Концентраторна фотоволтаика

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към: навигация, търсене

Концентраторната фотоволтаика (на английски: concentrator photovoltaics, CPV) е фотоволтаична технология, при която външни оптични елементи, най-често Френелови лещи и/или параболоидни огледала, концентрират слънчевата светлина върху високоефективни каскадни фотоволтаични елементи – полупроводникови съединения на елементи от III и V група или, по-рядко, монокристални силициеви елементи. Двуосови хелиостати осигуряват режим на работа под пряка слънчева светлина. Концентраторната фотоволтаика достига най-високите коефициенти на ефективност сред фотоволтаичните технологии с теоретичен максимум над 50% [1]:30, както и един от най-късите периоди на енергийна амортизация от под 1 година.[2]:32 Поради сравнително високите инвестиционни разходи от 1,40 – 2,20 €/Wp [3]:10 се счита, че технологията е рентабилна за географски ширини със средно годишно пряко слънчево облъчване (DNI) от над 2000 kWh/(m²a) [4]:6, а пазарният ѝ дял е малък.

Двуосов хелиостат носещ слънчеви панели с Френелови лещи, част от концентраторна фотоволтаична централа край Голмуд, Китай.


История[редактиране | редактиране на кода]

Прототипи на концентраторни фотоволтаични системи са разработени за пръв път през 1970-те години в Националните лаборатории „Sandia“ в САЩ.[5] Сериозно усложнение при първите системи се явява необходимостта от активно (водно) охлаждане на силициевите фотоволтаични елементи. През 1981 г. в рамките на саудитско-американската междуправителствена инициатива SOLARES компанията Martin Marietta (днес част от Lockheed Martin) изгражда в Саудитска Арабия централа с мощност 350 kW. Използвани са монокристални силициеви елементи с пасивно охлаждане и Френелови лещи от акрилно стъкло с 40-кратна (40×) концентрация.[6] Проектът наречен „Solar Village“, включващ още оловно-киселинни акумулатори и дизелов генератор покрива потреблението на три откъснати от електропреносната мрежа села и дълго време (поне до 1989 г.) остава най-голямата концентраторна фотоволтаична централа.

Технологичен принцип[редактиране | редактиране на кода]

Използваните каскадни фотоволтаични елементи представляват многопреходни хетероструктури от композитни полупроводници, най-често съединения от елементите галий, арсен, алуминий, фосфор и индий върху германиева, галиеварсенидна или, по-рядко, силициева подложка. За оптично съсредоточаване на слънчевата енергия често се използва така нареченият „трионообразен дизайн“, или Френелова леща.

Разновидности[редактиране | редактиране на кода]

В зависимост от коефициента на концентриране на слънчевата светлина се разграничават слабоконцентриращи (от 2× до 100×) и силноконцентриращи (от 300× до 1000×) системи.

Луминесцентен слънчев концентратор. Полимерна матрица абсорбира (част от) слънчевата светлина като флуоресцентни молекули я преобразуват в по-нискоенергийно лъчение (). Полимерът действа като световод (например чрез пълно вътрешно отражение) и отвежда емитираните нискоенергийни фотони до краищата на елемента, където се намират слънчеви батерии, оптимирани именно за този честотен диапазон.

Перспективи[редактиране | редактиране на кода]

SWOT-анализ, в сравнение основно с конвенционалната силициева фотоволтаика [4]:8
Плюсове Минуси
Висок КПД под пряка слънчева светлина Силноконцентриращите системи не могат да използват разсеяната слънчева светлина; слабоконцентриращите системи – само частично
Нисък температурен коефициент Нужда от (двуосов) хелиостат с висока точност
Ниска начална инвестиция необходима за производствените мощности, позволяваща бърз растеж на масовото производство В зависимост от условията на околната среда – евентуална необходимост от редовно чистене на опитичните компоненти
Модулярна архитектура, позволяваща гъвкаво оразмеряване на системата от kW до MW Повишен общ риск поради оскъдния опит при производството
По-високо и по-стабилно производство на електроенергия през целия ден благодарение на насочването чрез хелиостат Допълнителни оптични загуби
Много кратък период на енергийна амортизация
По-добри перспективи за увеличаване на КПД в бъдеще в сравнение с технологиите, базирани на еднопреходни полупроводникови елементи
Възможности Опасности
Уползотворяване на остатъчната топлинна енергия чрез системи с активно охлаждане Ограничен пазар; засега подходяща само за райони с високо пряко слънчево облъчване
Допълнително използване на заетата площ, например за земеделие Бързият спад на цените на конвенционалната силициева фотоволтаика силно затруднява навлизането на пазара дори на най-евтините концепти
Някои от компонентите на системата могат да бъдат произведени изгодно в непосредствена близост до бъдещите електроцентрали, често в страни от третия свят По-неизгодни условия за банково финансиране поради липсата на дългосрочен практически опит и по-малкото вече инсталирани мощности
По-слаба зависимост от колебанията в цената на полупроводниковите материали Липса на стандартизация на технологията
Инсталирани нови мощности по години [MWp] [4]:10
25
50
75
100
125
150
2002
2006
2010
2013
2016
  Силноконцентриращи системи (HCPV)
  Слабоконцентриращи системи (LCPV)



Мощности по държави [4]:12
(към 2016 г.) [MWp]
Китай
  
168.9
САЩ
  
83.2
Южна Африка
  
44.1
Италия
  
20.8
Испания
  
17
Франция
  
7.6
Португалия
  
5.1
Австралия
  
3.4
Тайван
  
1.6
Саудитска Арабия
  
1.6
Мексико
  
1.5
Гърция
  
1.2
Мароко
  
1
Чили
  
1
други
  
1.7
Общо
  
> 370


Стандарти[редактиране | редактиране на кода]

Стандарти за концентраторни слънчеви модули се разработват от работна група TC 82/WG 7 към Международната електротехническа комисия (МЕК).[7] За целите на метрологията са дефинирани два режима на работа – CSТC (concentrator standard test conditions) за лабораторни тестове на закрито и CSOC (concentrator standard operating conditions) за тестове на открито.[4]:5[8]

CSTC 1000 W/m²
(пряко облъчване)
AM1.5d 25 °C
(фотоволтаичен елемент)
концентраторна фотоволтаика
CSOC 900 W/m²
(пряко облъчване)
AM1.5d 20 °C
(околна среда)
2 m/s
скорост на вятъра
STC 1000 W/m²
(глобално облъчване)
AM1.5 25 °C
(модул)
не-концентраторна фотоволтаика

Поне до 2011 г. са се използвали различни нестандартизирани тестови условия, например 850 W/m² и 60 °C температура на фотоволтаичния елемент.[9]:505[10]

Външни препратки[редактиране | редактиране на кода]


Източници[редактиране | редактиране на кода]

  1. Bett, Andreas W. Challenges and Perspectives of CPV Technology (PDF). // Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, 2015. Посетен на 10 май 2017.
  2. Philipps, Simon. Photovotaics Report (PDF). // Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, 19 ноември 2016. Посетен на 9 май 2017.
  3. Kost, Christoph. Study: Levelized Cost of Electricity – Renewable Energy Technologies (PDF). // Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, ноември 2013. Посетен на 10 май 2017.
  4. а б в г д Fraunhofer ISE и NREL. Current Status of Concentrator Photovoltaic (CPV) Technology (PDF). // април 2017. Посетен на 10 май 2017.
  5. Burgess, E. L., and M. W. Edenburn. „One kilowatt photovoltaic subsystem using Fresnel lens concentrators.“ in Conference Record of Twelfth IEEE Photovoltaic Specialists Conf., Nov. Vol. 8. 1976.
  6. Huraib, Fahad. Design, installation, and initial performance of 350-kW photovoltaic power system for Saudi Arabian villages. // Fourth E.C. Photovoltaic Solar Energy Conference. Стреза, Италия, 10–14 май 1982, 57–66 с.
  7. IEC Technical Committee 82: Solar photovoltaic energy systems, Working Group 7: Concentrator modules. // Посетен на 11 май 2017.
  8. IEC 62670 – 1:2013 Photovoltaic concentrators (CPV) – Performance testing – Part 1: Standard conditions. // Посетен на 9 май 2017.
  9. Algora, Carlos, Rey-Stolle, Ignacio. Handbook on Concentrator Photovoltaic Technology. John Wiley & Sons, май 2016. ISBN 978-1-118-47296-5.
  10. PVsyst 6 Help – Glossary: STC. // Посетен на 15 май 2017.