Концентраторна фотоволтаика

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% , както и един от най-късите периоди на енергийна амортизация от под 1 година. Поради сравнително високите инвестиционни разходи от 1,40 – 2,20 €/Wp се счита, че технологията е рентабилна за географски ширини със средно годишно пряко слънчево облъчване (DNI) от над 2000 kWh/(m²a) , а пазарният ѝ дял е малък.

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

История

Прототипи на концентраторни фотоволтаични системи са разработени за пръв път през 1970-те години в Националните лаборатории „Sandia“ в САЩ. Сериозно усложнение при първите системи е 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. 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

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.

Оптична част

Първите концентраторни фотоволтаични системи от 1980-те години използват плоско-изпъкнала Френелова леща, която изобразява слънчевия диск върху сравнително малкия фотоволтаичен елемент. Съществуват две дефиниции за коефициента на концентрация на слънчевата светлина – геометрична и оптична (квантитативна):

$C_{\text{г}}={\dfrac {A_{\text{вх.}}}{A_{\text{сб}}}}$

$C_{\text{о}}={\dfrac {E_{\text{e,сб}}}{E_{\text{e,вх.}}}}$,

като $A_{\text{вх./сб}}$ и $E_{\text{e,вх./сб}}$ са площта в m² и лъчистият поток във W/m² съответно върху входящата апертура на оптичната система и активната зона на слънчевата батерия. За разлика от геометричната, оптичната дефиниция отчита оптичните загуби и може да се запише във вида $C_{\text{о}}=\eta _{\text{о}}C_{\text{г}}$, където $\eta _{\text{о}}\leq 1$ е ефективността на оптичната система. Често концентрацията се задава и в слънца (на английски: suns), като се има предвид лъчистият поток в слънчевия спектър попадащ върху фотоволтаичния елемент като кратно число на 1000 W/m² (1 слънце).

Разновидности

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 ($h\nu _{2}<h\nu _{1}$). 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

SWOT-анализ, в сравнение основно с конвенционалната силициева фотоволтаика

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; 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]

25

50

75

100

125

150

2002

2006

2010

2013

2016

  Силноконцентриращи системи (HCPV)
  Слабоконцентриращи системи (LCPV)

Мощности по държави

(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

Стандарти за концентраторни слънчеви модули се разработват от работна група TC 82/WG 7 към Международната електротехническа комисия (МЕК). 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.

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.

Външни препратки

• Направление Концентраторна фотоволтаика, Институт по слънчеви енергийни системи, Дружество „Фраунхофер“, Фрайбург
• Лаборатория по фотоволтаика, Физико-технически институт „А.Ф. Иоффе“, Руска академия на науките, Санкт-Петербург
• CPV Consortium – международна лобистка организация

Източници

• Green Rhino Energy