موضوع مقاله: فتوولتائیک متمرکز | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # فتوولتائیک متمرکز | مقدمه: برخلاف سیستم‌های معمولی فتوولتائیک، از عدسی‌ها یا آینه‌های منحنی برای تمرکز نور خورشید بر روی سلول‌های خورشیدی کوچک، پربازده و چند اتصالی (MJ) استفاده می کند. | ## بخش 1: فتوولتائیک متمرکز | علاوه بر این، سیستم‌های CPV اغلب از ردیاب‌های خورشیدی و گاهی اوقات از یک سیستم خنک‌کننده استفاده می‌کنند تا بازده آنها بیشتر شود. تحقیق و توسعه در حال انجام است که به سرعت بهبود رقابت پذیری آنها در بخش در مقیاس ابزار و در مناطق بالا تابشی. در سال ۲۰۱۶، تأسیسات تجمعی فتوولتائیک کنستانتره به ۳۵۰ مگاوات (مگاوات) رسیده‌است، یعنی کمتر از ۰٫۲٪ ظرفیت نصب شده جهانی ۲۳۰٬۰۰۰ مگاوات. سیستم‌های تجاری HCPV در شرایط استاندارد آزمایش (با غلظت بالاتر از ۴۰۰) به بازده‌های آنی ("نقطه ای") تا ۴۲٪ رسیده‌اند و آژانس بین‌المللی انرژی پتانسیل را برای افزایش کارایی این فناوری به ۵۰٪ می‌بیند اواسط دهه ۲۰۲۰ از دسامبر ۲۰۱۴، بهترین کارایی سلول آزمایشگاهی برای سلولهای MJ متمرکز کننده به ۴۶٪ (چهار اتصال یا بیشتر) رسیده‌است. در شرایط عملیاتی در فضای باز، بازده ماژول CPV از ۳۳٪ فراتر رفته‌است ("یک سوم خورشید"). تأسیسات CPV در چین، ایالات متحده، آفریقای جنوبی، ایتالیا و اسپانیا واقع شده‌است. CPV و CSP علی‌رغم اینکه از ابتدا فناوری‌های ذاتی متفاوتی دارند، اغلب با یکدیگر اشتباه گرفته می‌شوند: CPV از اثر فتوولتائیک برای تولید مستقیم برق از نور خورشید استفاده می‌کند، در حالی که CSP - که غالباً حرارتی خورشیدی متمرکز نامیده می‌شود - از گرمای حاصل از تابش خورشید برای بخار بخار برای ایجاد یک توربین ایجاد کنید، سپس با استفاده از یک ژنراتور برق تولید می‌کند. آزمایشگاه های ملی ساندیا در آلبوکرک ، نیومکزیکو محل بسیاری از کارهای اولیه بود ، با اولین سیستم غلظت فتوولتائیک مدرن مانند در اواخر دهه در آنجا تولید شد. اولین سیستم آنها یک سیستم متمرکز کننده خطی بود که از عدسی های اکریلیک Fresnel با تمرکز بر روی سلولهای سیلیکون خنک شده با آب و ردیابی دو محور استفاده شده بود. پروژه 350 کیلوواتی SOLERAS در عربستان سعودی - بزرگترین پروژه بعد ساندیا مارتین از سال 1981 است. تحقیق و توسعه در دهه 1980 و 1990 بدون توجه صنعت ادامه داشتتا ا این که بهبود در کارایی سلول برای اقتصادی ساختن این فناوری ضروری شناخته شد. با این حال ، پیشرفت در فناوری های سلول مبتنی بر سیلیکون که توسط هم کنسانتره ها و هم تخت فتوولتایئک مورد استفاده قرار می گیرد ، نتوانست به نفع اقتصاد سطح CPV باشد. معرفی سلول های خورشیدی چند اتصالی که از اوایل سال 2000 شروع می شود ، تمایز مشخصی را ایجاد کرده است. بازده سلولهای MJ از 34٪ (3 اتصال) به 46٪ (4 محل اتصال) در سطح تولید در مقیاس تحقیق بهبود یافته است. تعداد قابل توجهی از پروژه های CPV چند مگاواتی نیز از سال 2010 در سراسر جهان به بهره برداری رسیده است. چالش ها سیستم های فتوولتائیک کنسانتره مدرن با حداکثر کارایی در نور خورشید بسیار قوی (به عنوان مثال غلظت معادل صدها خورشید) ، تا زمانی که سلول خورشیدی با استفاده از غرق کننده ها خنک نگه داشته شود ، کار می کنند. نور پراکنده ، که در شرایط ابری و سایه رخ می دهد ، فقط با استفاده از اجزای نوری معمولی (به عنوان مثال لنزها و آینه های ماکروسکوپی) نمی‌تواند تمرکز زیادی داشته باشد. نور فیلتر شده ، که در شرایط مه آلود یا آلوده رخ می دهد ، دارای تغییرات طیفی است که باعث ایجاد عدم تطابق بین جریان های الکتریکی تولید شده در اتصالات سری متصل به سلول های فتوولتائیک چند اتصالی طیفی "تنظیم" (MJ) می شود. این شرایط فتولتائیک کنسانتره منجر به کاهش سریع در خروجی انرژی می شود در شرایط جوی کمتر از حد ایده‌آل است. LCPV فقط می تواند از کسری از اشعه منتشر استفاده کند.کارایی بالا تحت تابش مستقیم طبیعیتوان خروجی سلول های خورشیدی MJ نسبت به تغییر در طیف های تابشی ناشی از تغییر شرایط جوی حساس تر است.هزینه کم به ازای هر وات سرمایه تولیدپیگردی و دقت بالاضرایب دمای پایینبسته به سایت ممکن است نیاز به تمیزکاری مکرر برای کاهش تلفات خاک داشته باشدبرای سیستم های خنک کننده غیر فعال نیازی به آب خنک کننده نیستبازار محدود - فقط در مناطق با DNI بالا قابل استفاده است و به راحتی روی پشت بام ها قابل نصب نیستاستفاده اضافی از گرمای هدر رفته برای سیستم های با خنک کننده فعال امکان پذیر استفناوری های نسل جدید ، بدون سابقه تولید (بنابراین خطر افزایش می یابد)زمان بازپرداخت انرژی کمکاهش شدید هزینه فناوری های رقیب برای تولید برقدر مقیاس کیلوات تا گیگاواتتلفات نوریاستفاده احتمالی مضاعف از زمین به عنوان مثال برای کشاورزی ، کم اثر زیست محیطیعدم استاندارد سازی فناوریپتانسیل بالا برای کاهش هزینهفرصت های تولید محلی تحقیق و توسعه در حال انجام بیش از یک دهه است که تحقیق و توسعه فتوولتائیک کنسانتره در بیش از 20 کشور دنبال می شود. مجموعه کنفرانس CPV-x سالانه به عنوان یک شبکه و تبادل نظر اصلی بین دانشگاه ، آزمایشگاه دولت و شرکت کنندگان در صنعت خدمت کرده است. ARPA-E در اواخر سال 2015 از اولین دور بودجه تحقیق و توسعه برای برنامه MOSAIC (آرایه های سلول خورشیدی بهینه شده با مقیاس کوچک با غلظت یکپارچه) برای تقابل بیشتر با مکان و هزینه های موجود در فناوری فتوولتائیک کنسانتره موجود خبر داد. همانطور که در توضیحات برنامه ذکر شده است: "پروژه های MOSAIC به سه دسته تقسیم می شوند: سیستم های کاملی که با هزینه موثر میکرو CPV را برای مناطقی مانند مناطق آفتابی جنوب غربی آمریکا که دارای تابش خورشید مستقیم تابش عادی مستقیم (DNI) هستند ، ادغام می کنند. برای مناطقی مانند مناطق شمال شرقی و میانه غرب ایالات متحده که دارای تابش خورشیدی DNI کم یا تابش خورشیدی پراکنده هستند اعمال شوند و مفاهیمی که به دنبال راه حل های جزئی برای چالش های فناوری هستند. در اروپا برنامه CPVMATCH (تمرکز ماژولهای فتوولتائیک با استفاده از فناوری های پیشرفته و سلول ها برای بالاترین بازده) با هدف "نزدیک کردن عملکرد عملی ماژول های HCPV به مرزهای نظری" است. اهداف کارآیی قابل دستیابی تا سال 2019 برای سلول ها 48٪ و برای ماژول ها با غلظت> 800x بیش از40٪ تعیین شده است. گیرنده های آرایه متراکم 250 کیلووات آنها قدرتمندترین گیرنده های CPV هستند که تاکنون ایجاد شده‌اند ، با کارایی PV 40.4٪ نشان داده شده و شامل تولید همزمان گرمامی شود. بازده طبق تئوری ، ویژگی های نیمه رسانا به سلول های خورشیدی اجازه می دهد تا در نور متمرکز کارایی بیشتری نسبت به سطح تابش خورشید داشته باشند. 61–112 صریحاً توان (P) تولید شده توسط سلول خورشیدی تحت تابش "یک خورشید" در سطح زمین را در نظر بگیرید ، که مربوط به اوج تابش خورشید Q = 1000 وات در متر مربع است. تا دسامبر 2014 ، بهترین کارایی سلول آزمایشگاهی به 46 درصد رسیده است.|وسط توجه داشته باشید که ضریب پر شدن واحد برای یک سلول خورشیدی "با کیفیت بالا" به طور معمول 0.75-0.9 است و در عمل می تواند عمدتاً به مقاومتهای سریت و شناور معادل آن برای ساختار سلول خاص بستگی داشته باشد. برای کاربردهای متمرکز کننده ، FF و FFχ باید مقادیر مشابهی داشته باشند که هر دو نزدیک به وحدت باشند ، مربوط به مقاومت در برابر شنت بالا و مقاومت سری بسیار کم (<1 میلی آمپر) باشد. | ## بخش 2: فتوولتائیک متمرکز | بازده تحت غلظت از نظر χ و ویژگی های سلول به شرح زیر است: که در آن اصطلاح kT / q ولتاژ (به نام ولتاژ حرارتی) جمعیت گرم شده الکترونها است - مانند آنچه از محل اتصال p-n سلول خورشیدی جریان دارد - و در دمای اتاق (300 K) حدود 25.85 میلی ولت ولتاژ دارد. +اتصال سه گانه III-V در GaAsسیلیکون تک کریستالیسیلیکون چند کریستالیفناوری سلول850mV700mV550mVتقاطع تقریبی Voc7.0%8.5%10.8%X=1014.0%17.0%21.6%X=10021.0%25.5%32.5%X=1000 افزایش کارایی ηχ نسبت به η در جدول زیر برای مجموعه ای از ولتاژهای مدار باز باز که تقریباً نمایانگر فناوری های مختلف سلول هستند ، ذکر شده است. در عمل ، چگالی و دمای بالاتر جریان که تحت غلظت نور خورشید بوجود می آیند ممکن است چالش برانگیز باشد تا از تخریب خصوصیات I-V سلول جلوگیری کند یا بدتر از آن ، باعث آسیب دائمی فیزیکی شود. چنین تأثیراتی می تواند نسبت FFχ / FF را حتی با درصد بیشتر از واحد نسبت به مقادیر جدول بندی شده در بالا کاهش دهد. برای جلوگیری از آسیب برگشت ناپذیر ، افزایش دمای عملکرد سلول تحت غلظت باید با استفاده از یک مخزن گرم مناسب کنترل شود. علاوه بر این ، طراحی سلول خود باید دارای ویژگی هایی باشد که باعث کاهش ترکیب مجدد و مقاومت در برابر تماس ، الکترود و شینه به سطوحی می شود که غلظت هدف و تراکم جریان حاصل را در خود جای دهد. از جمله این ویژگی ها ، بهترین سلول های فتوولتائیک چند اتصالی فیلم نازک ایجاد شده برای کاربردهای CPV زمینی ، عملکرد قابل اطمینان را در غلظت های 500-1000 خورشید (یعنی تابش های 50-100 وات بر سانتی متر مربع) به دست می آورند. [29] بهره وری محدود کننده نظری تحت غلظت برای 5 اتصال به 65٪ نزدیک می شود ، که حداکثر عملی است. طراحی نوری همه سیستم های فتوولتائیک کنسانتره(CPV) دارای یک سلول خورشیدی و یک عدسی متمرکز هستند. متمرکز کننده های نور خورشید برای CPV یک مشکل طراحی بسیار خاص را ایجاد می کنند ، با ویژگی هایی که آنها را از سایر طراحی های نوری متفاوت می کند. آنها باید کارآمد ، مناسب برای تولید انبوه ، قادر به غلظت بالا ، حساس به ساخت و نصب نادرست و قادر به ایجاد نور یکنواخت سلول باشند. برای غلظت های متوسط ​​و زیاد ، یک زاویه پذیرش گسترده می تواند اندازه گیری میزان تحمل بینایی نوری در برابر نقص در کل سیستم باشد. شروع با یک زاویه پذیرش گسترده بسیار حیاتی است زیرا باید بتواند خطاهای ردیابی ، حرکات سیستم ناشی از باد ، عدسی ناقص تولید شده ، اجزای مونتاژ نشده به طور ناقص ، سختی متناسب ساختار پشتیبانی یا تغییر شکل آن به دلیل پیری را در بین آنها جای دهد. عوامل دیگر همه اینها زاویه تابش اولیه را کاهش می دهند و پس از اینکه همه در آنها آزمایش شد ، سیستم هنوز هم می تواند دیافراگم زاویه ای محدود نور خورشید را بگیرد. انواع سیستم های CPV با توجه به میزان غلظت خورشیدی آنها ، اندازه گیری شده در "خورشید" (مربع بزرگنمایی) طبقه بندی می شوند. شار گرما به طور معمول به اندازه کافی کم است که سلول ها نیازی به خنک شدن فعال ندارند. نتایج تجربی چنین سیستم های LCPV در کانادا منجر به افزایش انرژی بیش از 40٪ برای شیشه منشوری و 45 for برای ماژول های PV سیلیکون کریستالی سنتی. فتوولتائیک با غلظت زیاد سیستم های فتوولتائیک با غلظت بالا (HCPV) از اپتیک های متمرکز متشکل از بازتابنده های ظرف یا لنزهای تازه استفاده می کنند که نور خورشید را تا شدت 1000 خورشید یا بیشتر متمرکز می کنند. سلول های خورشیدی برای جلوگیری از تخریب حرارتی و مدیریت عملکرد الکتریکی مربوط به دما و تلفات امید به زندگی ، به غرق های حرارتی با ظرفیت بالا احتیاج دارند. برای تشدید بیشتر طراحی خنک کننده غلیظ ، گرماگیر باید منفعل باشد ، در غیر این صورت انرژی مورد نیاز برای خنک کننده فعال باعث کاهش بازده و صرفه جویی در مصرف کلی می شود. سلولهای خورشیدی چند اتصالی در حال حاضر نسبت به سلولهای یک اتصال بیشترموردتوجه هستند ، زیرا آنها از کارآیی بیشتری برخوردار هستند و ضریب دمای پایین تری دارند (با افزایش دما از دست دادن کارایی کمتری). [نیاز به منبع] سلولهای خورشیدی چند اتصالی ، که در اصل برای PV غیر متمرکز در ماهواره های مستقر در فضا طراحی شده‌اند ، به دلیل تراکم جریان زیاد با CPV (به طور معمول 8 A / cm2 در 500 خورشید). گرچه هزینه سلولهای خورشیدی چند اتصالی تقریباً 100 برابر سلولهای سیلیکونی معمولی همان منطقه است ، اما منطقه کوچک سلول باعث می شود هزینه های نسبی سلولهای هر سیستم قابل مقایسه باشد و اقتصاد سیستم سلولهای چند اتصالی را ترجیح می دهد. مقدار 44٪ داده شده در بالا برای مجموعه خاصی از شرایط است که به عنوان "شرایط آزمون استاندارد" شناخته می شود. اینها شامل یک طیف خاص ، قدرت نوری اتفاقی 850 W / m / و دمای سلول 25 درجه سانتیگراد هستند. در یک سیستم متمرکز ، سلول به طور معمول تحت شرایط طیف متغیر ، قدرت نوری پایین تر و دمای بالاتر کار خواهد کرد. با در نظر گرفتن این عوامل ، یک ماژول خورشیدی شامل یک سلول چند اتصالی 44٪ ممکن است بازده DC را در حدود 36٪ ارائه دهد. در صورت نیاز به غلظت زیاد (500–1000 بار) ، همانطور که در مورد سلولهای خورشیدی چند اتصالی با کارایی بالا اتفاق می افتد ، دستیابی به چنین غلظتی با زاویه پذیرش کافی برای موفقیت تجاری در سطح سیستم بسیار مهم است . این اجازه می دهد تا تحمل در تولید انبوه تمام قطعات ، آرامش بخش ماژول و نصب سیستم ، و کاهش هزینه های عناصر سازه. از آنجا که هدف اصلی CPV ارزان ساختن انرژی خورشیدی است ، فقط چند سطح قابل استفاده هستند. کاهش تعداد عناصر و دستیابی به زاویه تابش بالا ، می تواند نیازهای مکانیکی نوری ، مانند دقت پروفیل های سطح نوری ، مونتاژ ماژول ، نصب ، ساختار پشتیبانی و غیره را کاهش دهد. | ## بخش 3: فتوولتائیک متمرکز | برای این منظور ، پیشرفت در مدل سازی آفتاب در مرحله طراحی سیستم ممکن است به بازده بالاتر سیستم منجر شود. استانداردهای صدور گواهینامه عملکرد (UL 3703 ، UL 8703 ، IEC 62108 ، IEC 62670 ، IEC 62789 و IEC 62817) شامل شرایط آزمایش تنش است که ممکن است برای کشف برخی از حالت های شکست غالباً نوزاد و اوایل زندگی (<1-2 سال) دربرخی موارد مفید باشد مانند سیستم ، ردیاب ، ماژول ، گیرنده و سایر سطوح زیرمجموعه. با این حال ، چنین آزمایشات استاندارد - که معمولاً فقط در یک نمونه کوچک از واحدها انجام می شود - به طور کلی قادر به ارزیابی طول عمر جامع طولانی مدت (10 تا 25 سال یا بیشتر) برای هر طراحی و کاربرد سیستم منحصر به فرد تحت دامنه وسیع تر از واقعی نیست - و گاهی اوقات پیش بینی نشده - شرایط عملیاتی. بنابراین قابلیت اطمینان این سیستم های پیچیده در این زمینه ارزیابی می شود و از طریق چرخه های توسعه محصول تهاجمی که با نتایج تسریع شده پیری م componentلفه / سیستم ، تشخیص نظارت بر عملکرد و تجزیه و تحلیل خرابی هدایت می شوند ، بهبود می یابد. به طور خاص ، سلول ها از لایه لایه ای از مواد نیمه رسانای فیلم نازک III-V با طول عمر ذاتی در حین کار ساخته شده اند که با وابستگی به دما از نوع آرنیوس به سرعت کاهش می یابند. بنابراین گیرنده سیستم باید از طریق روشهای فعال و / یا منفعل کاملاً خنک کننده سلول بسیار کارآمد و یکنواخت را فراهم کند. تاسیسات فناوری فتوولتائیک کنسانتره حضور خود را در صنعت خورشیدی طی دوره 2006 تا 2015 تثبیت کرد. اولین نیروگاه HCPV که از سطح 1 مگاوات بیشتر بود ، در اسپانیا در سال 2006 به بهره برداری رسید. داده های میدانی جمع آوری شده از تنوع تأسیسات از سال 2010 نیز قابلیت اطمینان سیستم را در دراز مدت ارزیابی می کنند. با این وجود ، چشم انداز رشد برای صنعت PV به طور کلی همچنان قوی است ، بنابراین خوش بینی مداوم به فناوری CPV را فراهم می کند سرانجام جای خود را نشان می دهد. بزرگترین نیروگاه CPV که در حال حاضر در حال بهره برداری است ، دارای رتبه 138 مگاوات بر ثانیه واقع در گلمود ، چین و به میزبانی فتوولتائیک خورشیدهسته ای است. یک سیال به طور فعال گیرنده حرارتی - فتوولتائیک یکپارچه را خنک می کند و همزمان گرمای جمع شده را حمل می کند. به طور معمول ، یک یا چند گیرنده و یک مبدل حرارتی در یک حلقه حرارتی بسته کار می کنند. برای حفظ کارایی کلی کارآیی و جلوگیری از آسیب دیدن فرار حرارتی ، تقاضا برای گرما از سمت مبدل ثانویه باید دائماً زیاد باشد. بازده عملیاتی خالص بسته به میزان مهندسی یک سیستم برای مطابقت با تقاضاهای کاربرد حرارتی خاص ، ممکن است بسیار پایین باشد. حداکثر دمای سیستمهای CPVT معمولاً خیلی کم است (زیر 80-90 درجه سانتیگراد) تا بتواند بخاری را برای تولید همزمان برق اضافی مبتنی بر بخار تأمین کند. چنین سیستم هایی ممکن است برای تأمین نیرو در برنامه های دمای پایین که تقاضای گرمایی بالایی دارند تأمین شود. گرما ممکن است در گرمایش محلی ، گرمایش آب و تهویه مطبوع ، نمک زدایی یا گرمای فرایند استفاده شود. برای برنامه های کاربردی که تقاضای گرمایی کم یا متناوب دارند ، ممکن است یک سیستم با تخلیه گرمای قابل تعویض به محیط خارجی افزایش یابد تا علی‌رغم کاهش در نتیجه کارایی عملیاتی خالص ، بتواند از توان الکتریکی قابل اطمینان برخوردار باشد و از عمر سلول محافظت کند. خنک کننده فعال HCPVT امکان استفاده از واحدهای گیرنده حرارتی - فتوولتائیک با قدرت بسیار بالاتر را فراهم می کند ، در مقایسه با سیستم های HCPV که بیشتر به خنک کاری غیرفعال سلول های تک ~ 20W متکی هستند ، معمولاً 1 تا 100 کیلووات برق تولید می کنند. چنین گیرنده های با قدرت بالا از آرایه های متراکم سلول نصب شده بر روی یک مخزن حرارتی با بازده بالا استفاده می کنند. به حداقل رساندن تعداد واحدهای گیرنده منفرد ساده ای است که در نهایت باید به بهبود تعادل کلی هزینه های سیستم ، قابلیت تولید ، قابلیت نگهداری / قابلیت ارتقا و قابلیت اطمینان منجر شود. پروژه های نمایشی پیش بینی می شود که اقتصاد یک صنعت جاافتاده CPVT ، علی‌رغم کاهش زیاد هزینه های اخیر و بهبود تدریجی کارایی فتوولتائیک سیلیکون معمولی (که می تواند در کنار CSP معمولی نصب شود تا امکانات تولید الکتریکی و حرارتی مشابه را فراهم کند) رقابتی باشد. بدین ترتیب ، ماندگاری طولانی مدت رویکرد فنی و یا تجاری که توسط هر ارائه دهنده سیستم فردی دنبال می شود ، معمولاً حدس و گمان است. قابل ذکر است ، حداقل محصولات مناسب شرکت های نوپا می توانند در توجه به مهندسی قابلیت اطمینان بسیار متفاوت باشند. با این وجود ، مجموعه ناقص زیر برای کمک به شناسایی برخی از روندهای اولیه صنعت ارائه شده است. پیشنهادات HCPVT با غلظت بیش از 700 برابر اخیراً ظهور کرده اند و ممکن است در سه سطح قدرت طبقه بندی شوند. سیستم های ردیف دوم از آرایه های متراکم محلی استفاده می کنند که در هر واحد گیرنده / ژنراتور 1-100 کیلووات خروجی برق تولید می کنند. سیستم های ردیف اول بیش از 100 کیلووات خروجی الکتریکی دارند و در هدف قرار دادن بازار ابزارهای تهاجمی بیشتر هستند. | ## جمع‌بندی | تقریباً همه سیستم های نمایشی اولیه هستند که از سال 2015 برای کمتر از 5 سال کار می کنند.