Концентраторная фотогальваника

редактировать
Эта система Amonix в Лас-Вегасе, США, состоит из тысяч маленьких линз Френеля, каждую из которых фокусирует солнечный свет на ~ В 500 раз больше интенсивности на крошечный высокоэффективный многопереходный солнечный элемент. Tesla Roadster припаркован внизу для масштабирования. Модули фотоэлектрических концентраторов (CPV) на двухосных осях солнечные трекеры в Голмуде, Китай

Фотоэлектрические концентраторы (CPV ) (также известная как концентрационная фотоэлектрическая энергия ) - это фотоэлектрическая технология, которая генерирует электричество из солнечного света. В отличие от обычных фотоэлектрических систем, в нем используются линзы или изогнутые зеркала для фокусировки солнечного света на небольшой, высокоэффективный, многопереходный (MJ) солнечные элементы. Кроме того, системы CPV часто используют солнечные трекеры, а иногда и систему охлаждения для повышения их эффективности. Текущие исследования и разработки стремительно обеспечивают их конкурентоспособность в сегменте коммунального хозяйства и в областях с высокой инсоляцией.

Системы, использующие фотогальванические элементы с высокой концентрацией (HCPV ), особенно потенциал стать конкурентоспособным в ближайшем будущем. Они обладают наивысшей эффективностью из всех фотоэлектрических технологий, а меньшая фотоэлектрическая матрица также снижает баланс на затратную систему. В настоящее время CPV гораздо менее распространены, чем обычные фотоэлектрические системы, и только недавно стали доступны на рынке жилья. Первая установка в жилых помещениях - это система мощностью 1,6 кВт / ч в Чатсуорте, Калифорния, компания Radical Sun Systems.

В 2016 году совокупное количество установок CPV достигло 350 мегаватт (МВт), что составляет менее 0,2% от общей установленной мощности в 230 000 МВт. Коммерческие системы HCPV достигли мгновенной («точечной») эффективности до 42% в стандартных условиях испытаний (с уровнем концентрации выше 400), и Международное энергетическое агентство видит потенциал для повышения эффективности этой технологии до 50%. к середине 2020-х гг. По состоянию на декабрь 2014 года наилучшая эффективность лабораторных ячеек для концентраторов MJ-ячеек достигла 46% (четыре и более соединения). В наружных условиях эксплуатации КПД модуля CPV выше 33% («третье солнца»). Эффективность переменного тока системного уровня находится в диапазоне 25-28%. Установки CPV расположены в Китае, США, Южной Африке, Италии и Испании.

HCPV напрямую конкурирует с концентрированной энергии (CSP), поскольку обе технологии лучше всего подходят для использования в области высокой прямой освещенности, которые также известны как область солнечного пояса в США и Golden Banana в Южной Европы. CPV и CSP часто путают друг с другом, несмотря на то, что изначально это принципиально разные технологии: CPV использует фотогальванический эффект для прямого производства электроэнергии из солнечного света, а CSP - часто называемый концентрированной тепловой энергией - использует тепло от солнечного излучения для производства пара для работы турбины, которая затем вырабатывает электричество с помощью генератора. По состоянию на 2012 год CSP все еще более распространен, чем CPV.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Проблемы
  • 3 Текущие исследования и разработки
  • 4 Эффективность
  • 5 Оптика конструкции
  • 6 типов
    • 6.1 Низкая конструкция PV (LCPV)
    • 6.2 Средняя степень PV
    • 6.3 Высокая степень PV (HCPV)
  • 7 Надежность
    • 7.1 Долговечность и обслуживание трекера
    • 7.2 Контроль температуры приемника
  • 8 Установки
    • 8.1 Список собственных систем HCPV
    • 8.2 Список систем HCPV в США
    • 8.3 Список систем LCPV в США
  • 9 Концентрированные фотоэлектрические и тепловые
    • 9.1 Демонстрационные проекты
  • 10 См. Также
  • 11 Ссылки
  • 12 Внешние ссылки

История

Исследования в области фотогальваники концентраторов удержанных с середины 1970-х годов, используемых вызванных энергетическим шоком от нефтяного эмбарго на Ближнем Востоке. Национальные лаборатории Сандиа в Альбукерке, штат Нью-Мексико, были выполнены первые части ранних работ, где в конце десятилетия была произведена первая современная фотоэлектрическая концентрирующая система. Первая система представляла собой концентратор с линейным желобом, в котором использовалась точечная фокусировка акриловая линза Френеля, их фокусирующаяся на кремниевых элементах с водяным охлаждением и двухосное отслеживание. Охлаждение ячеек с пассивным теплоотводом и использование линз Френеля «силикон на стекле» было использовано в рамках проекта Рамона Аресеса в Техническом университете Мадрида. Проект СОЛЕРАС мощностью 350 кВт в Саудовской Аравии - был построен Сандия / Мартин Мариетта в 1981 году.

Исследования и разработки продолжались в течение 1980-х и 1990-х годов без промышленности. интерес. Вскоре было признано, повышение эффективности ячеек для того, чтобы сделать технологию экономичной. Однако создания технологий элементов на основе кремния, используемого как в концентраторах, так и в плоских фотоэлектрических элементах, не достижения экономии системного уровня CPV. Появление в начале 2000-х годов III-V многопереходных солнечных элементов с тех пор обеспечило четкое дифференцирующее устройство. Эффективность MJ-клеток повысилась с 34% (3 соединения) до 46% (4 соединения) на уровне производства в исследовательских масштабах. С 2010 года во всем мире также было введено в эксплуатацию значительное количество проектов CPV с использованием МВт.

Проблемы

Современные системы CPV наиболее эффективно работают при высокой концентрации света (т. Е. Уровни концентрации эквивалентны сотням солнц), пока солнечный элемент охлаждается за счет использования радиаторов. Рассеянный свет, который возникает в пасмурных условиях и в пасмурном погоду, невозможно сконцентрировать с помощью только обычных оптических компонентов (например, макроскопических линз и зеркал). Отфильтрованный свет, который возникает в туманных или загрязненных условиях, имеет спектральные вариации, которые представляют несоответствия между электрическими токами, генерируемыми в последовательно соединенных переходах спектрально "настроенных" многопереходных (MJ) фотоих элементов. Эти особенности CPV приводят к быстрому снижению выходной мощности, когда атмосферные условия не идеальны.

Для выработки энергии на номинальном ватт, равной или большей, чем у обычных фотоэлектрических систем, системы CPV должны располагаться в местах, где обильно падает прямой солнечный свет. Обычно это определяется как среднее значение DNI (Прямая нормальная освещенность ), превышающее 5,5-6 кВтч / м / день или 2000 кВтч / м / год. В противном случае, оценка данных об освещенности DNI в годовом исчислении по сравнению с GNI / GHI (Global Normal Irradiance и Global Horizontal Irradiance ) пришли к выводу, что обычные фотоэлектрические системы со временем должны прийти работать лучше, чем доступное в настоящее время технологии CPV. в большинстве регионов мира (см. например).

Слабые стороны CPVСлабые стороны CPV
Высокая эффективность при прямом нормальном облученииHCPV не может использовать диффузное излучение. LCPV может использовать только часть диффузного излучения.
Низкая стоимость производственного капитала ваттВыходная мощность солнечных элементов в МДж более чувствительна к сдвигам в спектрах излучения, вызванным изменением атмосферных условий.
Низкие температурные коэффициентыТребуется слежение с достаточной точностью и надежностью.
Для систем с пассивным охлаждением охлаждающая вода не требуетсяМожет потребоваться частая очистка для уменьшения потерь от загрязнения, в зависимости от объекта
Возможно дополнительное использование отработанного тепла для систем с возможным активным охлаждением (например, системы с большими зеркалами)Ограниченный рынок - может быть легко установлен на крышах
Модульный - масштаб от кВт до ГВтСильное снижение стоимости конкурирующих технологий для производства электроэнергии
Повышенное и стабильное производство энергии в течение дня за счет (двухосного) устройстваБанковские возможности и проблемы восприятия
Низкое время окупаемости энергии Технологии нового поколения, без истории производство (как следствие, повышенный риск)
Возможное использование земли, например для сельского хозяйства, низкое воздействие на прошлоеОптические потери
Большой потенциал для снижения затратОтсутствие стандартизации технологий
Возможности для местного производства
Я меньшего размера может предотвратить большие колебания цена модуля из-за колебаний цен на полупроводники
Больший Возможность повышения эффективности в будущем с использованием системы с одинарным переходом плоских пластин может привести к большему улучшению использования, затратная BOS и затратная BOP
Источник: Отчет о текущем состоянии CPV, январь 2015 г. Таблица 2: Анализ сильных и слабых сторонних CPV.

Текущие исследования и разработки

Международная конференция CPV-x - Историческая статистика участия. Источник данных - Протоколы CPV-x

Исследования и разработки в области CPV проводились в более чем 20 странах на более десяти лет. Ежегодная серия конференций CPV-x служит основным форумом для нетворкинга и обмена мнениями между университетами, правительственной лабораторией и участниками отрасли. Правительственные агентства также продолжали выполнять ряд операций по продолжению.

ARPA-E объявил о первом раунде финансирования НИОКР в конце 2015 года для программы MOSAIC (Микромасштабные оптимизированные массивы солнечных элементов с интегрированной концентрацией) для дальнейшей борьбы с проблемами расположения и затрат используемой технологии CPV. Как указано в описании программы: «Проекты MOSAIC сгруппированы в три категории: полные системы, которые экономически эффективно интегрируют микро-CPV для таких регионов, как солнечные районы на юго-западе США, которые имеют высокую прямую нормальную освещенность ( DNI) солнечное излучение; полные системы, применимые к регионам, таким как Северо-Востока и Среднего Запада США, с низким уровнем солнечного излучения DNI или высоким рассеянным солнечным излучением;

В Европе программа CPVMATCH (Концентрация фотоэлектрических модулей с использованием передовых технологий и ячеек для достижения максимальной эффективности) направлена ​​на «приближение практических моделей модулей HCPV к теоретическим» Цели эффективности, достижимые к 2019 году, как 48% для ячеек и 40% для модулей при концентрации>800x. В конце 2018 года было объявлено об эффективности модуля 41,4%.

Австралийское агентство по эффективности модуля 41,4%. возобновляемым источником энергии (ARENA) в 2017 году расширили поддержку для дальнейшей коммерциализации технологии HCPV, разработанной Raygen. Их приемники с плотной антенной решеткой мощностью 250 являются самыми мощными приемниками CPV из созданных на сегодняшний день, с этой фотоэлектрической эффективной мощностью 40,4% и включает полезное когенерацию тепла.

Солнечное устройство с низкой концентрацией, кот орое включает в себя собственный внутренний трекер, в разработке ISP Solar, которая выступает за эффективность солнечных элементов при низкой стоимости.

Эффективность

Зарегистрированные рекорды солнечных элементов с 1975 года. По состоянию на декабрь 2014 года, лабораторный элемент КПД достиг 46% (для ⊡ многопереходного концентратора, 4+ перехода).

Согласно теории, свойствам полупроводника позволяют солнечным элементом работать более эффективно при концентрированном свете, чем при номинальном уровне солнечного излучения. Это с тем, что, наряду с этим, происходит логарифмическое рабочее напряжение в ответ на более высокое освещение.

Чтобы быть точным, рассмотрим мощность (P), генерируемый солнечный элемент при освещении земной поверхности «одно солнце», что соответствует пиковому солнечному излучению Q = 1000 Вт / м. Мощность элемента может быть выражена как функция напряжения холостого хода (V oc), тока короткого замыкания (I sc) и коэффициента заполнения (FF) характеристики элемента вольт-амперной характеристики (IV):

P = I sc × V oc × FF. {\ displaystyle P = I _ {\ mathrm {sc}} \ times V _ {\ mathrm {oc}} \ times FF.}{\ displaystyle P = I _ {\ mathrm {sc}} \ times V _ {\ mathrm {oc}} \ times FF.}

При увеличенном освещении помещений на «χ-солнцах», соответствующих концентрации (χ) и освещенность (χQ) могут быть выражены аналогичным образом:

P χ = I χ sc × V χ oc × FF χ {\ displaystyle P _ {\ chi} = I _ {\ mathrm {\ chi sc}} \ times V_ {\ mathrm {\ chi oc}} \ times FF _ {\ chi}}{\ displaystyle P _ {\ chi} = I _ {\ mathrm {\ chi sc}} \ times V _ {\ mathrm {\ chi oc}} \ раз FF _ {\ chi}}

где, как показано в ссылке:

I χ sc = χ × I sc {\ displaystyle I _ {\ mathrm {\ chi sc}} = \ chi \ times I _ {\ mathrm {sc}} \ quad}{\ displaystyle I _ {\ mathrm {\ chi sc}} = \ chi \ times I _ {\ mathrm {sc}} \ quad} и V χ oc = V oc + k T q ln ⁡ (χ). {\ displaystyle \ quad V _ {\ mathrm {\ chi oc}} = V _ {\ mathrm {oc}} + {kT \ over q} \ ln (\ chi).}{\ displaystyle \ quad V _ {\ mathrm {\ chi oc}} = V _ {\ mathrm {oc}} + {kT \ над q} \ пер (\ чи).}

Обратите внимание, что безразмерный коэффициент заполнение для «высококачественный» солнечный элемент обычно находится в диапазоне 0,75–0,9 и на практике в первую очередь от <завис>эквивалентного шунтирующего и последовательного сопротивления для конкретной конструкции элемента. Для концентраторов FF и FF χ должны иметь аналогичные значения, близкие к единице, что соответствует высокому шунтирующему сопротивлению и очень низкому последовательному сопротивлению (<1 milliohm).

КПД ячейки с площадью (A) ниже Одно солнце и χ-солнца области как:

η = PQA {\ displaystyle \ eta = {P \ over QA} \ quad}{\ displaystyle \ eta = {P \ over QA} \ quad} и η χ = P χ χ QA. {\ displaystyle \ quad \ eta _ { \ chi} = {P _ {\ chi} \ over \ chi QA}.}{\ displaystyle \ quad \ eta _ {\ chi} = {P _ {\ chi} \ над \ chi QA}.}

Эффективность при концентрации выражается в единицах χ и характеристиках клеток как:

η χ знак равно η × п χ χ п знак равно η × (1 + к T Q пер ⁡ (χ) V oc) × (FF χ FF), {\ displaystyle \ eta _ {\ chi} = \ eta \ times {P_ {\ chi} \ over \ chi P} = \ eta \ times \ left ({1+ {kT \ over q}} {\ ln (\ chi) \ over V _ {\ mathrm {oc}}} \ right) \ раз \ влево ({FF _ {\ chi} \ over FF} \ right),}{\ displaystyle \ eta _ {\ chi} = \ eta \ times {P _ {\ chi} \ over \ chi P} = \ eta \ times \ left ({1+ {kT \ over q}} {\ ln (\ chi) \ over V _ {\ mathrm {oc}}} \ right) \ times \ left ({FF _ {\ chi} \ over FF} \ right),}

где член kT / q - это напряжение (называемое тепловым напряжением ) термализованного электронов, протекающих через pn переход с олнечного элемента, и имеет значение около 25,85 мВ при комнатной температуре (300 К).

Повышение эффективности η χ по сравнению с приведенным в следующей таблице типичных напряжений холостого хода, которые примерно соответствуют разные клеточные технологии. Таблица показывает, что усиление может достичь 20–30% при концентрации χ = 1000. В расчетах принято, что FF χ / FF = 1; предположение, которое поясняется в следующем обсуждении.

Теоретическое повышение эффективности емкости за счет солнечного излучения
Ячейка. ТехнологияМультикристаллический. КремнийМонокристалл. КремнийТройной переход. III-V на GaAs
Приблизительно. Переход V oc550 мВ700 мВ850 мВ
χ = 1010,8 %8,5%7,0%
χ = 10021,6%17,0%14,0%
χ = 100032,5%25,5%21,0%

На практике более высокие плотности тока и температуры, различающие при концентрации солнечного света, могут препятствует ухудшению качества IV или, что еще хуже, вызывает постоянный физический ущерб. Такие эффекты могут уменьшить отношение FF χ / FF на еще больший процент ниже единицы, чем приведенные выше табличные значения. Чтобы предотвратить необратимое повреждение, повышение рабочей температуры воздуха при помощи при помощи подходящего радиатора. Кроме того, сама конструкция должна включать в себя функции, которые снижают сопротивление рекомбинации и контакта, электрода и шины до уровней, соответствующих целевая повышающая и результирующая плотность тока. Эти особенности включают тонкие полупроводниковые слои с низким уровнем дефектов; толстые материалы электродов и шин с низким удельным сопротивлением; и небольшие (обычно <1 cm) cell sizes.

Включая такие особенности, лучшие тонкопленочные многопереходные фотоэлектрические элементы, разработанные для наземных приложений CPV, надежно работают при разрешениях до 500-1000 солнц (т. е. освещенность 50-100 Вт / см. По состоянию на 2014 год их эффективность составляет более 44% (три перехода) с потенциалом приближения к 50% (четыре или более соединений) в ближайшие годы. теоретическая предельная эффективность <267

Оптическая конструкция

Все системы CPV имеют солнечный элемент и концентрирующую оптику.>при использовании приближается к 65% для 5 переходов. света для CPV представляют собой очень специфическую конструктивную проблему с особенностями, которые отличают их от большинства других оптических конструкций. Они должны быть эффективными, подходящими для массового производства, способными к высокой концентраци и, нечувствительными к производству и неточности монтажа, и способна обеспечить единообразие освещение ячейки. Все эти причины делают оптику без формирования изображений наиболее подходящей для CPV.

Для очень низких концентраций широкие углы приема не отображающей оптики исключают необходимость активного отслеживания Солнца. Для средних и высоких концентраций широкий угол восприятия можно рассматривать как меру того, насколько устойчива оптика к дефектам всей системы. Очень важно, чтобы начать с широким углом приема, так как он должен быть способен вместить ошибки отслеживания, движение системы из-за ветра, несовершенный изготовленные оптики, несовершенный собранные компоненты, конечная жесткость несущей конструкции или ее деформацию из-за старения, среди другие факторы. Все это снижает начальный угол приема, и после того, как все они учтены, система все еще должна быть способна улавливать конечную угловую апертуру солнечного света.

Типы

Системы CPV подразделяются на категории в соответствии с величиной их солнечной концентрации, измеренной в «солнцах» (квадрат увеличения ).

PV с низкой концентрацией (LCPV)

Пример поверхности фотоэлемента с низкой концентрацией, показывающий стеклянную линзу

PV с низкой концентрацией - это системы с солнечной концентрацией 2–100 солнц. По экономическим причинам обычно используются обычные или модифицированные кремниевые солнечные элементы. Тепловой поток обычно достаточно низок, чтобы элементы не нуждались в активном охлаждении. Для стандартных солнечных модулей также есть моделирование и экспериментальные доказательства того, что при низком уровне концентрации не требуется никаких изменений в отслеживании или охлаждении

Системы с низкой концентрацией часто имеют простой бустерный отражатель, который может увеличить выход солнечной электроэнергии на более 30% по сравнению с фотоэлектрическими системами без концентратора. Экспериментальные результаты таких систем LCPV в Канаде привели к увеличению энергии более чем на 40% для призматического стекла и 45% для традиционных модулей кристаллического кремния PV.

Средняя концентрация PV

От При концентрации от 100 до 300 солнц системы CPV требуют двухосного слежения за солнцем и охлаждения ( пассивного или активного), что делает их более сложными.

Солнечный элемент HCPV 10 × 10 мм

ФЭ с высокой концентрацией (HCPV)

В системах фотоэлектрических систем с высокой концентрацией используется концентрирующая оптика, состоящая из тарельчатых отражателей или линз Френеля, которые концентрируют солнечный свет с интенсивностью до 1000 солнц или больше. Солнечным элементомм требуются радиаторы большой емкости для предотвращения теплового разрушения и управления электрическими характеристиками, связанными с температурой, и потерями в течение срока службы. Чтобы еще больше усугубить конструкцию концентрированного охлаждения, радиатор должен быть пассивным, иначе мощность, необходимая для активного охлаждения, снизит общую эффективность преобразования и экономию. Многопереходные элементы в настоящее время используются предпочтительнее однопереходных ячеек, поскольку они более эффективны и имеют более низкий температурный коэффициент (меньшая потеря эффективности при повышении температуры). Эффективность обоих типов клеток повышается с улучшением концентрации; многопереходная эффективность повышается быстрее. Многопереходные солнечные элементы, используемые разработанные для неконцентрации ФЭ на космических спутниках, были перепроектированы из-за высокой плотности тока, с которыми сталкиваются CPV (обычно 8 А / см на 500 солнц). Хотя используемая малая площадь ячеек делает относительную стоимость элементов в каждой системе сопоставимой, а экономия системы отдает предпочтение многопереходным элементам, то стоимостьопереходных солнечных элементов примерно в 100 раз выше, чем у обычных кремниевых элементов той же площади. Эффективность многопереходных ячеек в производственных помещениях достигла 44%.

Приведенное выше значение 44% относится к определенному набору условий, известному как «стандартные условия испытаний». К ним относится определенный спектр, падающая оптическая мощность 850 Вт / м² и ячейки 25 ° C. Концентрирующая система ячейки обычно работает в условиях более низкой оптической мощности и более высокой температуры. Оптика, необходимая для концентрирования света, сама по себе имеет ограниченную эффективность в диапазоне 75–90%. Принимая во внимание эти факторы, солнечный модуль, обеспечивается 44% многопереходной ячейки, может обеспечить КПД постоянного тока около 36%. В аналогичных условиях модуль из кристаллического кремния обеспечит эффективность менее 18%.

Когда требуется высокая степень (в 500–1000 раз), как это в случае высокоэффективных многопереходных солнечных элементов, вероятно, что для коммерческого успеха на системном уровне достижение такого уровня с достаточным углом приема. Это позволяет допускать массовое производство всех компонентов, упрощает сборку модулей и установку системы, а также снижает стоимость конструктивных элементов. Обычная основная цель КПВ. Уменьшение количества элементов и достижение высокого угла приема может быть уменьшено оптическими и механическими требованиями, как точность профилей оптических поверхностей, сборка модуля, установка, опорная конструкция и т. Д. С этой целью улучшения в моделировании формы солнца на стадия проектирования системы может улучшить эффективность системы.

Надежность

Более высокие капитальные затраты, меньшая стандартизация и дополнительные инженерные и эксплуатационные сложности (по сравнению с фотоэлектрическими технологиями с нулевой и низкой концентрацией) делает длительный срок службы критической демонстрации для первых поколений технологий CPV. Производительность сертификация стандарты (UL 3703, UL 8703, IEC 62108, IEC 62670, IEC 62789 и IEC 62817) могут включать <1–2 year) виды отказов в системе, которые могут быть полезны для некоторых преимущественно младенческих и ранних этапов жизни (<1–2 year) виды отказов в системе Такие стандартизованные тесты, которые обычно выполняются только на небольшой выборке, обычно не в состоянии оценить исчерпывающий долгосрочный срок службы (от 10 до 25 или более лет) для каждого уникального дизайн и применение системы в более широком диапазоне реальных условий - а иногда и непредвиденных - условий эксплуатации. Поэтому надежность этих сложных систем оценивается на месте и повышается за счет агрессивных циклов разработки продуктов, которые руководствуются результатами ускоренного старения компонента /, мониторинг производительно сти диагностики и анализа отказов. Значительный рост внедрения CPV можно ожидать, как только проблемы будут решены, чтобы укрепить уверенность в рентабельности системы.

Долговечность и обслуживание трекера

Трекер и опорная конструкция модуля для современной системы HCPV должны быть точностью в пределах 0,1 ° -0,3 °, каждая, сохранить солнечный ресурс адекватно центрирована в пределах приемного угла собирающей оптики приемника и таким образом, сосредоточена на фотоэлементах. Это сложное требование для любой механической системы, подвергающееся нагрузкам в результате различных движений и нагрузок. Таким образом, для использования системы в течение ее ожидаемого срока службы требуется экономическая процедура для периодической службы трекера.

Контроль температуры приемника

Максимальные многопереходные солнечные элементы рабочие температуры (T max cell) систем HCPV ограничены до менее чем примерно 110 ° C из- за их внутренней надежности ограничения. Это контрастирует с CSP и другими системами CHP, которые могут быть спроектированы для работы при температуре, превышающих несколько сотен градусов. Более конкретно, изготовлены из слоистых слоев тонкопленочных полупроводниковых материалов III-V, имеет собственный срок службы во время работы, который быстро уменьшается с температурной зависимостью типа Аррениуса. Следовательно, системный приемник должен обеспечивать высокоэффективное и равномерное охлаждение ячеек с помощью достаточно надежных активных и / или пассивных методов. Помимо материальных и конструктивных ограничений в характеристиках приемника теплопередачи, другие внешние факторы, такие как частые тепловые циклы системы, еще больше уменьшают практическое значение T max приемника Совместимость с длительным сроком службы системы до температуры ниже 80 ° C.

Установки

Концентраторные фотоэлектрические технологии обеспечили свое присутствие в солнечной отрасли в период с 2006 по 2015 год. Первая электростанция HCPV мощностью более 1 МВт была введена в эксплуатацию в Испании в 2006 году. К концу 2015 года количество электростанций с CPV (включая как LCPV, так и HCPV) по всему миру составило общую установленную мощность 350 МВт. Полевые данные, собранные за шесть лет, также позволяют оценить перспективы долгосрочной надежности системы.

Развивающийся сегмент CPV составляет ~ 0,1% быстрорастущего рынка энергоснабжения для фотоэлектрических установок за десятилетие до 2017. К сожалению, после быстрого падения цен на традиционные плоские фотоэлектрические панели, краткосрочная перспектива роста индустрии CPV померкла, о чем свидетельствует закрытие в составе производственных мощностей HCPV: в том числе Suncore, Soitec, Amonix и SolFocus. Более высокая стоимость и сложность обслуживания прецизионных двухосных трекеров HCPV также были в некоторых случаях особенно сложными. Тем не менее, перспективы роста фотоэлектрической системы в целом остаются хорошими, что вселяет оптимизм в отношении того, что технология CPV в конечном итоге выполняет свое место.

Кумулятивная установленная мощность CPV в МВт по странам к ноябрю 2014 г. Годовая установленная мощность CPV в МВт с 2002 по 2015 год. Годовая установленная мощность PV в ГВт с 2002 по 2015 год.

Список систем HCPV

Подобно традиционным фотоэлектрическим модулям, максимальное значение постоянного тока системы определяется как MWp (или иногда MWDC ) в стандартных условиях испытаний концентратора (CSTC) DNI = 1000 Вт / м², AM 1,5D, T ячейка = 25 ° C в соответствии со стандартом IEC 62670. Производительность по переменному току указана как MWAC в соответствии со стандарми IEC 62670 концентратора при стандартных рабочих условиях (CSOC) DNI = 900 Вт / м², AM1.5D, T окружающей среды = 20 ° C, Скорость ветра = 2 м / с и может внести поправки на КПД инвертора, увеличение / уменьшение солнечного ресурса и другие факторы, зависящие от объекта. Самая крупная электростанция CPV, находящаяся в эксплуатации в настоящее время, имеет рейтинг 138 МВт p и обслуживается в Голмуде, Китай, и обслуживается Suncore Photovoltaics.

ЭлектростанцияРейтинг. (МВт p)Мощность. (МВтAC)Год. ЗавершеноМестоположениеCPV. ПоставщикСсылка
Голмуд ( 1 и 2) 137,81102012-2013 гг.в Голмуде / провинция Цинхай / КитайSuncore
Проект Touwsrivier CPV 44,2362014в Тоусривье / Западный Кейп / Южная АфрикаSoitec
Alamosa Solar Project 35,3302012в Аламосе, Колорадо / Долина Сан-Луис / СШАAmonix
Хами (1, 2 и 3)10,59,02013-2016в провинции Хами / Синьцзян / КитайSoitec-Focusic
Завод CPV в Наварре9,17,82010в Виллафранка / провинция Наварра / ИспанияAmonix-Guascor Foton
Исто чник: Консорциум CPV

Список систем HCPV в США

ЭлектростанцияРейтинг. (M Вт p)Мощность. (МВт AC)Год. ЗавершениеМестоположениеCPV. ПоставщикВладелец / ОператорСсылка
Alamosa Solar Project 35.3302012Аламоса, КолорадоAmonixCogentrix
Солнечная ферма Desert Green 7.806.32014Borrego Spgs, CaliforniaSoitecInvenergy
Hatch Solar Energy Center 5,885,02011Хэтч, Нью-МексикоAmonixNextEra Energy
Массив CPV Университета Аризоны 2,382.02011Тусон, АризонаAmonixArzon Solar
Электростанция Newberry Springs CPV 1,681,52013Ньюберри Спгс, КалифорнияSoitecSTACE
Солнечная ферма Колледжа Крафтон Хиллс 1,611.32012Юкайпа, КалифорнияSolFocusКолледж Крафтон-Хиллз
Солнечная ферма колледжа Виктор-Вэлли 1, 261,02010Викторвилл, КалифорнияSolFocusКолледж Виктор-Вэлли
Солнечная батарея на полигоне Юбэнк 1,211,02013Альбукерке, Нью-МексикоSuncoreEmcore Solar
Questa Solar Facility 1,171,02010Questa, New MexicoSoitecChevron
Fort Irwin CPV Project1.121.02015Форт Ирвин, КалифорнияSoitecМинистерство обороны США
Источник: Консорциум CPV

Список систем LCPV в США

ЭлектростанцияМощность. (МВт AC)Год. ЗавершеноМестоположениеКоординатыCPV. ПоставщикВладелец / ОператорСсылка
Солнечная батарея Форт-Ч ер чилля 19,92015Йерингтон, Невада39 ° 07′41 ″ с.ш. 119 ° 08 ′ 24 ″ Вт / 39,12806 ° с.ш., 119,14000 ° Вт / 39,12806; -119.14000 (Fort Churchill Solar) SunPower Apple Inc. / NV Energy
Солнечная ферма в Спрингервилле6.02013Спрингервилль, Аризона34 ° 17'40 "N 109 ° 16'17" W / 34,29444 ° N 109,27139 ° W / 34,29444; -109.27139 (Springerville LCPV) SunPowerTucson Electric Power
ASU Polytechnic CPV Array1.02012Меса, Аризона33 ° 17'37 "N 111 ° 40'38" W / 33,29361 ° N 111,67722 ° W / 33,29361; -111.67722 (ASU Poly LCPV) SunPowerSunPower

Концентрированные фотоэлектрические и тепловые

Фотоэлектрические и тепловые концентраторы (CPVT ), также иногда называемые солнечная теплоэнергетика (ЧАЭС ) или гибридная тепловая КПВ, это когенерация или микрокогенерация технология, используемая в области фотоэлектрических концентраторов. который производит полезное тепло и электричество в одной и той же системе. CPVT при высоких концентрациях более 100 солнц (HCPVT) использует компоненты, аналогичные HCPV, включая двухосное отслеживание и многопереходные фотоэлектрические элементы. Жидкость активно охлаждает встроенный термофотовольтаический приемник и одновременно переносит накопленное тепло.

Обычно один или несколько приемников и теплообменник работают в замкнутом тепловом контуре. Чтобы поддерживать эффективную работу в целом и избежать повреждений от теплового разгона, потребность в тепле от вторичной стороны теплообменника должна быть постоянно высокой. При таких оптимальных условиях эксплуатации ожидается эффективность сбора, превышающая 70% (до ~ 35% электрического, ~ 40% теплового для HCPVT). Чистая эксплуатационная эффективность может быть существенно ниже в зависимости от того, насколько хорошо система спроектирована для соответствия требованиям конкретного теплового приложения.

Максимальная температура систем CPVT обычно слишком низка (ниже 80-90 ° C) для питания котла для дополнительной паровой когенерации электроэнергии. Такие системы могут быть экономичными для систем с более низкими температурами, требующими постоянного высокого тепла. Тепло может использоваться в централизованном теплоснабжении, водяном отоплении и кондиционировании воздуха, опреснении или технологическом тепле. Для приложений, требующих более низкого или прерывистого тепла, система может быть дополнена переключаемым отводом тепла во внешнюю среду, чтобы поддерживать надежную электрическую мощность и продлевать срок службы элемента, несмотря на результирующее снижение операционной эффективности.

Активное охлаждение HCPVT позволяет использовать тепловые и фотоэлектрические приемные блоки большей мощности, вырабатывающие обычно 1–100 киловатт электроэнергии, по сравнению с системами HCPV, которые в основном полагаются на пассивное охлаждение отдельных элементов мощностью ~ 20. В таких мощных приемниках используются плотные массивы ячеек, устройства на высокоэффективном радиаторе. Сведение к минимуму количества отдельных приемных устройств - это простое улучшение общего качества системы, технологического процесса, ремонтопригодности / модернизации и надежности.

Создана эта тепловая анимация конструкции теплоотвода 1000 солнц КПВ размером 240 х 80 мм. создается с использованием анализа высокого разрешения CFD и отображается поверхность радиатора и траектории потока с температурным контуром в соответствии с прогнозом.

Демонстрационные проекты

Ожидается, что экономика зрелой отрасли CPVT будет конкурентоспособной, несмотря на недавнее снижение затрат и повышение эффективности кремниевых фотоэлектрических модулей (которые могут быть вместе с обычными CSP для аналогичных возможностей генерации электричества) и тепла). CPVT может быть экономичным для нишевых рынков со всеми характеристиками применения:

  • высокая солнечная прямая нормальная освещенность (DNI)
  • ограниченное пространство для размещения всех солнечных коллекторов
  • высокий и постоянный спрос на низкотемпературную (<80 °C) heat
  • высокая стоимость электроэнергии в сети
  • доступ к резервным источникам энергии или экономичному хранилищу (электрическому и тепловому)

Использование соглашение о закупке электроэнергии (PPA), программы государственной помощи и инновационные схемы финансирования также потенциальным производителем и пользователю снизить риски раннего внедрения технологии CPVT.

Предлагаемое оборудование CPVT используется от низкой Концентрация от (LCPVT) до высокой (HCPVT) в настоящее время Таким образом, долгосрочная жизнеспособность технического и / или бизнес-подхода, применяемого любым отде, ограниченным стартапами. льным поставщиком систем, обычно является спекулятивной. В частности, минимально жизнеспособные продукты стартапы могут сильно различаться в своем внимании к проектированию надежности. Тем не менее, следующая неполная компиляция помощи в выявлении некоторых древних тенденций.

Системы LCPVT с концентрацией ~ 14x, использующие отражающие желобные концентраторы и приемные трубы, плакированные кремниевыми элементами с плотными межсоединениями, собраны Cogenra с заявленным КПД 75% (~ 15-20% электрического, 60% теплового). Несколько таких систем находятся в эксплуатации более 5 лет по состоянию на 2015 год, и аналогичные системы производятся Absolicon и Idhelio при 10x и 50x соответственно.

Предложения HCPVT с концентрацией более 700 раз появились совсем недавно, и их можно разделить на три уровня мощности. Системы третьего уровня предоставляют собой распределенные генераторы, состоящие из больших массивов одноклеточных приемно-коллекторных блоков мощностью ~ 20 Вт, подобных тем, которые ранее были впервые предложены Amonix и SolFocus для HCPV. Системы второго уровня используют локализованные плотные массивы ячеек, которые производят 1–100 кВт выходной электрической мощности на каждый блок приемника / генератора. Системы первого уровня вырабатывают более 100 кВт электроэнергии и агрессивно ориентированы на рынок коммунальных услуг.

Несколько поставщиков системы HCPVT в следующей таблице. Почти все это первые демонстрационные системы, которые по состоянию на 2015 год находились в эксплуатации менее 5 лет. Собранная тепловая мощность обычно в 1,5-2 раза больше номинальной электрической мощности.

ПоставщикСтранаТип концентратораМощность блока в кВт eСсылка
ГенераторПриемник
- Уровень 1 -
RaygenАвстралияLarge Heliostat Array250250
- Уровень 2 -
Энергия воздушного потока / солнечная энергияШвейцарияБольшая тарелка1212
РехнуСШАБольшая тарелка6,40,8
SolartronКанадаБольшая тарелка2020
Southwest SolarСШАБольшая тарелка2020
Sun OysterГерманияБольшой желоб + линза4,72,35
Zenith Solar / Suncore Израиль / Китай / СШАБольшая тарелка4,52,25
- Уровень 3 -
BSQ SolarИспанияМаленькая линза Массив13,440,02
Silex PowerМальтаМассив малых тарелок160,04
СолерджиИталия / СШАМ алая линза200,02

См. Также

  • значок Портал возобновляемой энергии
  • значок Портал энергии

Ссылки

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-15 08:47:49
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте