コンセントレータ太陽光発電

コンセントレータの太陽光発電（CPV）（Concentration Photovoltaicsとも呼ばれます）は、太陽光から発電する太陽光発電技術です。 従来の太陽光発電システムとは対照的に、太陽光を小型で効率的なマルチジャンクション（MJ）太陽電池に集中させるために、レンズと曲面ミラーを使用しています。 さらに、CPVシステムでは、ソーラートラッカーや時には冷却システムを使用して、効率をさらに高めることがしばしばあります.30現在進行中の研究開発では、ユーティリティスケールのセグメントや高い日射量の分野で競争力が急速に向上しています。 このようなソーラー技術は、より小さな領域で使用することができます。

高濃度太陽電池（HCPV）を使用するシステムは、特に近い将来競争力を発揮する可能性があります。 既存のすべてのPV技術の効率を最大限に引き出し、小型の太陽電池アレイはシステムコストのバランスも低下させます。 現在、CPVはPV屋上セグメントでは使用されておらず、従来のPVシステムよりもはるかに一般的ではありません。 2000 kWh /平方メートル以上の高い年平均直接放射照度を有する地域では、平準化された電力コストはkWh当たり0.08〜0.15ドルの範囲にあり、10メガワットのCPV発電所の設置コストは1ワットピーク（Wp）あたり€1.40〜2.20（〜$ 1.50- $ 2.30）の間にあると特定されています。

2016年の累積CPVの設置台数は350メガワット（MW）に達し、世界の設置容量230,000 MWの0.2％に満たない。 商用HCPVシステムは、標準試験条件（400以上の濃度レベル）で最大42％の瞬時（「スポット」）効率に達し、国際エネルギー機関はこの技術の効率を2020年中頃までに50％に高める可能性を見込んでいます。 2014年12月現在、コンセントレータMJ細胞の最高ラボセル効率は46％（4つ以上の接合部）に達しました。 屋外での使用条件下では、CPVモジュールの効率は33％（「太陽の1/3」）を超えています。 システムレベルのAC効率は25〜28％です。 CPVの設置場所は、中国、米国、南アフリカ、イタリア、スペインです。

HCPVは、米国のサンベルト地区と南ヨーロッパのゴールデンバナナとしても知られている直射日光の高い地域に最適ですので、集中太陽光発電（CSP）と直接競合します。 CPVは本質的に異なる技術にもかかわらず、しばしば互いに混同されています.CPVは光起電力効果を利用して太陽光から直接発電しますが、CSPはしばしば集中太陽熱と呼ばれますが、タービンを駆動するための蒸気を作り、発電機を使って発電します。 現在、CSPはCPVより一般的です。

歴史
1970年代半ば以来、濃縮装置の太陽光発電に関する研究は、当初、中東の石油禁止からのエネルギーショックによって促進された。 ニューメキシコ州アルバカーキにあるサンディア国立研究所は、初期の仕事の大部分を占めていました。この10年後半に現代的な太陽光集光システムが最初に作られました。 彼らの最初のシステムは、水冷シリコンセルと2軸トラッキングに焦点を当てたポイントフォーカスのアクリルフレネルレンズを使用したリニアトラフコンセントレータシステムでした。 パッシブヒートシンクによるセル冷却は、1979年にRamónArecesによって実証されました。サウジアラビアの350 kW SOLERASプロジェクトは、1981年にSandia / Martin Mariettaによって建設されました。

研究開発は、1980年代と1990年代の間に重要な産業上の関心なしに続けられた。 この技術を経済的にするためには、セル効率の向上が不可欠であるとすぐに認識されました。 しかし、コンセントレータとフラットPVの両方で使用されるSiベースのセル技術の改善は、CPVのシステムレベルの経済性を支持することができませんでした。 2000年代初めに始まったIII-V多接合太陽電池の導入は、以来、明確な差別化要因となっています。 研究規模の生産レベルでは、MJセルの効率は34％（3接合）から46％（4接合）に改善されました.14多量のマルチMW CPVプロジェクトも2010年から世界中で委託されています。

課題
最近のCPVシステムは、ヒートシンクを使用して太陽電池を冷却し続ける限り、高濃度の太陽光（すなわち、数百の太陽に相当する濃度レベル）で最も効率的に動作する。 曇った状態や曇った状態で発生する拡散光は、従来の光学部品（すなわち巨視的レンズやミラー）のみを使用して高度に集中することはできません。 曇った状態または汚染された状態で生じるフィルタリングされた光は、スペクトル的に「調整された」マルチジャンクション（MJ）光起電力セルの直列接続接合部内で生成される電流間の不一致を生じるスペクトル変動を有する。 これらのCPV機能は、大気条件が理想よりも低い場合、電力出力の急激な低下をもたらします。

従来のPVシステムよりも定格ワットあたりのエネルギーが同等またはそれ以上になるように、CPVシステムは十分な直射日光を受ける場所に設置する必要があります。 これは、典型的には、平均DNIが5.5~6kWh / m 2 /日または2000kWh / m 2 /日/年以上であると特定される。 。 さもなければ、年間のDNI対GNI / GHI放射照度データの評価は、従来のPVは、世界中のほとんどの地域で、現在入手可能なCPV技術よりも時間の経過とともにより良好に動作すべきであると結論付けている。

進行中の研究開発
CPVの研究開発は20年以上にわたって10年以上にわたって行われてきました。 毎年開催されるCPV-xカンファレンスシリーズは、大学、政府機関、産業界の参加者間の主要なネットワーキングおよび交換フォーラムとして機能しています。 政府機関はまた、多くの具体的な技術の推進を奨励し続けてきた。

ARPA-Eは、既存のCPV技術の位置および費用の課題にさらに対処するために、2015年後半にMOSAICプログラム（集中型集中型マイクロセル最適化太陽電池アレイ）の第1ラウンドのR＆D資金を発表しました。 「MOSAICプロジェクトは、3つのカテゴリに分類されています。米国南西部の日常的な事故（DNI）太陽放射が高い日の出の地域など、マイクロCPVをコスト効率良く統合する完全なシステム米国北東および中西部のような、低DNI太陽放射または高拡散太陽放射を有する地域に適用する;および技術課題への部分的解決を求める概念」に記載されている。

ヨーロッパでは、CPVMATCHプログラム（高度な技術とセルを使用して最高の効率を達成する光電池モジュールを集中させる）は、HCPVモジュールの実用的性能を理論限界に近づけることを目指しています。 2019年までに達成可能な効率目標は、セルでは48％、> 800x濃度ではモジュールで40％と識別されます。

オーストラリア再生可能エネルギー機関（ARENA）は、Raygenによって開発されたHCPV技術のさらなる商業化のため、2017年にその支援を拡大した。 250kWの高密度アレイレシーバは、これまでに作成された最も強力なCPVレシーバで、実証済みのPV効率は40.4％であり、使用可能な熱コジェネレーションも含まれています。

光学設計
CPV用の巨視的な太陽光集光装置の設計は、他の光学設計とは異なる特徴を有する非常に特殊な光学設計問題を導入する。 それは効率的で、大量生産に適し、高濃度が可能で、製造および取り付けの不正確さに鈍感で、セルの均一な照明を提供することができなければならない。 これらの理由のすべては、非イメージング光学系をCPVに最も適したものにする。

非常に低い濃度では、非イメージング光学系の広い受光角は、アクティブな太陽追跡の必要性を回避する。 中濃度および高濃度の場合、広い受容角は、光学系がシステム全体の不完全さに対する耐性の尺度とみなすことができる。 トラッキングエラー、風によるシステムの動き、不完全に製造された光学部品、不完全に組み立てられた部品、支持構造体の有限剛性または経年変化による変形を収容することができなければならないので、幅広い受け入れ角度から始めることが不可欠であるその他の要因。 これらのすべてが初期受容角を減少させ、それらがすべて考慮された後、システムは依然として太陽光の有限角度開口を捕捉することができなければならない。

効率
すべてのCPVシステムは、集光光学系および太陽電池を有する。 一般的に、能動的太陽追跡が必要である。 低濃度システムには、単純なブースターリフレクタが付いていることが多いため、非集光型PVシステムの30％以上の太陽光出力を増加させることができます。 このようなカナダのLCPVシステムの実験結果は、プリズムガラスで40％以上のエネルギー利得をもたらし、従来の結晶シリコンPVモジュールでは45％のエネルギー利得をもたらしました。

半導体の特性により、太陽電池は、セル接合温度が適切なヒートシンクによって冷却されている限り、より効率的に集中した光で動作することができます。 研究で開発された多接合太陽電池の効率は、現在44％以上であり、今後数年で50％に達する可能性があります。 濃度下での理論的な限界効率は、5つの接合部について65％に近づき、実用的な可能性が最も高い。

タイプ
CPVシステムは、太陽の濃度（「太陽」（倍率の2乗）で測定される）に応じて分類される。

低濃度PV（LCPV）
低濃度のPVは、太陽の濃度が2-100のシステムです。 経済的理由から、従来のまたは改質されたシリコン太陽電池が典型的に使用され、これらの濃度では熱流束が十分に低く、電池を能動的に冷却する必要がない。 現在、標準太陽電池モジュールは、濃度レベルが低くても35％以上の出力がある場合は、変更、追跡、冷却が不要であるというモデリングと実験的証拠があります。

中濃度PV
100から300太陽の濃度から、CPVシステムは、（受動的であれ能動的であれ）2軸の太陽追跡と冷却を必要とするため、それらをより複雑にする。

高濃度光電池（HCPV）
高濃度光電池（HCPV）システムは、太陽光を1000日以上の強度に集中させるディッシュリフレクターまたはフレネルレンズからなる集光光学系を採用しています。 太陽電池は、熱破壊を防止し、温度に関連する電気的性能および寿命の損失を管理するために、大容量ヒートシンクを必要とする。 集中冷却設計をさらに悪化させるためには、ヒートシンクは受動的でなければならず、さもなければ能動冷却に必要な電力が全体の変換効率および経済性を低下させる。 マルチジャンクション太陽電池は、より効率的で温度係数が低い（温度上昇による効率の低下が少ない）ので、現在、単一接合セルよりも有利である。 両方の細胞型の効率は濃度の上昇に伴って上昇する。 マルチジャンクションの効率はより速く上昇します。 もともと宇宙ベースの衛星で非集光PV用に設計されたマルチジャンクション太陽電池は、CPV（通常500太陽/時で8A / cm2）に遭遇する高電流密度のために再設計されている。 マルチジャンクション太陽電池のコストは、同じ面積の従来のシリコンセルの約100倍であるが、採用される小さなセル面積は、各システムのセルの相対コストを比較可能にし、システム経済はマルチジャンクションセルを優先する。 多接合セルの効率は現在、生産セルで44％に達しています。

上記の44％の値は、「標準試験条件」として知られる条件の特定のセットに対するものです。 これらには、特定のスペクトル、850 W / m2の入射光パワー、および25℃のセル温度が含まれます。 濃縮システムでは、セルは、典型的には、可変スペクトル、より低い光学パワー、およびより高い温度の条件下で動作する。 光を集中させるために必要な光学系は、75〜90％の範囲で効率自体が制限されています。 これらの要因を考慮すると、44％マルチジャンクションセルを組み込んだソーラーモジュールは、約36％のDC効率を実現する可能性があります。 同様の条件下では、結晶シリコンモジュールは18％未満の効率を提供する。

高効率マルチ接合太陽電池の場合に生じるような高濃度（500〜1000倍）が必要な場合、システムレベルでの商業的成功が十分な受光角でそのような濃度を達成することは重要である。 これにより、すべてのコンポーネントの大量生産に耐性を持たせ、モジュールの組み立てとシステムの設置を緩和し、構造要素のコストを削減します。 CPVの主な目的は太陽エネルギーを安価にすることであるため、わずかな表面しか使用できません。 素子の数を減らし、受入れ角度を高くすることは、光学表面のプロファイル、モジュールの組み立て、設置、支持構造などの光学的および機械的要件を緩和することができる。この目的のために、システム設計段階でシステム効率が向上する可能性があります。

インストール
コンセントレータの太陽光発電技術は、ここ数年の間に太陽光発電業界でのプレゼンスを確立しました。 1 MWレベルを超えた最初のCPV発電所は、2006年にスペインで委託された.2015年末までに、世界中のCPV発電所の総設備容量は350 MWであった。 過去6年間に収集されたフィールドデータも、長期的なシステム信頼性の見通しをベンチマークし始めています。

新興CPVセグメントは、過去10年間にわたり急速に拡大している太陽光発電設備市場の約0.1％を占めています。 残念ながら、2015年末までに、CPV業界の成長に関する短期的な見通しは、Suncore、Soitec、Amonix、およびSolfocusのものを含む、最大のCPV製造施設をすべて閉鎖することで消えています。 それにもかかわらず、PV業界全体の成長見通しは引き続き強く現れています。

大型CPVシステムのリスト
現在稼動中の最大のCPV発電所は、中国のGolmudにある80 MWpの容量で、Suncore Photovoltaicsが主催しています。

集光された光電池と熱
コンセントレータ太陽光発電（CPVT）は、時には熱および電力太陽熱（CHAPS）またはハイブリッドCPV（複合熱電力）とも呼ばれ、同じシステム内で使用可能な熱および電気を生成するコンセントレータ太陽光発電の分野で使用されるコージェネレーションまたはマイクロコージェネレーション技術です。 100太陽以上の高濃度（HCPVT）のCPVTは、二軸追跡および多接合光電池を含むHCPVと同様の構成要素を利用する。 流体は積分型熱 – 光起電力受信器を積極的に冷却し、同時に収集された熱を輸送する。

典型的には、1つまたは複数のレシーバおよび熱交換器が、閉じた熱ループ内で動作する。 効率的な全体動作を維持し、熱暴走による損傷を回避するためには、熱交換器の二次側からの熱に対する要求が一貫して高くなければならない。 このような最適な運転条件下では、70％を超える回収効率（約35％の電気、HCPVTの約40％の熱）が予想される。 正味の動作効率は、特定の熱アプリケーションの要求に合致するようにシステムがいかにうまく設計されているかによってかなり低くなる可能性があります。

CPVTシステムの最高温度は、ボイラーに追加の蒸気ベースの電気コージェネレーション用の電力を供給するには、一般的に低すぎます。 このようなシステムは、一定の高い熱需要を有する低温用途に電力を供給するために経済的であり得る。 熱は、地域暖房、水加熱および空調、淡水化またはプロセス熱で使用されてもよい。 より低いまたは断続的な熱需要を有する用途では、正味の動作効率の結果としての低下にもかかわらず、信頼できる電気出力を維持し、電池寿命を保護するために、システムを外部環境に切り替え可能なヒートダンプで増強することができる。

HCPVT能動冷却は、主に単一~20Wセルの受動冷却に頼っているHCPVシステムと比較して、典型的には1〜100キロワットの電気を発生する、より高出力の熱 – 光起電力受信ユニットの使用を可能にする。 このような高出力レシーバは、高効率ヒートシンクに搭載されたセルの高密度アレイを利用する。 個々のレシーバユニットの数を最小限に抑えることは、システムコスト、製造性、保守性/アップグレード性、および信頼性の全体的なバランスを最終的に改善する単純化です。

信頼性要件
CPVTシステムの最大動作温度（Tmaxセル）は、マルチジャンクションPVセルの本質的な信頼性の限界のために、約100-125℃以下に制限されています。 これは、数百度を超える温度で機能するように設計されたCSPおよび他のCHPシステムとは対照的である。 より具体的には、マルチ接合太陽電池は、アレニウス型温度依存性で急速に低下するCPV動作中の固有寿命を有する薄膜III-V族半導体材料の層から製造される。 したがって、システム受信機は、理想的な受信機がTmax冷却剤〜Tmaxセルを提供する高効率で均一なセル冷却を提供しなければならない。 レシーバの熱伝達性能の材料と設計上の制限に加えて、頻繁なシステムのサーマルサイクリングなどの多くの外部要因によって、長いシステム寿命に対応する実用的なTmaxクーラントが約80℃以下にさらに低下します。

より高い資本コスト、より少ない標準化、およびエンジニアリング＆amp; 第1世代のCPVおよびCPVT技術では、（ゼロおよび低濃度のPV技術と比較して）操作の複雑さが、システムの信頼性と長寿命性能の重要な課題を実証しています。 性能認証試験規格（例えば、IEC 62108、UL 8703、IEC 62789、IEC 62670）には、システム、モジュール、およびシステムにおける幼児および初期の寿命（<1-2年）の故障モードを明らかにするために有用なストレス条件が含まれるサブコンポーネントレベル。 しかし、そのような標準化された試験は、一般的にわずかな単位のサンプリングでのみ実施されるため、一般的なCPVTシステム設計およびアプリケーションの長期間（10〜25年以上）の寿命を広範囲の実際の動作の下で評価することはできません条件。 したがって、これらの複雑なシステムの長寿命性能は現場で評価され、コンポーネント/システムのエージングの加速、パフォーマンス監視診断の強化、および障害分析の結果によって導かれる積極的な製品開発サイクルによって改善されます。 長期的なパフォーマンスと信頼性への懸念がシステム・バンキングの信頼性を高めるために改善されれば、CPVとCPVTの展開における大幅な成長が予想されます。

デモンストレーションプロジェクト
成熟したCPVT産業の経済性は、従来のシリコンPV（同様の電気+熱発生能力を提供するために従来のCSPと一緒に設置することができる）のコストの大幅な削減と漸進的な効率改善にもかかわらず、 CPVTは現在、以下のアプリケーション特性のすべてを有するニッチ市場にとって経済的である可能性がある。

太陽直射率が高い（DNI）
ソーラーコレクタアレイを配置するための狭いスペースの制約
低温（＆lt; 80℃）の熱に対する絶え間ない要求
グリッド電力の高コスト
バックアップ電源へのアクセスまたは費用対効果の高いストレージ（電気および熱）

電力購入契約（PPA）、政府援助プログラム、革新的な資金調達スキームを活用することで、潜在的な製造業者とユーザーが早期CPVT技術採用のリスクを緩和するのに役立ちます。

低（LCPVT）から高（HCPVT）濃度までのCPVT装置は、いくつかのスタートアップベンチャーによって導入されています。 したがって、個々のシステム提供者が追求する技術的および/またはビジネス的アプローチの長期的な実行可能性は、典型的には投機的である。 特に、スタートアップの最小実行可能製品は、信頼性エンジニアリングに注意を集中して広範に変化する可能性があります。それにもかかわらず、いくつかの初期の産業動向の特定を支援するために、以下の不完全な編集が提供されています。

リフレクトトラフコンセントレータを使用する〜14x濃度のLCPVTシステムと、高密度相互接続を有するシリコンセルを被覆したレシーバパイプが、Cogenraによって75％の効率（約15〜20％の電気、60％の熱）で組み立てられています。 そのようなシステムのいくつかは2015年の時点で5年以上稼働しており、同様のシステムがAbsoliconとIdhelioによってそれぞれ10倍と50倍の濃度で生産されています。

700倍以上の濃度のHCPVT製品が最近登場し、3つの電源層に分類される可能性があります。 第3層システムは、HCPVのためにAmonixとSolFocusによって以前に開発されたものと同様に、〜20W単セル受信機/コレクタユニットの大きなアレイからなる分散型発電機です。 第2層システムは、受信機/発電機ユニット当たり1〜100kWの電力出力を生成する、局部的なセルの高密度アレイを利用する。 ファーストティアシステムは、100kWを超える電気出力を持ち、ユーティリティ市場をターゲットにするのに最も積極的です。

いくつかのHCPVTシステムプロバイダが次の表にリストされています。 ほとんどすべてが、2015年の時点で5年間稼動している初期のデモンストレーションシステムです。収集される火力は、通常、定格電力の1.5倍〜2倍です。