الفولتية الضوئية المركزة

الطاقة الكهروضوئية المركزة (CPV) (تعرف أيضًا باسم الخلايا الكهروضوئية Concentration Photovoltaics) هي تقنية ضوئية تعمل على توليد الكهرباء من أشعة الشمس. وخلافاً للأنظمة الضوئية التقليدية ، تستخدم العدسات والمرايا المنحنية لتركيز ضوء الشمس على خلايا شمسية صغيرة ، لكنها عالية الكفاءة ومتعددة الوصلات (MJ). بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم أنظمة CPV غالبًا أدوات التعقب الشمسي وأحيانًا نظام تبريد لزيادة كفاءتها. 30 يؤدي البحث والتطوير المستمران إلى تحسين قدرتها التنافسية بسرعة في قطاع المقاييس ومناطق الشوامة العالية. يمكن استخدام هذا النوع من تكنولوجيا الطاقة الشمسية في مناطق أصغر.

النظم التي تستخدم الخلايا الكهروضوئية عالية التركيز (HCPV) لديها القدرة على المنافسة في المستقبل القريب. فهي تمتلك أعلى كفاءة لجميع التقنيات الكهروضوئية الموجودة ، كما أن مجموعة الخلايا الكهروضوئية الأصغر تقلل من توازن تكاليف النظام. في الوقت الحالي ، لا يتم استخدام نظام CPV في الجزء العلوي من السطح الكهروضوئي ، وهو أقل شيوعًا من الأنظمة الكهروضوئية التقليدية. بالنسبة للمناطق التي يبلغ فيها معدل الإشعاع الطبيعي المباشر السنوي 2000 كيلووات / ساعة (كيلو واط ساعة) لكل متر مربع أو أكثر ، فإن التكلفة المعيارية للكهرباء تتراوح بين 0.08 و 0.15 دولار لكل كيلو وات ساعة ، كما أن تكلفة التركيب لمحطة طاقة تبلغ تكلفتها 10 ميجاوات كانت تم تحديدها لتقع بين 1.40 يورو و 2.20 يورو (~ 1.50 دولار- 2.30 دولار) لكل ذروة watt (Wp).

في عام 2016 ، بلغت التركيبات التجميعية CPV 350 ميجاوات (MW) ، أي أقل من 0.2٪ من الطاقة المركبة العالمية التي تبلغ 230.000 ميجاوات. وصلت أنظمة HCPV التجارية إلى كفاءة فورية (“بقعة”) تصل إلى 42٪ في ظروف الاختبار القياسية (مع مستويات تركيز فوق 400) وترى وكالة الطاقة الدولية إمكانية لزيادة كفاءة هذه التقنية إلى 50٪ بحلول منتصف عام 2020. اعتبارا من ديسمبر 2014 ، بلغت أفضل كفاءة الخلايا المعملية لخلايا MJ المركزة 46 ٪ (أربعة أو أكثر من التقاطعات). في ظل ظروف التشغيل في الهواء الطلق ، تجاوزت كفاءة وحدات نظام CPV نسبة 33٪ (“ثلث الشمس”). تتراوح كفاءات AC على مستوى النظام بين 25 و 28٪. توجد منشآت نظام CPV في الصين والولايات المتحدة وجنوب إفريقيا وإيطاليا وإسبانيا.

يتنافس HCPV مباشرة مع الطاقة الشمسية المركزة (CSP) حيث أن كلتا التقنيتين تتلاءمان بشكل أفضل مع المناطق ذات الإشعاعات الطبيعية المباشرة العالية ، والتي تعرف أيضًا باسم منطقة حزام الشمس في الولايات المتحدة والمان الذهبي في جنوب أوروبا. غالباً ما يتم الخلط بين CPV و CSP مع بعضها البعض ، على الرغم من كونها تكنولوجيات مختلفة جوهريًا منذ البداية: تستخدم CPV التأثير الكهروضوئي لتوليد الكهرباء مباشرة من ضوء الشمس ، بينما يستخدم CSP – الذي يُطلق عليه في كثير من الأحيان الحرارية الشمسية المركزة – الحرارة من إشعاع الشمس من أجل جعل البخار يقود التوربين ، ثم ينتج الكهرباء باستخدام مولد كهربائي. في الوقت الحالي ، يعد CSP أكثر شيوعًا من تكلفة المشاهدة.

التاريخ
وقد أجريت بحوث في الخلايا الكهروضوئية المكثف منذ منتصف 1970s ، في البداية حفزت على صدمة الطاقة من الحظر النفطي في الشرق الأوسط. كانت مختبرات سانديا الوطنية في البوكيرك ، نيو مكسيكو الموقع لمعظم العمل في وقت مبكر ، مع أول نظام تركيز الضوئية الحديثة مثل إنتاج هناك في وقت متأخر من هذا العقد. كان نظامهم الأول هو نظام مكثف ذو حوض خطي يستخدم عدسة فريسنل أكريليك تركيز نقطة تركز على خلايا السيليكون المبردة بالماء وتتبع محورين. تم عرض التبريد الخلوي مع بالوعة حرارية سلبية في عام 1979 بواسطة Ramón Areces. تم إنشاء مشروع SOLERAS بقدرة 350 كيلو وات في المملكة العربية السعودية – أكبرها حتى سنوات عديدة – من قبل سانديا / مارتن ماريتا في عام 1981.

استمر البحث والتطوير خلال ثمانينيات وتسعينيات القرن العشرين دون اهتمام كبير بالصناعة. سرعان ما تم الاعتراف بالتحسينات في كفاءة الخلايا باعتبارها ضرورية لجعل التكنولوجيا اقتصادية. ومع ذلك ، فإن التحسينات التي أدخلت على تقنيات الخلايا القائمة على Si والتي استخدمها كل من المكثفات و PV المسطحة فشلت في تفضيل اقتصاديات CPV على مستوى النظام. لقد قدم إدخال الخلايا الشمسية متعددة الوصلات V-III ابتداء من أوائل الألفية الجديدة منذ ذلك الحين فوارق واضحة. لقد تحسنت كفاءة خلايا MJ من 34٪ (3 تقاطعات) إلى 46٪ (4 تقاطعات) في مستويات الإنتاج على مستوى الأبحاث. 14 تم أيضًا تشغيل عدد كبير من مشاريع CPV متعددة الموجات في جميع أنحاء العالم منذ عام 2010.

التحديات
تعمل أنظمة CPV الحديثة بكفاءة عالية في ضوء الشمس عالي التركيز (أي مستويات التركيز المكافئة لمئات من suns) ، طالما أن الخلية الشمسية تبقى باردة من خلال استخدام المصارف الحرارية. لا يمكن أن يكون الضوء المنتشر ، الذي يحدث في الظروف الملبدة بالغيوم والغيوم ، مركّزا بدرجة عالية باستخدام مكونات بصرية تقليدية فقط (أي العدسات والمرايا العيانية). الضوء الذي تمت تصفيته ، والذي يحدث في ظروف ضبابية أو ملوثة ، لديه اختلافات طيفية تنتج عدم تطابق بين التيارات الكهربائية المتولدة داخل الوصلات المترابطة سلسلة من الخلايا الضوئية متعددة الوصلات “ذات التوليف الطيفي”. تؤدي ميزات تكلفة المشاهدة إلى انخفاض سريع في خرج الطاقة عندما تكون الظروف الجوية أقل من مثالية.

لإنتاج طاقة متساوية أو أكبر لكل واط مقنن مقارنة بالأنظمة الكهروضوئية التقليدية ، يجب وضع أنظمة CPV في المناطق التي تتلقى أشعة الشمس المباشرة بكثرة. عادةً ما يتم تحديد هذا كمتوسط ​​DNI أكبر من 5.5-6 كيلووات / ساعة <sup> 2 </ sup> / يوم أو 2000kWh / m <sup> 2 </ sup> / yr. . بخلاف ذلك ، خلصت تقييمات بيانات الإشعاع السنوي لمعامل DNI مقابل GNI / GHI إلى أن الكهروضوئية التقليدية يجب أن تحقق أداءً أفضل بمرور الوقت من تكنولوجيا CPV المتوفرة حاليًا في معظم مناطق العالم.

CPV Strengths نقاط الضعف في تكلفة المشاهدة
كفاءات عالية في ظل إشعاعات طبيعية مباشرة لا يستطيع HCPV استخدام الإشعاع المنتشر. يمكن لـ LCPV فقط استخدام جزء من الإشعاع المنتشر.
تكلفة منخفضة لكل واط من رأس المال الصناعي يكون خرج الطاقة من الخلايا الشمسية MJ أكثر حساسية للتحولات في أطياف الإشعاع الناتجة عن تغير الظروف الجوية.
معاملات درجة حرارة منخفضة مطلوب تتبع مع دقة وموثوقية كافية.
لا توجد مياه تبريد مطلوبة للأنظمة المبردة بشكل سلبي قد يتطلب التنظيف المتكرر للتخفيف من الخسائر المتسخة ، حسب الموقع
استخدام إضافي لحرارة النفايات الممكنة للأنظمة ذات إمكانية التبريد النشط (مثل أنظمة المرايا الكبيرة) سوق محدودة – يمكن استخدامها فقط في المناطق ذات DNI العالية ، لا يمكن تثبيتها بسهولة على أسطح المنازل
وحدات – kW إلى مقياس GW انخفاض قوي في تكاليف التكنولوجيات المنافسة لإنتاج الكهرباء
زيادة إنتاج الطاقة ومستقرًا على مدار اليوم نظرًا لتتبع (محورين) قضايا قابلية التحمل والإدراك
انخفاض وقت استرداد الطاقة تقنيات الجيل الجديد ، دون تاريخ الإنتاج (وبالتالي زيادة المخاطر)
الاستخدام المزدوج المحتمل للأرض على سبيل المثال للزراعة ، وتأثير بيئي منخفض خسائر بصرية
إمكانات عالية لخفض التكاليف عدم وجود توحيد التكنولوجيا
فرص للتصنيع المحلي
قد تمنع أحجام الخلايا الأصغر تقلبات كبيرة في سعر الوحدة بسبب الاختلافات في أسعار أشباه الموصلات
زيادة إمكانات زيادة الكفاءة في المستقبل مقارنةً بأنظمة اللوحات المستوية أحادية التوصيل يمكن أن تؤدي إلى تحسينات أكبر في استخدام مساحة الأرض وتكاليف BOS وتكاليف BOP
المصدر: الوضع الحالي لتقرير CPV ، كانون الثاني 2015. الجدول 2: تحليل نقاط القوة والضعف في تكلفة المشاهدة.

البحث والتطوير المستمر
وقد استمر البحث والتطوير في نظام CPV في أكثر من 20 دولة لأكثر من عقد من الزمان. لقد كانت سلسلة المؤتمرات السنوية CPV-x بمثابة منتدى أساسي للتبادل والتواصل بين الجامعة ومختبر الحكومة والمشاركين في الصناعة. كما واصلت الوكالات الحكومية تشجيع عدد من التوجهات التقنية المحددة.

أعلنت ARPA-E عن جولة أولى من تمويل R & amp؛ D في أواخر عام 2015 لبرنامج MOSAIC (مصفوفة الخلايا الشمسية المُحسَّنة Microscale المُحسَّنة ذات التركيز المتكامل) لمواصلة مكافحة التحديات المرتبطة بالموقع والتكلفة الخاصة بتكنولوجيا CPV الحالية. كما جاء في وصف البرنامج: “يتم تقسيم مشاريع MOSAIC إلى ثلاث فئات: الأنظمة الكاملة التي تكلف بفعالية تكامل تكاليف الصرف الصغرى الدقيقة لمناطق مثل المناطق المشمسة في جنوب غرب الولايات المتحدة التي لديها إشعاع شمسي مباشر مرتفع (DNI) ؛ أنظمة كاملة تنطبق على المناطق ، مثل مناطق شمال شرق الولايات المتحدة ووسط غرب الولايات المتحدة ، التي لديها إشعاع شمسي منخفض الإشعاع DNI أو أشعة شمسية منتشرة عالية ؛ ومفاهيم تسعى إلى حلول جزئية لتحديات التكنولوجيا. ”

في أوروبا ، يهدف برنامج CPVMATCH (وحدات تركيز PhotoVoltaic باستخدام التقنيات المتقدمة والخلايا لأعلى كفاءة) إلى “تحقيق أداء عملي للوحدات HCPV أقرب إلى الحدود النظرية”. تم تحديد أهداف الكفاءة التي يمكن تحقيقها بحلول عام 2019 بأنها 48٪ للخلايا و 40٪ للوحدات بتركيز 800x.

وسعت الوكالة الأسترالية للطاقة المتجددة (ARENA) دعمها في عام 2017 لمزيد من التسويق التجاري لتقنية HCPV التي طورتها Raygen. إن مستقبلات الصفيف الكثيفة التي يبلغ حجمها 250kW هي أقوى مستقبلات CPV تم إنشاؤها حتى الآن ، مع كفاءة PV موضحة بنسبة 40.4٪ وتتضمن توليد مشترك للحرارة يمكن استخدامه.

التصميم البصري
تصميم مكثفات أشعة الشمس العاكسة لـ CPV يقدم مشكلة تصميم بصري محددة للغاية ، مع ميزات تجعلها مختلفة عن أي تصميم بصري آخر. يجب أن تكون فعالة ، مناسبة للإنتاج الضخم ، قادرة على التركيز العالي ، غير حساسة للتصنيع و عدم الدقة المتصاعدة ، وقادرة على توفير إضاءة موحدة للخلية. كل هذه الأسباب تجعل البصريات غير اللاصقة أكثر ملاءمة لـ CPV.

بالنسبة لتركيزات منخفضة للغاية ، فإن زوايا قبول واسعة من البصريات nonimaging تجنب الحاجة إلى التتبع الشمسي النشط. بالنسبة للتركيزات المتوسطة والعالية ، يمكن اعتبار زاوية القبول الواسعة كمقياس لكيفية تحمل البصريات للعيوب في النظام بأكمله. من الأهمية بمكان أن تبدأ بزاوية قبول واسعة النطاق لأنها يجب أن تكون قادرة على استيعاب أخطاء التعقب ، وحركات النظام بسبب الرياح ، والبصريات المصنعة بشكل ناقص ، والمكونات التي يتم تجميعها بشكل ناقص ، والصلابة المحدودة للهيكل الداعم أو تشوهه بسبب الشيخوخة ، بين عوامل اخرى. كل هذه الأمور تقلل من زاوية القبول الأولية ، وبعد أن يتم أخذها في الاعتبار ، يجب أن يكون النظام قادرًا على التقاط الفتحة الزاوية المحدودة لضوء الشمس.

نجاعة
تحتوي جميع أنظمة CPV على بصرية مركزة وخلية شمسية. بشكل عام ، يعد التتبع الشمسي النشط ضروريًا. النظم ذات التركيز المنخفض غالباً ما تحتوي على عاكس معزز بسيط ، والذي يمكن أن يزيد من إنتاج الكهرباء بالطاقة الشمسية بأكثر من 30٪ من أنظمة الكاشف غير المكثف. نتج عن النتائج التجريبية من أنظمة LCPV في كندا مكاسب طاقة أكثر من 40٪ للزجاج المنشوري و 45٪ للوحدات PV التقليدية السليكونية البلورية.

تسمح خصائص أشباه الموصلات للخلايا الشمسية بالعمل بكفاءة أكبر في ضوء مركز ، طالما أن درجة حرارة التقاطع تبقى باردة بواسطة أحواض حرارية مناسبة. كفاءة الخلايا الضوئية متعددة الوصلات التي تم تطويرها في الأبحاث هي أعلى بنسبة 44٪ اليوم ، مع إمكانية الاقتراب من 50٪ في السنوات القادمة. تقارب كفاءة الحد النظري تحت التركيز 65٪ في 5 تقاطعات ، وهو الحد الأقصى العملي المحتمل.

أنواع
يتم تصنيف أنظمة CPV وفقًا لكمية تركيزها الشمسي ، ويتم قياسها بـ “suns” (مربع التكبير).

تركيز منخفض PV (LCPV)
الكهروضوئية ذات التركيز المنخفض هي أنظمة ذات تركيز شمسي من 2 إلى 100 شمس. لأسباب اقتصادية ، يتم استخدام خلايا السليكون الشمسية التقليدية أو المعدلة ، وعند هذه التركيزات ، يكون تدفق الحرارة منخفضًا بما يكفي بحيث لا تحتاج الخلايا إلى التبريد بفعالية. توجد الآن أدلة نموذجية وتجريبية على أن الوحدات الشمسية القياسية لا تحتاج إلى أي تعديل أو تتبع أو تبريد إذا كان مستوى التركيز منخفضًا ومع ذلك لا يزال هناك زيادة في الإنتاج تصل إلى 35٪ أو أكثر.

تركيز متوسط ​​PV
من التركيز من 100 إلى 300 شمسي ، تتطلب أنظمة CPV تتبع الطاقة الشمسية على محورين والتبريد (سواء كانت سلبية أو نشطة) ، مما يجعلها أكثر تعقيدًا.

الخلايا الكهروضوئية عالية التركيز (HCPV)
تستخدم أنظمة الطاقة الشمسية عالية التركيز (HCPV) بصريات مركزة تتكون من عاكسات الطبق أو عدسات فريسنل التي تركز ضوء الشمس على شدة 1000 شمس أو أكثر. وتتطلب الخلايا الشمسية أحواضًا حرارية عالية السعة لمنع التدمير الحراري ولإدارة الأداء الكهربائي المرتبط بدرجات الحرارة وخسائر العمر المتوقع. لمزيد من تفاقم تصميم التبريد المركز ، يجب أن يكون المشتت الحراري سلبيًا ، وإلا فإن الطاقة اللازمة للتبريد النشط ستقلل من كفاءة التحويل الإجمالية والاقتصاد. يتم حاليًا تفضيل الخلايا الشمسية متعددة الوصلات عبر خلايا الوصلات المنفردة ، لأنها أكثر كفاءة ولها معامل درجة حرارة أقل (أقل خسارة في الكفاءة مع زيادة في درجة الحرارة). ترتفع كفاءة كلا النوعين من الخلايا بزيادة التركيز ؛ ترتفع كفاءة متعددة الوصلات بشكل أسرع. تم إعادة تصميم الخلايا الشمسية متعددة الوصلات ، المصممة أصلاً للضوئيات غير المركزة على السواتل الفضائية ، وذلك بسبب الكثافة العالية الحالية التي تواجهها CPV (عادة 8 A / cm2 عند 500 شمس). على الرغم من أن تكلفة الخلايا الشمسية متعددة الوصلات تقارب 100 مرة من الخلايا السليكونية التقليدية في نفس المنطقة ، فإن مساحة الخلايا الصغيرة المستخدمة تجعل التكاليف النسبية للخلايا في كل نظام قابلة للمقارنة ، كما أن اقتصاديات النظام تفضل الخلايا متعددة الوصلات. وصلت الآن كفاءة الخلايا متعددة الوصلات إلى 44٪ في خلايا الإنتاج.

تمثل القيمة 44٪ المذكورة أعلاه مجموعة محددة من الشروط المعروفة باسم “شروط الاختبار القياسية”. وتشمل هذه طيف معين ، قوة ضوئية عرضية تبلغ 850 وات / متر مربع ، ودرجة حرارة الخلية 25 درجة مئوية. في نظام التركيز ، ستعمل الخلية عادة تحت ظروف طيف متغير ، طاقة بصرية أقل ، ودرجة حرارة أعلى. للبصريات اللازمة لتركيز الضوء كفاءة محدودة بحد ذاتها ، في نطاق 75-90 ٪. ومع أخذ هذه العوامل في الحسبان ، يمكن لوحدة شمسية تحتوي على 44٪ من الخلايا متعددة الوصلات توصيل كفاءة التيار المباشر إلى حوالي 36٪. في ظل ظروف مماثلة ، فإن وحدة السيليكون البلورية ستوفر كفاءة أقل من 18٪.

عند الحاجة إلى تركيز عالٍ (500-1000 مرة) ، كما يحدث في حالة الخلايا الشمسية متعددة الوصلات عالية الكفاءة ، من المرجح أن يكون من الأهمية بمكان لتحقيق النجاح التجاري على مستوى النظام تحقيق هذا التركيز بزاوية قبول كافية . وهذا يسمح بالتسامح في الإنتاج الضخم لجميع المكونات ، ويرخي تجميع الوحدة النمطية وتركيب النظام ، ويقلل تكلفة العناصر الهيكلية. وبما أن الهدف الأساسي من تكلفة المشاهدة هو جعل الطاقة الشمسية رخيصة ، لا يمكن استخدام سوى عدد قليل من الأسطح. تقليل عدد العناصر وتحقيق زاوية قبول عالية ، يمكن تخفيف المتطلبات البصرية والميكانيكية ، مثل دقة ملامح السطوح الضوئية ، وتجميع الوحدة ، والتركيب ، والهيكل الداعم ، وما إلى ذلك. وتحقيقا لهذه الغاية ، التحسينات في نمذجة الشمس في قد تؤدي مرحلة تصميم النظام إلى زيادة كفاءة النظام.

المنشآت
لقد أثبتت تقنية الطاقة الضوئية المركزة وجودها في صناعة الطاقة الشمسية على مدى السنوات العديدة الماضية. وقد تم تشغيل أول محطة لتوليد الطاقة الكهربائية CPV تجاوزت 1 MW في إسبانيا في عام 2006. وبحلول نهاية عام 2015 ، بلغ عدد محطات توليد الكهرباء CPV في جميع أنحاء العالم ما يصل إلى 350 ميجاوات. البيانات الميدانية التي تم جمعها على مدى السنوات الست الماضية بدأت أيضا في قياس آفاق موثوقية النظام على المدى الطويل.

وشكلت شريحة CPV الناشئة ~ 0.1 ٪ من سوق المرافق سريعة النمو للمنشآت الكهروضوئية على مدى العقد الماضي. للأسف ، بحلول نهاية عام 2015 ، تلاشت التوقعات على المدى القريب لنمو الصناعة CPV مع إغلاق جميع أكبر مرافق تصنيع CPV: بما في ذلك تلك من Suncore ، Soitec ، Amonix ، و Solfocus. ومع ذلك ، لا تزال توقعات النمو في الصناعة الكهروضوئية الإجمالية قوية.

قائمة أنظمة CPV الكبيرة
أكبر محطة لتوليد الطاقة الفولت ضوئية قيد التشغيل حاليًا تبلغ 80 ميغاواط في مدينة جولمود بالصين ، وتستضيفها شركة Suncore Photovoltaics.

محطة طاقة السعة (MW p ) موقعك بائع / البناء
جلمود 2 79.83 في جولمود / مقاطعة تشينغهاي / الصين Suncore
جلمود 1 57.96 في جولمود / مقاطعة تشينغهاي / الصين Suncore
Touwsrivier 44.19 في Touwsrivier / Western Cape / جنوب أفريقيا Soitec
مشروع ألاموسا للطاقة الشمسية 35.28 في ألاموسا ، كولورادو / سان لويس فالي / الولايات المتحدة الفولت ضوئية
المصدر: كونسورتيوم CPV

الكهروضوئية المركزة والحرارية
الطاقة الكهروضوئية المركزة والحرارة (CPVT) ، والتي تسمى أحيانًا بالحرارة والطاقة الشمسية المشتركة (CHAPS) أو CPV الهجين الحراري ، هي تقنية التوليد المشترك أو التوليد المزدوج المشترك المستخدمة في مجال الخلايا الكهروضوئية المركزة التي تنتج حرارة قابلة للاستخدام والكهرباء داخل نفس النظام. تستخدم CPVT بتركيزات عالية من أكثر من 100 شمس (HCPVT) مكونات متشابهة مثل HCPV ، بما في ذلك تتبع المحور المزدوج والخلايا الفولتوضوئية متعددة الوصلات. يبرد السائل بفاعلية جهاز الاستقبال الحراري والضوئي المتكامل ، ويقوم في نفس الوقت بنقل الحرارة المجمعة.

عادة ، يعمل جهاز استقبال واحد أو أكثر ومبادل حراري داخل حلقة حرارية مغلقة. للحفاظ على كفاءة التشغيل الكلي وتجنب التلف الناتج عن الهرب الحراري ، يجب أن يكون الطلب على الحرارة من الجانب الثانوي للمبادل مرتفعاً بشكل ثابت. في ظل ظروف التشغيل المثلى ، من المتوقع أن تصل كفاءات التجميع إلى أكثر من 70٪ (حتى 35٪ من الكهرباء ، ~ 40٪ حرارية للـ HCPVT). قد تكون الكفاءات التشغيلية الصافية أقل بشكل كبير اعتمادًا على مدى تصميم النظام ليتناسب مع متطلبات التطبيق الحراري المعين.

درجة الحرارة القصوى لأنظمة CPVT عادة ما تكون منخفضة للغاية لوحدها لتشغيل مرجل لتوليد إضافي إضافي للكهرباء على أساس البخار. قد تكون هذه الأنظمة اقتصادية لتشغيل التطبيقات ذات درجات الحرارة المنخفضة ذات الطلب الثابت العالي على الحرارة. يمكن استخدام الحرارة في التدفئة المركزية ، تسخين المياه وتكييف الهواء ، تحلية المياه أو حرارة المعالجة. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب انخفاض أو انخفاض في الطلب على الحرارة ، يمكن زيادة النظام باستخدام تفريغ حراري قابل للتحويل إلى البيئة الخارجية من أجل الحفاظ على مخرجات كهربائية موثوق بها والحفاظ على عمر الخلية ، على الرغم من الانخفاض الناجم في كفاءة التشغيل الصافية.

ويمكّن التبريد الفعال HCPVT من استخدام وحدات استقبال الطاقة الكهروضوئية الحرارية ذات الطاقة العالية ، مما يؤدي إلى توليد الكهرباء من 1 إلى 100 كيلوواط في العادة ، مقارنة بأنظمة HCPV التي تعتمد في الغالب على التبريد السلبي للخلايا أحادية البعد 20 وات. وتستخدم هذه المستقبلات عالية القدرة صفيفات كثيفة من الخلايا المركبة على حوض حراري عالي الكفاءة. إن تقليل عدد وحدات المستقبِل الفردية هو تبسيط ينبغي أن يؤدي في نهاية المطاف إلى تحسين التوازن العام لتكاليف النظام ، وقابلية التصنيع ، وقابلية الصيانة / قابلية الترقية ، والموثوقية.

متطلبات الموثوقية
تقتصر أقصى درجات حرارة التشغيل (خلايا Tmax) لأنظمة CPVT على أقل من 100 إلى 125 درجة مئوية تقريبًا بسبب محدودية الموثوقية الذاتية للخلايا الكهروضوئية متعددة الوصلات. يتناقض هذا مع CSP وأنظمة CHP الأخرى التي قد تكون مصممة للعمل في درجات حرارة تزيد عن عدة مئات من الدرجات. وبشكل أكثر تحديدًا ، يتم تصنيع الخلايا الضوئية متعددة الوصلات من طبقات من مواد أشباه الموصلات ذات الطبقة الرقيقة من النوع III-V والتي لها عمر جوهري أثناء تشغيل CPV والتي تتناقص بسرعة مع اعتماد درجة الحرارة من نوع Arrhenius. لذا يجب على مستقبل النظام توفير تبريد خلايا عالي الكفاءة وموحد ، حيث يوفر المستقبل المثالي مبرد Tmax ~ Tmax cell. بالإضافة إلى قيود المواد والتصميم في أداء نقل الحرارة للمستقبِل ، فإن العديد من العوامل الخارجية ، مثل الدراجات الحرارية المتكررة للنظام ، تقلل من المبرد Tmax العملي المتوافق مع عمر النظام الطويل إلى أقل من 80 درجة مئوية تقريبًا.

التكاليف الرأسمالية الأعلى ، والتوحيد القياسي الأقل ، والهندسة المضافة & amp؛ تقدم التعقيدات التشغيلية (مقارنة بالتكنولوجيات الكهروضوئية الصفرية والتركيز المنخفض) مظاهرات من موثوقية النظام والتحديات الحرجة لأداء الحياة الطويلة للجيل الأول من تكنولوجيات CPV و CPVT. تشمل معايير اختبار شهادة الأداء (مثل المواصفة القياسية IEC 62108 و UL 8703 و IEC 62789 و IEC 62670) حالات الإجهاد التي قد تكون مفيدة للكشف عن بعض أنماط الفشل السائدة في الغالب والحياة المبكرة (& lt؛ 1–2 year) في النظام والوحدة النمطية مستويات المكونات الفرعية. ومع ذلك ، فإن مثل هذه الاختبارات القياسية – كما يتم إجراؤها عادة على عينة صغيرة فقط من الوحدات – غير قادرة عمومًا على تقييم العمر التشغيلي الطويل (10 إلى 25 سنة أو أكثر) لكل تصميم نظام CPVT فريد وتطبيقه تحت نطاق أوسع من التشغيل الفعلي الظروف. لذلك يتم تقييم الأداء الطويل الأمد لهذه الأنظمة المعقدة في هذا المجال ، ويتم تحسينه من خلال دورات تطوير المنتجات العدوانية التي ترشدها نتائج شيخوخة العنصر / النظام المتسارع ، وتشخيصات مراقبة الأداء المحسنة ، وتحليل الأعطال.يمكن توقع نمو كبير في نشر CPV و CPVT بمجرد معالجة مخاوف الأداء والموثوقية طويلة الأجل بشكل أفضل لبناء الثقة في قابلية النظام.

مشاريع توضيحية
من المتوقع أن تكون اقتصاديات صناعة CPVT الناضجة تنافسية ، على الرغم من التخفيضات الكبيرة الأخيرة في التكاليف والتحسينات التدريجية للكفاءة للـ PV السيليكونية التقليدية (التي يمكن تركيبها إلى جانب CSP التقليدي لتوفير إمكانات توليد الكهرباء + الحرارية المماثلة). قد يكون CPVT اقتصاديًا حاليًا للأسواق المتخصصة التي تتمتع بجميع خصائص التطبيق التالية:

ارتفاع معدل التعرض المباشر للطاقة الشمسية (DNI)
قيود مساحة ضيقة لوضع صفيف تجميع الطاقة الشمسية
الطلب المرتفع والثابت على الحرارة المنخفضة (& lt؛ 80 ° C)
تكلفة عالية لشبكة الكهرباء
الوصول إلى مصادر الطاقة الاحتياطية أو التخزين الفعال من حيث التكلفة (الكهربائية والحرارية)

كما يساعد استخدام اتفاقية شراء الطاقة (PPA) ، وبرامج المساعدة الحكومية ، وأنظمة التمويل المبتكرة ، المُصنِّعين والمستخدمين المحتملين على التخفيف من مخاطر تبني تكنولوجيا CPVT في وقت مبكر.

يتم الآن نشر عروض معدات CPVT التي تتراوح بين انخفاض (LCPVT) إلى ارتفاع تركيز (HCPVT) من قبل العديد من المشاريع الناشئة. وعلى هذا النحو ، فإن الجدوى الأطول أجلاً للنهج التقني و / أو التجاري الذي يتبعه أي من مزودي النظام الفرديين هي في العادة مضاربة. وتجدر الإشارة إلى أن الحد الأدنى من منتجات الشركات الناشئة القابلة للحياة يمكن أن يختلف اختلافًا كبيرًا في اهتمامها بهندسة الاعتمادية. ومع ذلك ، يتم تقديم التجميع غير الكامل التالي للمساعدة في تحديد بعض اتجاهات الصناعة في وقت مبكر.

وقد تم تجميع أنظمة LCPVT بتركيز 14x باستخدام تركيز منخفض عكسي ، وأنابيب استقبال مكسوة بالخلايا السليكونية ذات وصلات ترابية كثيفة ، بواسطة Cogenra مع كفاءة 75٪ (~ 15-20٪ كهربائية ، 60٪ حرارية). تعمل العديد من هذه الأنظمة لأكثر من 5 سنوات اعتبارًا من عام 2015 ، ويتم إنتاج أنظمة مماثلة من قبل أبسوليكون وإيدهيليو بتركيز 10x و 50x على التوالي.

ظهرت عروض HCPVT بأكثر من 700x في الآونة الأخيرة ، ويمكن تصنيفها إلى ثلاث طبقات طاقة. أنظمة الطبقة الثالثة هي عبارة عن مولدات موزعة تتكون من صفائف كبيرة من وحدات استقبال / مجمعات أحادية الخلية تبلغ 20W ، تشبه تلك التي كانت رائدة من قبل Amonix و SolFocus لـ HCPV. تستخدم أنظمة الطبقة الثانية صفيفات كثيفة موضعية للخلايا التي تنتج من 1 إلى 100 كيلوواط من خرج الطاقة الكهربائية لكل وحدة استقبال / مولد. وتتخطى أنظمة الطبقة الأولى 100 كيلو واط من الناتج الكهربائي وهي أكثر عدوانية في استهداف سوق المرافق.

يتم سرد العديد من موفري نظام HCPVT في الجدول التالي. وجميعها تقريبًا نظم مظاهرة مبكرة تعمل منذ أقل من 5 سنوات اعتبارًا من عام 2015. وعادة ما تكون الطاقة الحرارية المجمعة 1.5 × 2x الطاقة الكهربائية المقدرة.

مزود بلد نوع المكثف حجم الوحدة بوحدة kW e
مولد كهرباء المتلقي
– المستوى 1 –
Raygen أستراليا مصفوفة هليوستات كبيرة 250 250
– المستوى 2 –
زينيث سولار / صنكور إسرائيل / الصين / USA طبق كبير 4.5 2.25
صن أويستر ألمانيا حوض كبير + عدسة 4.7 2.35
Rehnu الولايات المتحدة الامريكانية طبق كبير 6.4 0.8
Airlight Energy / dsolar سويسرا طبق كبير 12 12
Solartron كندا طبق كبير 20 20
الجنوب الغربي للطاقة الشمسية الولايات المتحدة الامريكانية طبق كبير 20 20
– المستوى 3 –
Silex الطاقة مالطا صحن صحن صغير 16 0.04
Solergy ايطاليا / الولايات المتحدة الأمريكية مصفوفة عدسة صغيرة 20 0.02