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% ^[1]^{:с. 30}, както и един от най-късите периоди на енергийна амортизация от под 1 година.^[2]^{:с. 32} Поради сравнително високите инвестиционни разходи от 1,40 – 2,20 €/Wp ^[3]^{:с. 10} се счита, че технологията е рентабилна за географски ширини със средно годишно пряко слънчево облъчване (DNI) от над 2000 kWh/(m²a) ^[4]^{:с. 6}, а пазарният ѝ дял е малък.

История

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 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.^[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

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.

Перспективи

SWOT-анализ, в сравнение основно с конвенционалната силициева фотоволтаика ^[4]^{:с. 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; 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]^{:с. 10}

25

50

75

100

125

150

2002

2006

2010

2013

2016

Силноконцентриращи системи (HCPV)
Слабоконцентриращи системи (LCPV)

Мощности по държави ^[4]^{:с. 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

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]^{:с. 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	концентраторна фотоволтаика
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]^{:с. 505}^[10]

Общомедия

Общомедия разполага с мултимедийно

съдържание за: Концентраторна фотоволтаика

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

↑ Bett, Andreas W. Challenges and Perspectives of CPV Technology (PDF) // Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, 2015. Архивиран от оригинала на 2021-11-03. Посетен на 10 май 2017.
↑ Philipps, Simon. Photovotaics Report (PDF) // Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, 19 ноември 2016. Посетен на 9 май 2017.
↑ Kost, Christoph. Study: Levelized Cost of Electricity – Renewable Energy Technologies (PDF) // www.ise.fraunhofer.de. Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, ноември 2013. Посетен на 10 май 2017.
↑ ^а ^б ^в ^г ^д Fraunhofer ISE и NREL. Current Status of Concentrator Photovoltaic (CPV) Technology (PDF) // април 2017. Посетен на 10 май 2017.
↑ 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.
↑ 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.
↑ IEC Technical Committee 82: Solar photovoltaic energy systems, Working Group 7: Concentrator modules // Посетен на 11 май 2017.
↑ IEC 62670 – 1:2013 Photovoltaic concentrators (CPV) – Performance testing – Part 1: Standard conditions // Посетен на 9 май 2017.
↑ Algora, Carlos, Rey-Stolle, Ignacio. Handbook on Concentrator Photovoltaic Technology. John Wiley & Sons, май 2016. ISBN 978-1-118-47296-5.
↑ PVsyst 6 Help – Glossary: STC // Посетен на 15 май 2017.^{[неработеща препратка]}

[Bett2015-1] Bett, Andreas W. Challenges and Perspectives of CPV Technology (PDF) // Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, 2015. Архивиран от оригинала на 2021-11-03. Посетен на 10 май 2017.

[PVreport2016-2] Philipps, Simon. Photovotaics Report (PDF) // Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, 19 ноември 2016. Посетен на 9 май 2017.

[LCOE2013-3] Kost, Christoph. Study: Levelized Cost of Electricity – Renewable Energy Technologies (PDF) // www.ise.fraunhofer.de. Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, ноември 2013. Посетен на 10 май 2017.

[CPV2017-4] 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.

[Huraib1982-6] 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.

[TC82/WG7-7] IEC Technical Committee 82: Solar photovoltaic energy systems, Working Group 7: Concentrator modules // Посетен на 11 май 2017.

[IEC62670-1-8] IEC 62670 – 1:2013 Photovoltaic concentrators (CPV) – Performance testing – Part 1: Standard conditions // Посетен на 9 май 2017.

[Algora2016-9] Algora, Carlos, Rey-Stolle, Ignacio. Handbook on Concentrator Photovoltaic Technology. John Wiley & Sons, май 2016. ISBN 978-1-118-47296-5.

[PVSYST:STC-10] PVsyst 6 Help – Glossary: STC // Посетен на 15 май 2017.^{[неработеща препратка]}

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]