Концентраторната фотоволтаика (, 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.
История Прототипи на концентраторни фотоволтаични системи са разработени за пръв път през 1970-те години в Националните лаборатории „Sandia“ в САЩ.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. 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):
, като и 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 , където е ефективността на оптичната система. Често концентрацията се задава и в слънца (), 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 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
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.
CSTC1000 W/m² (пряко облъчване) AM1.5d 25 °C (фотоволтаичен елемент) концентраторна фотоволтаика CSOC900 W/m² (пряко облъчване) AM1.5d 20 °C (околна среда) 2 m/s скорост на вятъраSTC1000 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
Категория:Фотоволтаика