Allt handlar om pengar. Varför till synes fantastiska tekniska lösningar ibland kan misslyckas

När jag var yngre trodde jag att vetenskapen ensam kunde lösa alla tekniska utmaningar – och att vilken lösning som helst tekniskt sett var den bästa skulle vinna. Det var först efter att ha tillbringat några år i industrin som jag insåg hur ekonomi, marknadskrafter och konkurrens spelar lika viktiga (och ibland större) roller. En teknisk lösning som kan verka utmärkt på pappret kan, lärde jag mig, dras ned av praktiska svårigheter och dålig timing.

För alla som utvecklar ny teknik är det därför viktigt att sätta granskningspunkter på projekt, kontinuerligt utvärdera marknaden och konkurrensen och regelbundet titta på beredskapen hos din teknologi på ett passionerat och balanserat sätt. Jag kan tänka på dussintals tekniker som inte fungerade som det var tänkt. Men här ska jag utforska "solar concentrator" photovoltaics (CPV) - enheter som genererar elektricitet med hjälp av linser eller böjda speglar för att fokusera solljus på små solceller.

Jag blev påmind om detta ämne samtidigt skriver om världens mest effektiva solcell, som utvecklades 2019 vid US National Renewable Energy Laboratory. Det är en CPV-enhet och har en rekordeffektiv effektivitet på 47.1 % när den är upplyst av 143 solar. På första sidan låter enheten fantastiskt med tanke på att dagens platta fotovoltaiska kiselpaneler (PV) har en verkningsgrad på endast 22 %.

Varför föll solceller från koncentrator, som en gång utropades som nästa stora grej?

Visst, de flesta CPV-installationer ser imponerande och futuristiska ut, men platta kisel-PV:er har fallit så mycket i pris att försöken att distribuera CPV:er nästan har stannat sedan 2017 (även om forskningen om dem har fortsatt). Är det därför CPV, som en gång utropades som nästa stora grej, har fallit i vägen?

Marknadskrafter

Forskning om CPV började i mitten av 1970-talet efter chocken av oljeembargot i Mellanöstern (Prog. Fotovolt. Res. Appl. 8 93). Det mesta arbetet ägde rum vid Sandia National Laboratories i New Mexico, med det första systemet som bestod av en Fresnel-lins i akryl som fokuserade solljus på kisel-PV-celler. Cellerna kyldes med vatten för att hindra dem från att värmas upp och förlora effektivitet; de använde också ett spårningssystem så att de alltid var vända mot solen.

Andra företag försökte sig snabbt, med CPV-system utvecklade av alla från Motorola och Boeing till GE och RCA. Flera framgångsrika storskaliga demonstrationsprojekt uppstod ur detta tidiga arbete, särskilt 350 kW Soleras-projektet i Saudiarabien och 300 kW Entech-systemet i Austin, Texas. Den förstnämnda körde kontinuerligt från 1981 i över 15 år och gav värdefulla insikter om de praktiska och driftskostnaderna för CPV.

Under det tidiga 1980-talet stannade dock arbetet av när energikrisens brådska övertog. Eftersom olja och naturgas visade sig vara mycket rikligare än väntat, rasade kostnaderna för dessa bränslen. Så när amerikanska federala medel för CPV blev knappa, hoppade de flesta av deltagarna av. Forskningen minskades, även om ett fåtal hängivna fortsatte att fullfölja drömmen.

Det var lätt att skylla förlusten av intresse för CPV på låga naturgaspriser eller bristande politisk vilja. Men det största problemet var att CPV-systemen inte sålde. Vanliga, platta solcellspaneler av kisel har däremot hundratals tillämpningar, allt från navigering till telekommunikation. De är otroligt pålitliga, saknar rörliga delar och behöver väldigt lite underhåll.

Solceller är särskilt användbara för människor i utvecklingsländer, som nu använder dem för belysning, kylning och vattenpumpning - särskilt om det är i avlägsna områden där andra kraftkällor inte är tillgängliga. Enkelt uttryckt är ingen av dessa applikationer särskilt lämpliga för CPV, som endast var kostnadseffektiva för installationer större än 100 kW.

En ny gryning?

Marknaden för CPV förbättrades efter utvecklingen i början av 2000-talet av högeffektiva "tandem" multi-junction CPV, som kombinerar kisel med en III-V-halvledare som galliumarsenid. Faktum är att olika multimegawatt CPV-projekt har beställts runt om i världen sedan 2010 med hjälp av sådana enheter. Moderna kommersiella system har effektivitetsvinster på upp till 42 % och International Energy Agency tror att detta kan stiga till 50 % i mitten av 2020-talet.

Och ändå är inte ens dessa överlägsna CPV: er perfekta, de behöver aktiva spårningssystem så att de alltid är vända mot solen samt speciell kylning. Det är mycket extra komplexitet för den extra effektiviteten. Dessutom fungerar cellerna inte lika bra i disiga eller förorenade förhållanden eftersom spektrumet inte matchar de spektralt "avstämda" cellerna. Molniga dagar är ett annat problem eftersom solljuset inte är tillräckligt koncentrerat.

Vill du sänka din energiräkning? Prova dessa rekordstora solceller

Dessa begränsningar för solcellssystem med flera korsningar minskar deras effekt och påverkar ekonomin med högre kapitalkostnader och underhållskostnader. Det är svårt att se hur de kan förbättra sig på solcellspaneler, vars pris har sjunkit med 82 % mellan 2010 och 2019, enligt Internationella byrån för förnybar energi.

Nedgången i kostnaden för platta solceller har främst drivits av stordriftsfördelar, men den kinesiska regeringen har också spelat en roll. Genom att kraftigt subventionera sin solcellsindustri, vissa har hävdat att Kina har kunnat sälja solpaneler i USA och Europa för mindre än det kostar att tillverka och frakta dem. Känd som "dumpning", har denna praxis drivit ut konkurrenter och gjort det möjligt för kinesiska leverantörer att ta sig in på marknaden.

Med ekonomin som nu gynnar platta solceller så starkt, har utsikterna på kort sikt för CPV-industrin bleknat. Flera av de största CPV-tillverkningsanläggningarna har stängda verksamheter inklusive Suncore, Soitec, Amonix och SolFocus. Platta solceller, trots att de är mindre effektiva, har vunnit dagen på grund av enkel ekonomi.

Allt är dock inte förlorat. Kanske är en andra guldålder för solkoncentratorteknik på korten genom att använda den koncentrerade energin för att värma upp vätskor, med den lagrade värmen omvandlas till elektricitet när solen inte skiner. Det är en fascinerande möjlighet som jag kommer att diskutera nästa månad.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/its-all-about-the-money-why-seemingly-great-technological-solutions-can-sometimes-fail/