Üretim geçmişi olmayan yeni nesil teknolojiler (dolayısıyla artan risk)
Arazinin potansiyel çift kullanımı, örneğin tarım için, düşük çevresel etki optik kayıplar
Maliyet azaltma için yüksek potansiyel Teknoloji standardizasyonunun olmaması
Yerli üretim için fırsatlar -
Daha küçük hücre boyutları, yarı iletken fiyatlarındaki farklılıklar nedeniyle modül fiyatlarındaki büyük dalgalanmaları önleyebilir. -
Tek eklemli düz plaka sistemlerine kıyasla gelecekte verimlilik artışı için daha fazla potansiyel, arazi alanı kullanımında, BOS maliyetlerinde ve BOP maliyetlerinde daha büyük iyileştirmelere yol açabilir -
Kaynak: GBM raporunun Mevcut Durumu, Ocak 2015. Tablo 2: GBM'nin güçlü ve zayıf yönlerinin analizi.

Devam eden araştırma ve geliştirme

Uluslararası CPV-x Konferansı - Tarihsel Katılım İstatistikleri. Veri Kaynağı - GBM-x Proceedings

CPV araştırma ve geliştirme, on yıldan fazla bir süredir 20'den fazla ülkede yürütülmektedir. Yıllık CPV-x konferans serisi, üniversite, devlet laboratuvarı ve endüstri katılımcıları arasında birincil bir ağ oluşturma ve değişim forumu olarak hizmet etti. Devlet kurumları ayrıca bir dizi spesifik teknoloji hamlesini teşvik etmeye devam etti.

ARPA-E , mevcut CPV teknolojisinin konum ve masraf zorluklarıyla daha fazla mücadele etmek için 2015 yılının sonlarında MOSAIC Programı (Entegre Konsantrasyonlu Mikro Ölçekli Optimize Edilmiş Güneş Pili Dizileri) için ilk Ar-Ge finansmanı turunu duyurdu. Program açıklamasında belirtildiği gibi: "MOSAIC projeleri üç kategoriye ayrılır: Yüksek Doğrudan Normal Işıma (DNI) güneş radyasyonuna sahip ABD güneybatısındaki güneşli alanlar gibi bölgeler için mikro-CPV'yi maliyet etkin bir şekilde entegre eden eksiksiz sistemler; ABD Kuzeydoğu ve Ortabatı bölgeleri gibi düşük DNI güneş ışınımına veya yüksek yaygın güneş ışınımına sahip bölgeler ve teknolojik zorluklara kısmi çözümler arayan kavramlar için geçerlidir."

Avrupa'da CPVMATCH Programı (En Yüksek Verimlilik için Gelişmiş Teknolojiler ve Hücreler Kullanan Konsantre FotoVoltaik Modüller) "HCPV modüllerinin pratik performansını teorik sınırlara yaklaştırmayı" amaçlar. 2019 yılına kadar ulaşılabilecek verimlilik hedefleri, >800x konsantrasyonda hücreler için %48 ve modüller için %40 olarak belirlenmiştir. 2018 sonunda %41.4 modül verimliliği açıklandı.

Avustralya Yenilenebilir Enerji Ajansı (ARENA), Raygen tarafından geliştirilen HCPV teknolojisinin daha fazla ticarileştirilmesi için 2017 yılında desteğini genişletti. 250 kW'lık yoğun dizi alıcıları, %40,4'lük kanıtlanmış PV verimliliği ile şimdiye kadar yaratılmış en güçlü CPV alıcılarıdır ve kullanılabilir ısı kojenerasyonu içerir.

Kendi dahili izleyicisini içeren düşük konsantrasyonlu bir güneş cihazı, güneş pilinin verimliliğini düşük maliyetle artıracak olan ISP Solar tarafından geliştirilmektedir.

Yeterlik

1975'ten bu yana güneş pili verimliliğine ilişkin rapor edilen kayıtlar. Aralık 2014 itibariyle, en iyi laboratuvar hücresi verimliliği %46'ya ulaştı ( çok-bağlantılı yoğunlaştırıcı, 4+ bağlantı için).

Teoriye göre, yarı iletken özellikleri, güneş pillerinin , nominal bir güneş ışınımı seviyesi altında olduğundan daha yoğun ışıkta daha verimli çalışmasına izin verir . Bunun nedeni, üretilen akımdaki orantılı bir artışla birlikte, daha yüksek aydınlatmaya yanıt olarak çalışma geriliminde de logaritmik bir artış meydana gelmesidir.

Açık olmak gerekirse, bir tepe güneş ışınımı Q karşılık gelir = 1000 Watt / m yer yüzeyinde "tek güneş" aydınlatma altında bir güneş pili tarafından üretilen gücü (P) dikkate 2 . Hücre gücü, açık devre voltajının (V oc ), kısa devre akımının (I sc ) ve hücrenin karakteristik akım-voltaj (IV) eğrisinin doldurma faktörünün (FF) bir fonksiyonu olarak ifade edilebilir :

Hücrenin konsantrasyon (χ) ve ışıma (χQ) karşılık gelen "χ-güneşler" de artan aydınlatması üzerine, benzer şekilde ifade edilebilir:

burada, referansla gösterildiği gibi:

ve

"Yüksek kaliteli" bir güneş pili için birimsiz doldurma faktörünün tipik olarak 0.75-0.9 aralığında olduğunu ve pratikte, belirli hücre yapısı için öncelikle eşdeğer şönt ve seri dirençlere bağlı olabileceğini unutmayın. Yoğunlaştırıcı uygulamaları için, FF ve FF χ , yüksek şönt direncine ve çok düşük seri dirence (<1 miliohm) karşılık gelen, her ikisi de bire yakın olan benzer değerlere sahip olmalıdır.

Tek güneş ve χ-güneşler altındaki (A) alanlı bir hücrenin verimleri şu şekilde tanımlanır:

ve

Konsantrasyon altındaki verim daha sonra χ cinsinden ve hücre özellikleri şu şekilde verilir:

burada kT/q terimi, bir güneş pilinin pn bağlantısından akan gibi, termalleştirilmiş bir elektron popülasyonunun voltajıdır ( termal voltaj olarak adlandırılır ) ve yaklaşık olarak bir değere sahiptir.25.85 mV oda sıcaklığında (300K ).

η χ'nin η'a göre verimlilik artışı, kabaca farklı hücre teknolojilerini temsil eden bir dizi tipik açık devre voltajı için aşağıdaki tabloda listelenmiştir. Tablo, geliştirmenin χ = 1000 konsantrasyonda %20-30 kadar olabileceğini göstermektedir. Hesaplama, FF χ /FF=1; aşağıdaki tartışmada açıklığa kavuşturulan bir varsayım.

Güneş Işığı Konsantrasyonu Nedeniyle Teorik Hücre Verimliliği Artışı
Hücre
Teknolojisi
Çok kristalli
Silikon
Mono-kristal
Silikon

GaAs üzerinde üçlü kavşak III-V
Yaklaşık
Kavşak V oc
550 mV 700 mV 850 mV
χ = 10 %10,8 %8.5 %7,0
χ = 100 %21.6 %17.0 %14.0
χ = 1000 %32,5 %25.5 %21.0

Uygulamada, güneş ışığı konsantrasyonu altında ortaya çıkan daha yüksek akım yoğunlukları ve sıcaklıkları , hücrenin IV özelliklerini bozmaktan veya daha da kötüsü, kalıcı fiziksel hasara neden olmaktan kaçınmak için zor olabilir. Bu tür etkiler, FFχ /FF oranını yukarıda gösterilen tablo değerlerinden daha da büyük bir yüzde ile birliğin altına düşürebilir . Geri dönüşü olmayan hasarı önlemek için, konsantrasyon altında hücre çalışma sıcaklığındaki artış, uygun bir soğutucu kullanılarak kontrol edilmelidir . Ek olarak, hücre tasarımının kendisi, rekombinasyonu ve temas , elektrot ve bara dirençlerini hedef konsantrasyona ve ortaya çıkan akım yoğunluğuna uygun seviyelere indiren özellikleri içermelidir . Bu özellikler arasında ince, düşük kusurlu yarı iletken katmanlar; kalın, düşük dirençli elektrot ve bara malzemeleri; ve küçük (genellikle <1 cm 2 ) hücre boyutlarına.

Bu özellikler dahil olmak üzere, karasal CPV uygulamaları için geliştirilmiş en iyi ince film çok-bağlantılı fotovoltaik hücreler , 500-1000 güneş kadar yüksek konsantrasyonlarda (yani 50-100 Watts/cm 2 ' lik ışınımlar) güvenilir çalışma sağlar . 2014 yılı itibariyle verimlilikleri %44'ün üzerinde (üç kavşak), önümüzdeki yıllarda %50'ye (dört veya daha fazla kavşak) yaklaşma potansiyeli var. Teorik sınırlayıcı verim konsantrasyonu altında olası bir uygulama en fazla 5 kavşaklar, 65% yaklaşır.

optik tasarım

Tüm CPV sistemlerinde bir güneş pili ve bir konsantre optik bulunur. CPV için optik güneş ışığı yoğunlaştırıcıları, onları diğer optik tasarımların çoğundan farklı kılan özelliklerle çok özel bir tasarım sorunu ortaya çıkarır. Verimli, seri üretime uygun, yüksek konsantrasyon yapabilen, üretim ve montaj hatalarına karşı duyarsız ve hücrenin tek tip aydınlatmasını sağlayabilen olmalıdır. Tüm bu nedenler, görüntülemesiz optikleri CPV için en uygun hale getirir . Görüntüleme olmayan optikler genellikle çeşitli aydınlatma uygulamaları için kullanılır. Yüksek verim elde etmek için yüksek geçirgenliğe sahip cam gereklidir ve şekil hassasiyetini sağlamak için uygun üretim sürecinin kullanılması gerekir.

Çok düşük konsantrasyonlar için, görüntülemesiz optiklerin geniş kabul açıları , aktif güneş takibi ihtiyacını ortadan kaldırır. İçin orta ve yüksek konsantrasyonlarda, geniş bir kabul açısı optik tüm sistemde kusurları için ne kadar dayanıklı bir ölçüsü olarak görülebilir. Geniş bir kabul açısıyla başlamak, izleme hatalarına, sistemin rüzgar nedeniyle hareketlerine, kusurlu üretilmiş optiklere, kusurlu monte edilmiş bileşenlere, destekleyici yapının sonlu sertliğine veya yaşlanma nedeniyle deformasyonuna uyum sağlayabilmesi gerektiğinden hayati önem taşır. diğer faktörler. Bunların hepsi ilk kabul açısını azaltır ve hepsi hesaba katıldıktan sonra, sistem hala güneş ışığının sonlu açısal açıklığını yakalayabilmelidir.

Türler

CPV sistemleri, "güneşler" ( büyütmenin karesi ) cinsinden ölçülen güneş konsantrasyonlarının miktarına göre sınıflandırılır .

Düşük konsantrasyonlu PV (LCPV)

Cam merceklemeyi gösteren bir Düşük Konsantrasyonlu PV Hücre yüzeyi örneği

Düşük konsantrasyonlu PV, güneş konsantrasyonu 2-100 güneş olan sistemlerdir. Ekonomik nedenlerle, tipik olarak geleneksel veya modifiye silikon güneş pilleri kullanılır. Isı akışı tipik olarak, hücrelerin aktif olarak soğutulmasına gerek kalmayacak kadar düşüktür. Standart güneş modülleri için, konsantrasyon seviyesi düşükse hiçbir izleme veya soğutma modifikasyonunun gerekli olmadığına dair modelleme ve deneysel kanıtlar da vardır.

Düşük konsantrasyonlu sistemler genellikle, güneş enerjisi çıkışını yoğunlaştırıcı olmayan PV sistemlerine göre %30'un üzerinde artırabilen basit bir yükseltici reflektöre sahiptir. Kanada'daki bu tür LCPV sistemlerinden elde edilen deneysel sonuçlar, prizmatik cam için %40'ın üzerinde ve geleneksel kristal silikon PV modülleri için %45'in üzerinde enerji kazanımı ile sonuçlandı .

Orta konsantrasyon PV

100 ila 300 güneşlik konsantrasyonlardan CPV sistemleri, iki eksenli güneş izleme ve soğutma (pasif veya aktif) gerektirir, bu da onları daha karmaşık hale getirir.

10×10 mm HCPV güneş pili

Yüksek konsantrasyonlu PV (HCPV)

Yüksek konsantrasyonlu fotovoltaik (HCPV) sistemleri, güneş ışığını 1.000 güneş veya daha fazla yoğunlukta yoğunlaştıran çanak reflektörler veya fresnel lenslerden oluşan konsantre optikler kullanır. Güneş pilleri, termal tahribatı önlemek ve sıcaklığa bağlı elektriksel performans ve yaşam beklentisi kayıplarını yönetmek için yüksek kapasiteli ısı emiciler gerektirir. Konsantre soğutma tasarımını daha da kötüleştirmek için, ısı emici pasif olmalıdır, aksi takdirde aktif soğutma için gereken güç, genel dönüştürme verimliliğini ve ekonomiyi azaltacaktır . Çok eklemli güneş pilleri , daha verimli oldukları ve daha düşük bir sıcaklık katsayısına sahip oldukları için (sıcaklıktaki artışla verimde daha az kayıp) şu anda tek eklemli hücrelere göre tercih edilmektedir. Her iki hücre tipinin verimliliği artan konsantrasyonla artar; çok kavşak verimliliği daha hızlı yükselir. Orijinal olarak konsantre edilmesi için tasarlanmış çok bağlantı güneş pilleri, uzay-bazlı uyduları PV nedeniyle CPV (tipik olarak 8 A / cm karşılaşılan yüksek akım yoğunluğu yeniden dizayn edilmiş 2 500 güneşi de). Çok eklemli güneş pillerinin maliyeti, aynı alandaki geleneksel silikon pillerin yaklaşık 100 katı olmasına rağmen, kullanılan küçük hücre alanı, her sistemdeki hücrelerin nispi maliyetlerini karşılaştırılabilir hale getirir ve sistem ekonomisi, çok eklemli hücreleri tercih eder. Çok eklemli hücre verimliliği, üretim hücrelerinde artık %44'e ulaştı.

Yukarıda verilen %44 değeri, "standart test koşulları" olarak bilinen belirli bir dizi koşul içindir. Bunlar, belirli bir spektrumu, 850 W / m bir olay optik gücü dahil 2 , ve 25 ° C'lik bir hücre sıcaklığı. Bir yoğunlaştırma sisteminde, hücre tipik olarak değişken spektrum, daha düşük optik güç ve daha yüksek sıcaklık koşulları altında çalışacaktır. Işığı yoğunlaştırmak için gereken optikler, %75-90 aralığında sınırlı verimliliğe sahiptir. Bu faktörleri hesaba katarsak, %44'lük çok bağlantı hücreli bir güneş modülü, %36 civarında bir DC verimliliği sağlayabilir. Benzer koşullar altında, kristalli bir silikon modül, %18'den daha az bir verim sağlar.

Yüksek verimli çok eklemli güneş pillerinde olduğu gibi yüksek konsantrasyon gerektiğinde (500-1000 kez), yeterli bir kabul açısı ile bu tür bir konsantrasyonun elde edilmesi sistem düzeyinde ticari başarı için çok önemli olacaktır. . Bu, tüm bileşenlerin seri üretiminde toleransa izin verir, modül montajını ve sistem kurulumunu rahatlatır ve yapısal elemanların maliyetini düşürür. CPV'nin asıl amacı güneş enerjisini ucuza getirmek olduğundan, kullanılabilecek sadece birkaç yüzey vardır. Eleman sayısının azaltılması ve yüksek kabul açısının elde edilmesi, optik yüzey profillerinin doğruluğu, modül montajı, kurulum, destekleyici yapı vb. gibi optik ve mekanik gereksinimleri hafifletebilir. Bu amaçla, güneş şekli modellemesinde iyileştirmeler yapılır. sistem tasarım aşaması daha yüksek sistem verimliliğine yol açabilir.

Güvenilirlik

Daha yüksek sermaye maliyetleri , daha az standardizasyon ve eklenen mühendislik ve operasyonel karmaşıklıklar (sıfır ve düşük konsantrasyonlu PV teknolojilerine kıyasla), uzun ömürlü performansı CPV teknolojilerinin ilk nesilleri için kritik bir gösteri hedefi haline getirir. Performans sertifika standartları ( UL 3703, UL 8703, IEC 62108, IEC 62670, IEC 62789 ve IEC 62817), başlangıçtaki bazı ağırlıklı olarak bebek ve erken yaşam (<1–2 yıl) arıza modlarını ortaya çıkarmak için faydalı olabilecek stres testi koşullarını içerir . sistem, izleyici, modül, alıcı ve diğer alt bileşen seviyeleri. Bununla birlikte, bu tür standart testler - tipik olarak sadece küçük bir ünite örneklemesi üzerinde gerçekleştirilir - genellikle, daha geniş bir fiili - ve bazen beklenmedik - çalışma koşulları. Bu nedenle, bu karmaşık sistemlerin güvenilirliği sahada değerlendirilir ve hızlandırılmış bileşen/sistem yaşlanması , performans izleme teşhisi ve arıza analizi sonuçlarıyla yönlendirilen agresif ürün geliştirme döngüleriyle iyileştirilir . Sistem bankacılığına güven oluşturmak için endişeler daha iyi ele alındığında, CPV'nin dağıtımında önemli bir büyüme beklenebilir.

İzleyici dayanıklılığı ve bakımı

İzleyici modern HCPV sistemi ve modül destek yapısının, her yeterli alıcı toplama optik kabul açısı içinde ortalanmış güneş kaynak tutmak amacıyla ° -0.3 ° 0,1 içinde doğru devam etmektedir ve bu nedenle, PV hücrelerinin üzerinde konsantre olmalıdır. Bu, değişen hareketlerin ve yüklerin streslerine maruz kalan herhangi bir mekanik sistem için zorlu bir gerekliliktir. Bu nedenle, sistem performansını beklenen ömrü boyunca korumak için izleyicinin periyodik olarak yeniden hizalanması ve bakımı için ekonomik prosedürler gerekebilir.

Alıcı sıcaklık kontrolü

HCPV sistemlerinin maksimum çok-bağlantılı güneş pili çalışma sıcaklıkları (T max hücre ), içsel güvenilirlik sınırlamaları nedeniyle yaklaşık 110 °C'nin altında sınırlıdır . Bu , birkaç yüz dereceyi aşan sıcaklıklarda çalışmak üzere tasarlanabilen CSP ve diğer CHP sistemleriyle çelişir . Daha spesifik olarak, hücreler, çalışma sırasında bir Arrhenius tipi sıcaklık bağımlılığı ile hızla azalan içsel yaşam sürelerine sahip olan ince film III-V yarı iletken malzemelerin bir katmanından üretilir . Bu nedenle sistem alıcısı, yeterince sağlam aktif ve/veya pasif yöntemlerle yüksek verimli ve düzgün hücre soğutması sağlamalıdır. Alıcının ısı transfer performansındaki malzeme ve tasarım sınırlamalarına ek olarak, sık sistem termal döngüsü gibi diğer dış faktörler , uzun sistem ömrü ile uyumlu pratik T max alıcısını yaklaşık 80 °C'nin altına düşürür .

Tesisler

Yoğunlaştırıcı fotovoltaik teknolojisi, 2006-2015 döneminde güneş enerjisi endüstrisinde varlığını kanıtlamıştır. 1 MW seviyesini aşan ilk HCPV santrali 2006 yılında İspanya'da işletmeye alınmıştır. 2015 yılı sonunda, CPV santrallerinin sayısı (her ikisi de dahil) LCPV ve HCPV), dünya genelinde toplam 350 MW kurulu güce karşılık gelmektedir. 2010'dan bu yana çeşitli kurulumlardan toplanan saha verileri de uzun vadede sistem güvenilirliğini karşılaştırıyor.

Kasım 2014'e kadar ülkeye göre MW cinsinden kümülatif CPV Kurulumları
2002'den 2015'e MW cinsinden Yıllık Kurulu CPV Kapasitesi.
2002'den 2015'e GW cinsinden Yıllık Kurulu PV Kapasitesi.

Gelişmekte olan CPV segmenti, 2017'ye kadar olan on yılda PV kurulumları için hızla büyüyen kamu hizmeti piyasasının ~%0,1'ini oluşturdu. Ne yazık ki, geleneksel düz panel PV fiyatlarındaki hızlı düşüşün ardından, CPV endüstrisi büyümesi için yakın vadeli görünüm zayıfladı. Suncore , Soitec , Amonix ve SolFocus dahil olmak üzere en büyük HCPV üretim tesislerinin kapatılmasının işaret ettiği gibi . Hassas HCPV çift eksenli izleyicilerin bakımının daha yüksek maliyeti ve karmaşıklığının da bazı durumlarda özellikle zorlayıcı olduğu bildirilmiştir. Bununla birlikte, bir bütün olarak PV endüstrisi için büyüme görünümü güçlü olmaya devam ediyor, bu da CPV teknolojisinin sonunda yerini göstereceğine dair sürekli bir iyimserlik sağlıyor.

En büyük HCPV sistemlerinin listesi

Bir CPV santralinde bir sistemin saha testi.

Geleneksel PV'ye benzer şekilde, bir sistemin tepe DC derecelendirmesi, DNI = 1000 W/m 2 , AM 1.5D ve T hücresi = 25 ° olan yoğunlaştırıcı standart test koşulları (CSTC) altında MW p (veya bazen MW DC ) olarak belirtilir. C, IEC 62670 standart sözleşmesine göre. AC üretim kapasitesi, DNI=900 W/m 2 , AM1.5D, T ortam =20 °C ve Rüzgar hızı=2 m/s olan IEC 62670 yoğunlaştırıcı standart çalışma koşulları (CSOC) kapsamında MW AC olarak belirtilir ve inverter verimliliği, daha yüksek/düşük güneş kaynağı ve diğer tesise özgü faktörler için ayarlamaları içerir. Şu anda faaliyette olan en büyük CPV enerji santrali , Suncore Photovoltaics tarafından barındırılan Çin'in Golmud şehrinde bulunan 138 MW p değerine sahiptir .

Güç istasyonu Derecelendirme
(MW p )
Kapasite
(MW AC )
Yıl
Tamamlandı
Konum GBM
Satıcısı
Referans
Golmud (1 ve 2) 137.8 110 2012 - 2013 Golmud/Qinghai eyaleti/Çin'de güneş çekirdeği
Touwsrivier CPV Projesi 44.2 36 2014 Touwsrivier/Western Cape/Güney Afrika'da soitek
Alamosa Güneş Projesi 35.3 30 2012 Alamosa, Colorado/San Luis Valley/ABD'de Amonix
Hami (1, 2 ve 3) 10.5 9.0 2013 - 2016 Hami/Sincan eyaleti/Çin'de Soitec-Focusic
Navarra CPV Tesisi 9.1 7.8 2010 Villafranca/Navarra eyaleti/İspanya'da Amonix-Guascor Foton
Kaynak: CPV Konsorsiyumu

Amerika Birleşik Devletleri'ndeki HCPV sistemlerinin listesi

Güç istasyonu Derecelendirme
(MW p )
Kapasite
(MW AC )
Yıl
Tamamlandı
Konum GBM
Satıcısı
Sahip/Operatör Referans
Alamosa Güneş Projesi 35.3 30 2012 Alamosa, Kolorado Amonix Cogentrix
Çöl Yeşili Güneş Çiftliği 7.80 6.3 2014 Borrego Spgs, Kaliforniya soitek enerji
Hatch Güneş Enerjisi Merkezi 5.88 5.0 2011 Hatch, New Mexico Amonix SonrakiEra Enerji
Arizona Üniversitesi CPV Dizisi 2.38 2.0 2011 Tucson, Arizona Amonix Arzon Güneş
Newberry Springs CPV Enerji Santrali 1.68 1.5 2013 Newberry Spgs, Kaliforniya soitek DURUM
Crafton Hills Koleji Güneş Enerjisi Çiftliği 1.61 1.3 2012 Yucaipa, Kaliforniya SolFocus Crafton Hills Koleji
Victor Valley Koleji Güneş Çiftliği 1.26 1.0 2010 Victorville, Kaliforniya SolFocus Victor Vadisi Koleji
Eubank Depolama Alanı Güneş Dizisi 1.21 1.0 2013 Albuquerque, New Mexico güneş çekirdeği emcore güneş
Questa Güneş Tesisi 1.17 1.0 2010 Questa, New Mexico soitek şerit
Fort Irwin CPV Projesi 1.12 1.0 2015 Fort Irwin, Kaliforniya soitek ABD Savunma Bakanlığı
Kaynak: CPV Konsorsiyumu

Amerika Birleşik Devletleri'ndeki LCPV sistemlerinin listesi

Güç istasyonu Kapasite
(MW AC )
Yıl
Tamamlandı
Konum koordinatlar GBM
Satıcısı
Sahip/Operatör Referans
Fort Churchill Güneş Dizisi 19.9 2015 Yerington, Nevada 39°07′41″K 119°08′24″G / 39.12806°K 119.14000°B / 39.12806; -119.14000 ( Fort Churchill Solar ) Güneş enerjisi Apple Inc./ NV Enerji
Springerville Güneş Çiftliği 6.0 2013 Springerville, Arizona 34°17′40″K 109°16′17″G / 34.29444°K 109.27139°B / 34.29444; -109.27139 ( Springerville LCPV ) Güneş enerjisi Tucson Elektrik Gücü
ASU Politeknik CPV Dizisi 1.0 2012 Mesa, Arizona 33°17′37″K 111°40′38″G / 33.29361°K 111.67722°B / 33.29361; -111.67722 ( ASU Poli LCPV ) Güneş enerjisi Güneş enerjisi

Konsantre fotovoltaik ve termal

Yoğunlaştırıcı fotovoltaikler ve termal ( CPVT ), bazen birleştirilmiş ısı ve güç güneşi ( CHAPS ) veya hibrit termal CPV olarak da adlandırılır , aynı sistem içinde kullanılabilir ısı ve elektrik üreten yoğunlaştırıcı fotovoltaik alanında kullanılan bir kojenerasyon veya mikro kojenerasyon teknolojisidir. 100'den fazla güneşin (HCPVT) yüksek konsantrasyonlarında CPVT, çift eksenli izleme ve çok bağlantılı fotovoltaik hücreler dahil olmak üzere HCPV ile benzer bileşenleri kullanır . Bir akışkan, entegre termal-fotovoltaik alıcıyı aktif olarak soğutur ve aynı anda toplanan ısıyı taşır.

Tipik olarak, bir veya daha fazla alıcı ve bir ısı eşanjörü , kapalı bir termal döngü içinde çalışır. Verimli genel çalışmayı sürdürmek ve termal kaçaktan kaynaklanan hasarı önlemek için, eşanjörün ikincil tarafından gelen ısı talebi sürekli olarak yüksek olmalıdır. HCPVT için %35'e kadar elektrik ve %40'ı aşan termal ile optimum çalışma koşulları altında %70'i aşan toplama verimlilikleri beklenmektedir. Bir sistemin belirli termal uygulamanın taleplerini karşılayacak şekilde ne kadar iyi tasarlandığına bağlı olarak net işletme verimliliği önemli ölçüde daha düşük olabilir.

CPVT sistemlerinin maksimum sıcaklığı, ilave buhar bazlı elektrik kojenerasyonu için tek başına bir kazana güç sağlamak için çok düşük, tipik olarak 80-90 °C'nin altındadır. CSP sistemlerine kıyasla bu çok düşük sıcaklıklar ayrıca CPVT'yi verimli ve ekonomik termal enerji depolama (TES) ile daha az uyumlu hale getirir . Yakalanan termal enerji yine de doğrudan bölgesel ısıtma , su ısıtma ve iklimlendirme , tuzdan arındırma veya proses ısısında kullanılabilir . Daha düşük veya kesintili talebi olan termal uygulamalar için, net işletme verimliliğinde ortaya çıkan azalmaya rağmen hücre ömrünü korumak ve güvenilir fotovoltaik çıktıyı sürdürmek için bir sistem dış ortama değiştirilebilir bir ısı dökümü ile güçlendirilebilir.

HCPVT aktif soğutma, çoğunlukla tek ~20 W hücrelerin pasif soğutmasına dayanan HCPV sistemlerine kıyasla, tipik olarak 1-100 kilowatt (kW) elektrik üreten çok daha yüksek güçlü termal-fotovoltaik alıcı birimlerin kullanılmasını sağlar. Bu tür yüksek güçlü alıcılar, yüksek verimli bir ısı emici üzerine monte edilmiş yoğun hücre dizilerini kullanır . Bireysel alıcı birimlerinin sayısını en aza indirmek, sonuçta sistem maliyetleri, üretilebilirlik, bakım yapılabilirlik/yükseltilebilirlik ve güvenilirlik genel dengesinde iyileştirme sağlayabilecek bir basitleştirmedir. Alıcıları birleştiren bir sistem 1 MA kadar büyüklükte elektrik 2 / MW ısı TES ile birlikte sağlamak için önerilmiştir Organik Rankine çevrimi talep üzerine elektrik sağlamak için jeneratör.

Bu 240 x 80 mm 1.000 güneşlik CPV ısı alıcı tasarımı termal animasyonu, yüksek çözünürlüklü CFD analizi kullanılarak oluşturulmuştur ve tahmin edildiği gibi sıcaklık konturlu ısı alıcı yüzeyini ve akış yörüngelerini gösterir.

Gösteri projeleri

Olgun bir CPVT endüstrisinin ekonomisinin, geleneksel silikon PV (benzer elektrik + termal üretim yetenekleri sağlamak için geleneksel CSP'nin yanına kurulabilen) için son zamanlardaki büyük maliyet düşüşlerine ve kademeli verimlilik iyileştirmelerine rağmen rekabetçi olması beklenmektedir. CPVT şu anda aşağıdaki uygulama özelliklerinin tümüne sahip niş pazarlar için ekonomik olabilir:

  • yüksek güneş doğrudan normal ışıması (DNI)
  • güneş kollektörü dizisinin yerleştirilmesi için dar alan kısıtlamaları
  • düşük sıcaklıkta (<80 °C) ısı için yüksek ve sürekli talep
  • şebeke elektriğinin yüksek maliyeti
  • yedek güç kaynaklarına veya uygun maliyetli depolamaya erişim (elektrik ve termal)

Bir enerji satın alma anlaşmasının (PPA), devlet yardım programlarının ve yenilikçi finansman planlarının kullanılması, potansiyel üreticilerin ve kullanıcıların erken CPVT teknolojisini benimseme risklerini azaltmalarına da yardımcı oluyor.

Düşük (LCPVT) ile yüksek (HCPVT) konsantrasyon arasında değişen CPVT ekipman teklifleri, şimdi birkaç başlangıç ​​girişimi tarafından dağıtılıyor . Bu nedenle, herhangi bir bireysel sistem sağlayıcısı tarafından izlenen teknik ve/veya ticari yaklaşımın uzun vadeli uygulanabilirliği tipik olarak spekülatiftir. Özellikle, başlangıçların minimum uygulanabilir ürünleri , güvenilirlik mühendisliğine dikkatlerinde büyük ölçüde değişebilir . Bununla birlikte, bazı erken endüstri eğilimlerinin tanımlanmasına yardımcı olmak için aşağıdaki eksik derleme sunulmaktadır.

Yansıtıcı oluk yoğunlaştırıcılar kullanan ~14x konsantrasyonda LCPVT sistemleri ve yoğun ara bağlantılara sahip silikon hücrelerle kaplanmış alıcı borular, talep edilen %75 verimlilikle (~%15-20 elektrik, %60 termal) Cogenra tarafından monte edilmiştir. Bu tür birkaç sistem 2015 itibariyle 5 yıldan fazla bir süredir çalışıyor ve benzer sistemler Absolicon ve Idhelio tarafından sırasıyla 10x ve 50x konsantrasyonda üretiliyor.

700x'in üzerinde konsantrasyonda HCPVT teklifleri daha yakın zamanda ortaya çıkmıştır ve üç güç katmanında sınıflandırılabilir. Üçüncü kademe sistemler, daha önce Amonix ve SolFocus tarafından HCPV için öncülük edilenlere benzer şekilde, ~20W tek hücreli alıcı/toplayıcı birimlerinden oluşan geniş dizilerden oluşan dağıtılmış jeneratörlerdir. İkinci kademe sistemler, alıcı/jeneratör ünitesi başına 1-100 kW elektrik gücü çıkışı üreten lokalize yoğun hücre dizilerini kullanır. Birinci kademe sistemler, 100 kW elektrik çıktısını aşar ve en çok kamu hizmeti piyasasını hedeflemede agresiftir.

Birkaç HCPVT sistem sağlayıcısı aşağıdaki tabloda listelenmiştir. Neredeyse tamamı, 2015 itibariyle 5 yıldan daha kısa bir süredir hizmette olan erken gösterim sistemleridir. Toplanan termik güç, tipik olarak, nominal elektrik gücünün 1,5x-2 katıdır.

Sağlayıcı Ülke Yoğunlaştırıcı Tipi kW e cinsinden Birim Boyutu Referans
Jeneratör Alıcı
- 1. kat -
Raygen Avustralya Büyük Heliostat Dizisi 250 250
- 2. Aşama -
Hava Işığı Enerji/dsolar İsviçre büyük tabak 12 12
Rehnu Amerika Birleşik Devletleri büyük tabak 6.4 0,8
Solartron Kanada büyük tabak 20 20
Güneybatı Güneş Amerika Birleşik Devletleri büyük tabak 20 20
Güneş İstiridyesi Almanya Büyük Tekne + Lens 4.7 2.35
Zenith Solar / Suncore İsrail/Çin/ABD büyük tabak 4.5 2.25
- Aşama 3 -
BSQ Güneş ispanya Küçük Lens Dizisi 13.44 0.02
Silex Güç Malta Küçük Çanak Dizisi 16 0.04
solerji İtalya/ABD Küçük Lens Dizisi 20 0.02

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar