الخلايا الكهروضوئية المركزة

<div class="thumb tmulti tright"><div class="thumbinner multiimageinner" style="width:304px;max-width:304px"><div class="trow"><div class="tsingle" style="width:302px;max-width:302px"><div class="thumbimage"></div> يتكون نظام Amonix هذا في لاس فيجاس ، الولايات المتحدة ، من آلاف من عدسات فريسنل الصغيرة ، كل منها يركز ضوء الشمس نحو 500 مرة أعلى على خلية شمسية صغيرة عالية الكفاءة متعددة الوصلات . وتوجد سيارة Tesla Roadster متوقفة أسفلها من أجل مقارنة المقياس.</div></div><div class="trow"><div class="tsingle" style="width:302px;max-width:302px"><div class="thumbimage"></div>وحدات الخلايا الكهروضوئية المركزة (CPV) على أجهزة تتبع الشمسية ثنائية المحور في جولمود ، الصين</div></div></div></div>الخلايا الكهروضوئية المُركزة ( CPV Concentrated Photovoltaic) (المعروفة أيضًا باسم الخلايا الفولتية الضوئية المركزة ) هي تقنية كهروضوئية تولد الكهرباء من ضوء الشمس. على عكس الأنظمة الكهروضوئية التقليدية ، فإنها تستخدم العدسات أو المرايا المنحنية لتركيز ضوء الشمس على الخلايا الشمسية الصغيرة تحتها وعالية الكفاءة ومتعددة الوصلات . بالإضافة إلى ذلك ، غالبًا ما تستخدم أنظمة الأنظمة الكهروضوئية المركزة متعقبات شمسية بحيث تسقط أشعة الشمس دائما عليها عمودية مع اختلاف وجود الشمس في صفحة السماء أثناء النهار، وأحيانًا تعزز بنظام تبريد لزيادة كفاءتها. 

تمتلك الأنظمة التي تستخدم الخلايا الكهروضوئية عالية التركيز ( HCPV ) أعلى كفاءة لجميع التقنيات الكهروضوئية الحالية ، حيث تحقق ما يقرب من 40 ٪ لوحدات الإنتاج و 30 ٪ للأنظمة. إنها لتتيح مجموعة أصغر من الخلايا الكهروضوئية لديها القدرة على تقليل استخدام مساهات كبيرة من الأراضي ، وتقليل الحرارة المهدرة والمواد ، وتوازن تكاليف النظام . بلغ معدل التركيبات الكهروضوئية المركزة ذروته في عام 2012 وانخفض إلى ما يقرب من الصفر منذ عام 2018 مع الانخفاض الأسرع في الأسعار في الخلايا الكهروضوئية المصنوعة من السيليكون البلوري . في عام 2016 ، وصلت تركيبات الأنظمة الكهروضوئية المركزة التراكمية إلى 350 ميغاواط ، أي أقل من 0.2٪ من السعة العالمية المركبة البالغة 230 ألف ميغاواط في ذلك العام.   

تتنافس الخلايا الكهروضوئية عالية التركيز HCPV بشكل مباشر مع الطاقة الشمسية المركزة (CSP) حيث أن كلا التقنيتين مناسبتان بشكل أفضل للمناطق ذات الإشعاع الطبيعي المباشر العالي ، والتي تُعرف أيضًا باسم منطقة Sun Belt ( المنطقة المشمسة) في الولايات المتحدة والموز الذهبي في جنوب أوروبا. غالبًا ما يتم الخلط بين أنظمة الكهروضوئية المركزة ونظام الطاقة الشمسية المركزة مع بعضهما البعض ، على الرغم من اختلافهما جوهريًا في التقنيات منذ البداية: تستخدم الأنظمة الكهروضوئية المركزة التأثير الكهروضوئي لتوليد الكهرباء مباشرة من ضوء الشمس ، بينما يستخدم نظام الطاقة الشمسية المركزة - غالبًا ما يطلق عليه الحرارة الشمسية المركزة - الحرارة من إشعاع الشمس من أجل صنع بخارًا لتشغيل توربين ، ثم ينتج الكهرباء باستخدام مولد كهرباء يدوُره التوربين .  ، كان CSP أكثر شيوعًا عن نظام . CPV

التاريخ 
أُجريت الأبحاث على الخلايا الفولتية الضوئية المركزة منذ منتصف السبعينيات ، مدفوعة في البداية بصدمة الطاقة من حظر نفطي في الشرق الأوسط. كانت مختبرات سانديا الوطنية في البوكيرك ، نيو مكسيكو موقعًا لمعظم الأعمال المبكرة ، حيث تم إنتاج أول نظام تركيز ضوئي شبيه حديثًا هناك في أواخر العقد. كان نظامهم الأول عبارة عن نظام مكثف خطي يستخدم عدسة فرينل أكريليك بحيث تركز الأشعة في نقطة التركيز على خلايا السيليكون المبردة بالماء وتتبع محورين. السيليكون يحول أشعة الشمس إلى كهرباء. تم عرض تبريد الخلية باستخدام المشتت الحراري السلبي واستخدام عدسات فرينل المصنوعة من السيليكون على الزجاج في عام 1979 من خلال مشروع Ramón Areces في معهد الطاقة الشمسية التابع للجامعة التقنية بمدريد . بني مشروع SOLERAS بسعة 350 كيلووات في مشروعفي المملكة العربية السعودية - وهو الأكبر حتى سنوات عديدة بعد ذلك - تم إنشاؤه بواسطة سانديا / مارتين ماريتا في عام 1981.

استمر البحث والتطوير خلال الثمانينيات والتسعينيات دون اهتمام كبير بالصناعة. وسرعان ما تم الاعتراف بالتحسينات في كفاءة الخلية باعتبارها ضرورية لجعل التكنولوجيا اقتصادية. ومع ذلك فشلت التحسينات التي تم إدخالها على تقنيات الخلايا القائمة على السيليكون Si والمستخدمة من قبل كل من المكثفات و الفولتية الضوئية PV المسطحة في تفضيل اقتصاديات مستوى النظام لـنظام الفولتية الضوية المركزة CPV. و تنتج التيارالكهربائي مباشرة. منذ ذلك الحين قدم إدخال الخلايا الشمسية III-V متعددة الوصلات بدءًا من أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين أداة تمييز واضحة. تحسنت كفاءة الخلايا المتعددة الوصلات من 34٪ (خلية خلية 3 وصلة) إلى 46٪ (خلية ذات 4 وصلات ) عند مستويات الإنتاج على نطاق البحث. كما تم تكليف عدد كبير من مشاريع الأنظمة الفولتية الضوئية المركزة لإنتاج طاقات كبيرة بقدرات متعددة الميجاوات في جميع أنحاء العالم منذ عام 2010.

في عام 2016 وصلت تركيبات الأنظمة الفولتية الضوئية المركزة التراكمية (أي الناتجة من حقول شمسية كبيرة) إلى 350 ميغاواط ، وكانت أقل من 0.2٪ من السعة العالمية المركبة البالغة 230 ألف ميغاواط.   وصلت الأنظمة ذات التركيز العالي HCPV التجارية إلى كفاءة فورية ("موضعية") تصل إلى 42٪ في ظل ظروف الاختبار القياسية (بمستويات تركيز أعلى من 400) ، وترى وكالة الطاقة الدولية إمكانية زيادة كفاءة هذه التكنولوجيا إلى 50٪ بحلول منتصف عام 2020. اعتبارًا من ديسمبر 2014 وصلت أفضل كفاءة لخلايا المختبر للخلايا متعددة الوصلات المركزة إلى 46 ٪ ( لـ 4 وصلات أو أكثر). في ظل ظروف التشغيل الخارجية ، تجاوزت كفاءة الوحدة من CPV 33٪ (أي "ثلث شمس"). وتتراوح كفاءات التيار المتردد الناتج من النظام بين 25-28٪. توجد تركيبات الأنظمة الفولتية الضوئية المركزة (الكهروضوئية المركزة) في الصين والولايات المتحدة وجنوب إفريقيا وإيطاليا وإسبانيا .

التحديات 
تعمل أنظمة الأنظمة الفولت ضوئية المركزة الحديثة بكفاءة أعلى في ضوء الشمس عالي التركيز (أي مستويات تركيز تعادل مئات من الشمس) ، طالما ظلت الخلية الشمسية باردة من خلال استخدام أحواض الحرارة . لا يمكن للضوء المنتشر الذي يحدث في الظروف الملبدة بالغيوم أن يتركز بدرجة عالية باستخدام المكونات البصرية التقليدية فقط (مثل العدسات والمرايا العيانية). الضوء المرشح الذي يمر في ظروف ضبابية أو ملوثة ، له اختلافات طيفية تنتج عدم تطابق بين التيارات الكهربائية المتولدة داخل الوصلات الموجودة في سلسلة للخلايا الكهروضوئية متعددة الوصلات طيفيًا (MJ) . تؤدي ميزات CPV هذه إلى انخفاض سريع في خرج الطاقة عندما تكون الظروف الجوية أقل من مثالية.

لإنتاج طاقة مساوية أو أكبر لكل واط مقنن من الأنظمة الفولتية الضوئية التقليدية PV، يجب وضع الأنظمة الفولتية الضوئية المركزة CPV في المناطق التي تتلقى الكثير من أشعة الشمس المباشرة . يتم تحديد هذا عادةً على أنه متوسط Direct Normal Irradiance (إشعاع عادي مباشر ) أكبر من 5.5-6 كيلوواط ساعة / م2 / يوم أو 2000 كيلوواط ساعة / م2 / سنة. خلاف ذلك ، تقييمات الإشعاع العادي المباشر DNI السنوي بالمقارنة بـبيانات الإشعاع ( الإشعاع العادي العالمي والإشعاع الأفقي العالمي ) GNI / GHI إلى أن PV التقليدية يجب أن تظل تعمل بشكل أفضل بمرور الوقت من تقنية CPV المتاحة حاليًا في معظم مناطق العالم (انظر على سبيل المثال  ).

البحث والتطوير المستمر 

استمر البحث والتطوير في الأنظمة الفولتية الضوئية المركزة في أكثر من 20 دولة لأكثر من عقد من الزمان. كانت سلسلة مؤتمرات CPV-x السنوية بمثابة منتدى أساسي للتبادل والتواصل بين الجامعة والمختبر الحكومي والمشاركين في الصناعة. كما واصلت الوكالات الحكومية تشجيع عدد من التوجهات التكنولوجية المحددة.

أعلنت ARPA-E عن الجولة الأولى من تمويل البحث والتطوير في أواخر عام 2015 لبرنامج MOSAIC (مصفوفات الخلايا الشمسية المحسّنة ذات النطاق الصغير مع التركيز المتكامل) لمواصلة مكافحة تحديات الموقع والنفقات لتقنية الأنظمة الفولتية الضوئية المركزة الحالية. كما هو مذكور في وصف البرنامج: "تم تجميع مشاريع موزاييك في ثلاث فئات: أنظمة كاملة تدمج بشكل فعال لتكلفة الفولتية الضوئية المركب الجزئي لمناطق مثل المناطق المشمسة في جنوب غرب الولايات المتحدة التي تحتوي على إشعاع شمسي عالي مباشر عادي (DNI) ؛ و أنظمة كاملة تنطبق على مناطق ، مثل مناطق شمال شرق الولايات المتحدة والغرب الأوسط ، التي لديها إشعاع شمسي منخفض DNI أو إشعاع شمسي منتشر بدرجة عالية ؛ والمفاهيم التي تبحث عن حلول جزئية للتحديات التكنولوجية ".

في أوروبا ، يهدف برنامج CPVMATCH (وحدات الطاقة الضوئية المركزة باستخدام تقنيات وخلايا متقدمة لتحقيق أعلى كفاءة) إلى "تحقيق أداء عملي لوحدات عالية الأداء HCPV أقرب إلى الحدود النظرية". تم تحديد أهداف الكفاءة التي يمكن تحقيقها بحلول عام 2019 على أنها 48٪ للخلايا و 40٪ للوحدات عند تركيز> 800x. تم الإعلان عن كفاءة الوحدة بنسبة 41.4٪ في نهاية عام 2018.

وسّعت الوكالة الأسترالية للطاقة المتجددة (ARENA) دعمها في عام 2017 لمزيد من التسويق التجاري لتقنية الخلايا الفولتية الضوئية العالية التركيز  HCPV التي طورتها Raygen. 250 تعد مستقبلات المصفوفات الكثيفة kW أقوى أجهزة استقبال CPV التي تم إنشاؤها حتى الآن ، مع كفاءة PV مثبتة تبلغ 40.4٪ وتتضمن توليدًا مشتركًا للحرارة القابلة للاستخدام.

جهاز شمسي منخفض التركيز يشتمل على جهاز تعقب داخلي خاص به (تعقب لأشعة الشمس) ، قيد التطوير بواسطة ISP Solar مما سيعزز كفاءة الخلايا الشمسية بتكلفة منخفضة.

الكفاءة 

وفقًا للنظرية ، تسمح خصائص أشباه الموصلات للخلايا الشمسية بالعمل بكفاءة أكبر في الضوء المركّز أكثر مما تفعل في ظل المستوى الاسمي للإشعاع الشمسي . هذا لأنه ، إلى جانب الزيادة النسبية في التيار المتولد ، يحدث أيضًا تحسين لوغاريتمي في جهد التشغيل ، استجابةً للإضاءة الأعلى.

للتوضيح ، ضع في اعتبارك الطاقة P التي تولدها خلية شمسية تحت إضاءة "شمس واحدة" على سطح الأرض ، والتي تتوافق مع ذروة إشعاع شمسي Q = 1000 ;( واط / متر 2 . يمكن التعبير عن طاقة الخلية كدالة لجهد الدائرة المفتوحة (V oc ) ، وتيار الدائرة القصيرة (I sc ) ، وعامل التعبئة (FF) لمنحنى التيار والجهد (IV) المميز للخلية:

 

عند زيادة إضاءة الخلية عند "χ-suns" ، المقابلة للتركيز (χ) والإشعاع (Q) ، يمكن التعبير عن ذلك بالمعادلة:

 

حيث ، كما هو موضح بالإشارة:

  و 

لاحظ أن عامل التعبئة بدون وحدة لخلية شمسية "عالية الجودة" يتراوح عادةً بين 0.75 و 0.9 ويمكن ، عمليًا ، الاعتماد بشكل أساسي على التحويل المكافئ والمقاومة المتسلسلة لبناء خلية معينة. بالنسبة لتطبيقات المكثف ، يجب أن يكون لدى FF و FF χ قيم متشابهة قريبة من الوحدة ، تتوافق مع مقاومة تحويل عالية ومقاومة سلسلة منخفضة جدًا ( > (ميغاواط p )
! سعة (MW AC )
! سنة الإنشاء> مكتمل
! الموقع
! خلايا فولتية ضوئية مركزةbr />> البائع
! المرجع
|-
| غلمود (1 و 2)
| align="center" | 137.8
| align="center" | 110
| align="center" | 2012-2013
| في جولمود / مقاطعة تشينغهاي / الصين
| صنكور
| 
|-
| مشروع Touwsrivier CPV
| align="center" | 44.2
| align="center" | 36
| align="center" | 2014
| في Touwsrivier / ويسترن كيب / جنوب إفريقيا
| Soitec
| 
|-
| مشروع ألاموزا للطاقة الشمسية
| align="center" | 35.3
| align="center" | 30
| align="center" | 2012
| في ألاموسا ، كولورادو / وادي سان لويس / الولايات المتحدة
| Amonix
| 
|-
| هامي (1 و 2 و 3)
| align="center" | 10.5
| align="center" | 9.0
| align="center" | 2013-2016
| في هامي / مقاطعة شينجيانغ / الصين
| Soitec-Focusic
| 
|-
| محطة نافارا للأنظمة الفولت ضوئية المركزة
| align="center" | 9.1
| align="center" | 7.8
| align="center" | 2010
| في فيلافرانكا / محافظة نافارا / إسبانيا
| Amonix-Guascor Foton
| 
|-
! colspan="7" style="font-weight: normal; text-align: left; font-size: 0.85em; padding: 6px 0 4px 4px;" | المصدر: اتحاد CPV 
|}

قائمة أنظمة HCPV في الولايات المتحدة

قائمة أنظمة LCPV في الولايات المتحدة

الخلايا الكهروضوئية المركزة والحرارية 
الخلايا الكهروضوئية للمركزات والحرارية ( CPVT ) ، والتي تسمى أحيانًا الحرارة والطاقة الشمسية المدمجة ( CHAPS ) أو CPV الحرارية الهجينة ، هي تقنية التوليد المشترك أو التوليد المشترك الجزئي المستخدمة في مجال الخلايا الكهروضوئية المركزة التي تنتج حرارة وكهرباء قابلة للاستخدام في نفس النظام. يستخدم CPVT بتركيزات عالية تزيد عن 100 شمس (HCPVT) مكونات مماثلة مثل HCPV ، بما في ذلك تتبع المحور الثنائي والخلايا الكهروضوئية متعددة الوصلات . يقوم المائع بتبريد جهاز الاستقبال الحراري الكهروضوئي المتكامل بشكل فعال ، وينقل الحرارة المجمعة في نفس الوقت.

عادةً ما يعمل جهاز استقبال واحد أو أكثر ومبادل حراري داخل حلقة حرارية مغلقة. للحفاظ على كفاءة التشغيل الكلي وتجنب التلف الناتج عن الهروب الحراري ، يجب أن يكون الطلب على الحرارة من الجانب الثانوي للمبادل مرتفعًا باستمرار. من المتوقع أن تتجاوز كفاءة التجميع 70٪ في ظل ظروف التشغيل المثلى ، مع ما يصل إلى 35٪ من الكهرباء وتتجاوز 40٪ حراريًا لنظام HCPVT. قد تكون كفاءات التشغيل الصافية أقل بشكل كبير اعتمادًا على مدى جودة تصميم النظام لمطابقة متطلبات التطبيق الحراري المعين.

درجة الحرارة القصوى لأنظمة CPVT منخفضة جدًا ، وعادة ما تكون أقل من 80-90 درجة مئوية ، لتشغيل مرجل بمفرده من أجل توليد مشترك إضافي للكهرباء قائم على البخار. كما أن درجات الحرارة المنخفضة جدًا هذه مقارنةً بأنظمة الطاقة الشمسية المركزة تجعل CPVT أقل توافقًا مع تخزين الطاقة الحرارية الفعال والاقتصادي (TES). ومع ذلك ، يمكن استخدام الطاقة الحرارية التي تم التقاطها بشكل مباشر في تدفئة المناطق وتسخين المياه وتكييف الهواء وتحلية المياه أو حرارة المعالجة . بالنسبة للتطبيقات الحرارية ذات الطلب المنخفض أو المتقطع ، يمكن زيادة النظام باستخدام تفريغ حراري قابل للتحويل إلى البيئة الخارجية من أجل حماية عمر الخلية والحفاظ على إنتاج الطاقة الكهروضوئية الموثوق ، على الرغم من الانخفاض الناتج في صافي كفاءة التشغيل.

يتيح التبريد النشط HCPVT استخدام وحدات استقبال حرارية ضوئية ذات طاقة أعلى بكثير ، مما يولد نموذجيًا من 1 إلى 100 كيلووات (kW) كهربائي ، مقارنة بأنظمة HCPV التي تعتمد في الغالب على التبريد السلبي لحوالي 20 ~ خلايا دبليو. تستخدم أجهزة الاستقبال عالية الطاقة هذه صفائف كثيفة من الخلايا المركبة على المشتت الحراري عالي الكفاءة. يعد تقليل عدد وحدات الاستقبال الفردية إلى الحد الأدنى بمثابة تبسيط قد يؤدي في النهاية إلى تحسين التوازن الكلي لتكاليف النظام وقابلية التصنيع وقابلية الصيانة / إمكانية الترقية والموثوقية.  نظام يجمع أجهزة استقبال يصل حجمها إلى 1 ميغاواط كهربائية / 2 تم اقتراح ميغاواط حراري مع TES لتمكين مولد دورة رانكين العضوي المصاحب لتوفير الكهرباء عند الطلب.

مشاريع توضيحية 
من المتوقع أن تكون اقتصاديات  الفولتية الضوئية المركزة الحرارية  Concentrated photovoltaic thermal CPVT الناضجة تنافسية ، على الرغم من التخفيضات الكبيرة الأخيرة في التكلفة والتحسينات التدريجية في الكفاءة لأنظمة السيليكون الفولتية الضوئية التقليدية (التي يمكن تثبيتها جنبًا إلى جنب مع الطاقة الشمسية المركزة  CSP التقليدية لتوفير إمكانات توليد كهربية + حرارية مماثلة). قد يكون النظام الحراري CPVT اقتصاديًا في الوقت الحالي للأسواق المتخصصة التي تتمتع بجميع خصائص التطبيق التالية:

 إشعاع طبيعي مباشر عالي الطاقة الشمسية (DNI)
 قيود مساحة ضيقة لوضع مجموعة مجمعات شمسية
 الطلب المرتفع والمستمر لدرجات الحرارة المنخفضة (<80 درجة مئوية) الحرارة
 ارتفاع تكلفة شبكة الكهرباء
 الوصول إلى مصادر الطاقة الاحتياطية أو التخزين الفعال من حيث التكلفة (الكهربائية والحرارية)

إن استخدام اتفاقية شراء الطاقة (PPA) ، وبرامج المساعدة الحكومية ، وخطط التمويل المبتكرة تساعد أيضًا المصنعين والمستخدمين المحتملين على التخفيف من مخاطر تبني تقنية CPVT المبكر.

يتم الآن نشر عروض معدات نظام الفولتية الضوئية المركزة الحرارية CPVT التي تتراوح من التركيز المنخفض (LCPVT) إلى التركيز العالي (HCPVT) من خلال العديد من المشاريع الناشئة . على هذا النحو ، فإن قابلية الاستمرار على المدى الطويل للنهج الفني و / أو التجاري الذي يتبعه أي مزود نظام فردي هي عادة مضاربة. والجدير بالذكر أن الحد الأدنى من المنتجات القابلة للتطبيق للشركات الناشئة يمكن أن يختلف بشكل كبير في اهتمامهم بهندسة الموثوقية . ومع ذلك ، يتم تقديم التجميع غير الكامل التالي للمساعدة في تحديد بعض اتجاهات الصناعة المبكرة.

تم تجميع أنظمة LCPVT بتركيز 14x تقريبًا باستخدام مكثفات الحوض العاكسة ، وأنابيب الاستقبال المكسوة بخلايا السيليكون ذات الوصلات البينية الكثيفة ، بواسطة Cogenra بكفاءة مزعومة 75٪ (~ 15-20٪ كهربائية ، 60٪ حرارية). العديد من هذه الأنظمة قيد التشغيل لأكثر من خمس سنوات اعتبارًا من عام 2015 ، ويتم إنتاج أنظمة مماثلة بواسطة Absolicon  و Idhelio  بتركيز 10x و 50x ، على التوالي.

ظهرت عروض HCPVT بتركيز يزيد عن 700x مؤخرًا ، ويمكن تصنيفها إلى ثلاث مستويات طاقة. أنظمة الطبقة الثالثة عبارة عن مولدات موزعة تتكون من صفيفات كبيرة من وحدات استقبال / مجمّع أحادية الخلية بقدرة 20 وات تقريبًا ، مماثلة لتلك التي كانت رائدة سابقًا بواسطة Amonix و SolFocus for HCPV. تستخدم أنظمة الطبقة الثانية مصفوفات موضعية كثيفة من الخلايا التي تنتج 1–100 كيلوواط من خرج الطاقة الكهربائية لكل وحدة استقبال / مولد. تتجاوز أنظمة الطبقة الأولى 100 كيلوواط من الناتج الكهربائي وهي الأكثر عدوانية في استهداف سوق المرافق.

يتم سرد العديد من موفري نظام HCPVT في الجدول التالي. جميع أنظمة العرض الإيضاحية تقريبًا كانت في الخدمة منذ أقل من خمس سنوات اعتبارًا من عام 2015. عادةً ما تكون الطاقة الحرارية المجمعة 1.5x-2x الطاقة الكهربائية المقدرة.

 الطاقة الشمسية المركزة (CSP)
 مركز شمسي ضيائي
 الفولتية الضوئية المركزة الحرارية (CPVT)

اقرأ أيضا 
 توليد الكهرباء من طاقة الشمس
 نظام الفولتية الضوئية المركزة الحرارية
 خلية شمسية
 خلية ضوئية جهدية متعددة الوصلات
 ظاهرة كهروضوئية
 لوح ضوئي
 لوح ضوئي جهدي

المراجع 

خلايا كهروضوئية
صفحات بترجمات غير مراجعة