集光型太陽光発電
米国ラスベガスにあるこのアモニックスシステムは、数千個の小さなフレネルレンズで構成されており、各レンズは太陽光を約500倍の強度で集光し、小型で高効率な多接合太陽電池に照射します。[ 1 ]スケールの参考として、 テスラロードスターが下に駐車されています。
中国ゴルムド市の二軸太陽光追尾装置に設置された集光型太陽光発電（CPV）モジュール

集光型太陽光発電（CPV）は、集光型太陽光発電または集光型太陽光発電とも呼ばれ、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異なり、レンズまたは曲面鏡を用いて太陽光を小型で高効率な多接合（MJ）太陽電池に集光します。さらに、CPVシステムでは、効率をさらに高めるために、太陽光追尾装置や冷却システムを使用する場合もあります。[ 2 ] : 30

高集光型太陽光発電（HCPV ）を使用したシステムは、既存のすべてのPV技術の中で最も高い効率を誇り、生産モジュールで約40％、システムで30％の効率を達成しています。[ 3 ] : 5 これにより、土地利用、廃熱と廃材、システムバランスのコストを削減できる可能性のある、より小型の太陽光発電アレイが可能になります。 CPVの年間設置率は2012年にピークを迎え、結晶シリコン太陽光発電の価格下落が速いため、2018年以降はほぼゼロにまで低下しています。[ 4 ] : 24 2016年には、CPVの累計設置容量は350メガワット（MW）に達しましたが、これは同年の世界全体の設置容量230,000MWの0.2％未満でした。[ 2 ] : 10 [ 3 ] : 5 [ 5 ] [ 6 ] : 21

HCPV は集光型太陽光発電(CSP)と直接競合します。どちらの技術も、米国のサンベルト地域や南ヨーロッパのゴールデンバナナとしても知られる、直達日射量の多い地域に最適だからです。 [ 6 ] : 26 CPV と CSP は、もともと本質的に異なる技術であるにもかかわらず、しばしば混同されます。CPV は光起電力効果を利用して太陽光から直接電気を生成しますが、CSP (集光型太陽熱発電と呼ばれることが多い) は太陽放射の熱を利用して蒸気を作り、その蒸気でタービンを回し、発電機を使って電気を生成します。2012 年の時点では、CSP の方が CPV よりも一般的でした。[ 7 ]

歴史

集光型太陽光発電の研究は1970年代半ばから行われており、当初は中東の石油禁輸措置によるエネルギーショックがきっかけとなった。ニューメキシコ州アルバカーキのサンディア国立研究所は初期の研究の大半が行われ、70年代後半には最初の近代的な太陽光発電集光システムがそこで製造された。同研究所の最初のシステムは、水冷式シリコンセルに焦点を合わせ、2軸トラッキングを行うアクリル製フレネルレンズを点焦点で使用したリニアトラフ集光システムだった。受動ヒートシンクとシリコンオングラスフレネルレンズを使用したセル冷却は、1979年にマドリード工科大学太陽エネルギー研究所のラモン・アレセス・プロジェクトで実証された。サウジアラビアの350kW SOLERASプロジェクト（その後何年も最大規模だった）は、 1981年にサンディア/マーティン・マリエッタによって建設された。[ 8 ] [ 9 ]

1980年代から1990年代にかけて研究開発は続けられましたが、産業界からの関心はそれほど高くありませんでした。セル効率の向上は、この技術を経済的にするには不可欠であることがすぐに認識されました。しかし、集光型と平面型PVの両方で使用されているSiベースのセル技術の向上は、CPVのシステムレベルの経済性を高めることにはつながりませんでした。2000年代初頭に導入が始まったIII-V族多接合太陽電池は、それ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セル効率は34%（3接合）から46%（4接合）に向上しました。[ 3 ] : 14 2010年以降、世界中で相当数のマルチMW CPVプロジェクトが稼働しています。[ 10 ]

2016年に累積CPV設置数は350メガワット（MW）に達したが、これは世界全体の設置容量230,000MWの0.2%未満である。[ 2 ] : 10 [ 3 ] : 5 [ 5 ] [ 6 ] : 21 商用HCPVシステムは、標準テスト条件下（集光レベルが400以上）で最大42%の瞬間（「スポット」）効率に達しており[ 6 ] : 26 、国際エネルギー機関は、この技術の効率を2020年代半ばまでに50%まで高める可能性があると見ている。[ 2 ] : 28 2014年12月現在、集光型MJセルの最高の実験室セル効率は46%（接合部が4つ以上）に達した。屋外の動作条件下では、CPVモジュールの効率は33%（「太陽の3分の1」）を超えている。[ 11 ]システムレベルのAC効率は25～28%の範囲です。CPVは中国、米国、南アフリカ、イタリア、スペインに設置されています。[ 3 ] : 12

課題

現代のCPVシステムは、ヒートシンクの使用によって太陽電池が冷却されている限り、太陽光が高度に集中している（つまり、太陽の数百倍に相当する集光レベル）状況で最も効率的に動作します。曇りや雨天時に発生する拡散光は、従来の光学部品（マクロレンズやミラーなど）のみでは高度に集光することはできません。霞や大気汚染下で発生するフィルタリングされた光は、スペクトル変化を有し、スペクトル的に「調整された」多接合（MJ）型太陽光発電セルの直列接続された接合部内で生成される電流間に不整合を生じます。[ 12 ]これらのCPV特性は、大気条件が理想的でない場合に出力の急激な低下につながります。

従来のPVシステムと同等以上の定格ワット当たりのエネルギーを生産するには、CPVシステムは直射日光が豊富な地域に設置する必要があります。これは通常、平均DNI（直射日光照度）が5.5～6m kWh/m 2 /日または2000 kWh/m 2 /年を超えることを指します。それ以外の地域でも、年間DNIとGNI/GHI（全球標準日射量および全球水平日射量）の照度データの評価により、従来のPVは世界のほとんどの地域において、現在利用可能なCPV技術よりも長期的に優れた性能を発揮すると結論付けられています（例えば[ 13 ]を参照）。

CPVの強みCPVの弱点
直射日光下でも高効率HCPV は拡散放射線を利用できません。LCPV は拡散放射線の一部しか利用できません。
製造資本のワット当たりコストが低いMJ 太陽電池の出力は、大気条件の変化によって引き起こされる放射スペクトルの変化に対してより敏感です。
低い温度係数十分な精度と信頼性を備えた追跡が必要です。
パッシブ冷却システムには冷却水は不要場所によっては、汚れによる損失を軽減するために頻繁な清掃が必要になる場合があります。
アクティブ冷却が可能なシステムでは廃熱の追加利用が可能（例：大型ミラーシステム）市場が限られている – DNIが高い地域でしか使用できず、屋上に簡単に設置できない
モジュラー – kWからGWスケール電力生産における競合技術の大幅なコスト低下
（2軸）追跡により、一日を通してエネルギー生産量が増加し、安定します。銀行融資可能性と認識の問題
エネルギー回収時間が短い生産実績のない新世代技術（したがってリスクが増大）
土地の二重利用（例：農業）が可能で、環境への影響が少ない光損失
コスト削減の可能性が高い技術標準化の欠如
現地製造業の機会–
セルサイズを小さくすることで、半導体価格の変動によるモジュール価格の大きな変動を防ぐことができる。–
単接合平板システムと比較して、将来的に効率が向上する可能性が高く、土地利用、BOSコスト、BOPコストの大幅な改善につながる可能性がある。–
出典： CPVの現状に関する報告書、2015年1月。[ 3 ]：8 表2：CPVの長所と短所の分析。

進行中の研究開発

国際CPV-x会議 - 過去の参加統計。データソース - CPV-x Proceedings

CPVの研究開発は10年以上にわたり20カ国以上で進められてきました。毎年開催されるCPV-xカンファレンスシリーズは、大学、政府系研究所、そして産業界の関係者間のネットワーキングと交流の場として重要な役割を果たしてきました。政府機関もまた、いくつかの特定の技術推進を継続的に推進してきました。

ARPA-Eは、既存のCPV技術の立地と費用の課題への更なる取り組みとして、2015年末にMOSAICプログラム（集光型マイクロスケール最適化太陽電池アレイ）への最初の研究開発資金拠出を発表しました。プログラム概要には、「MOSAICプロジェクトは3つのカテゴリーに分類されます。1つは、直達日射量（DNI）が高い米国南西部の日照地域など、マイクロCPVを費用対効果の高い方法で統合した完全システム、もう1つは、DNIが低い、あるいは拡散日射量が高い米国北東部および中西部などの地域に適用できる完全システム、そしてもう1つは、技術課題の部分的な解決策を模索するコンセプトです。」と記載されています。[ 14 ]

欧州では、CPVMATCHプログラム（先進技術とセルを用いた高効率集光型太陽光発電モジュール）が「高効率太陽光発電モジュールの実用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、集光度800倍以上のセルで48%、モジュールで40%とされています。[ 15 ] 2018年末には、モジュール効率が41.4%と発表されました。[ 16 ]

オーストラリア再生可能エネルギー庁（ARENA）は、2017年にレイジェン社が開発したHCPV技術のさらなる商業化のための支援を拡大しました。[ 17 ]同社の250kWの高密度アレイレシーバーは、これまでに作られた中で最も強力なCPVレシーバーであり、実証されたPV効率は40.4%で、利用可能な熱のコジェネレーションも備えています。[ 18 ]

ISPソーラー社は、内部にトラッカーを内蔵した低集光型太陽光発電装置を開発しており、低コストで太陽電池の効率を高めることができる。[ 19 ]

効率

1975 年以降の太陽電池効率の記録が報告されています。2014年 12 月現在、最高の実験室セル効率は 46% に達しています ( ⊡マルチ接合集光器、4 つ以上の接合の場合)。

理論によれば、半導体の特性により、太陽電池は公称レベルの太陽放射照度下よりも集中光下でより効率的に動作します。これは、発電電流が比例的に増加するのと同時に、より高い照度に応じて動作電圧が対数的に増加するためです。[ 20 ]

具体的には、地球表面における「1太陽」の照射量、つまりピーク太陽放射照度Q=1000ワット/m 2の下で太陽電池が発電する電力（P）を考えてみましょう。[ 21 ]セルの電力は、開放電圧（Voc）、短絡電流（Isc）、およびセルの特性電流-電圧（IV）曲線の曲線係数（FF）の関数として表すことができます。[ 22 ]

P＝私sc×Voc×FF。{\displaystyle P=I_{\mathrm {sc} }\times V_{\mathrm {oc} }\times FF.}

濃度 (χ) と放射照度 (χQ) に対応する「χ-suns」でのセルの照明の​​増加については、同様に次のように表すことができます。

Pχ＝私χsc×Vχoc×FFχ{\displaystyle P_{\chi }=I_{\mathrm {\chi sc} }\times V_{\mathrm {\chi oc} }\times FF_{\chi }}

ここで、参考文献に示されているように: [ 20 ]

私χsc＝χ×私sc{\displaystyle I_{\mathrm {\chi sc} }=\chi \times I_{\mathrm {sc} }\quad }

そして

Vχoc＝Voc+けTqln⁡（χ）。{\displaystyle \quad V_{\mathrm {\chi oc} }=V_{\mathrm {oc} }+{kT \over q}\ln(\chi ).}

「高品質」太陽電池の単位なしの充填係数は通常0.75～0.9の範囲であり、実際には特定のセル構造の等価シャント抵抗と直列抵抗に主に依存することに注意してください。 [ 23 ]集光器アプリケーションでは、FFとFFχはどちらも1に近い同様の値を持つ必要があり、これは高いシャント抵抗と非常に低い直列抵抗（<1ミリオーム）に対応します。[ 24 ]

1太陽およびχ太陽の下での面積（A）のセルの効率は次のように定義される：[ 25 ]

η＝P質問あ{\displaystyle \eta ={P \over QA}\quad }そしてηχ＝Pχχ質問あ。{\displaystyle \quad \eta _{\chi }={P_{\chi } \over \chi QA}.}

濃度下での効率はχと細胞特性によって次のように表される：[ 20 ]

ηχ＝η×PχχP＝η×（1+けTqln⁡（χ）Voc）×（FFχFF）、{\displaystyle \eta_{\chi}=\eta\times{P_{\chi}\over\chiP}=\eta\times\left({1+{kT\overq}}{\ln(\chi)\overV_{\mathrm{oc}}}\right)\times\left({FF_{\chi}\overFF}\right),}

ここで、kT/qは、太陽電池のpn接合を流れる電子の熱化された集団の電圧（熱電圧と呼ばれる）であり、その値は約室温で25.85 mV （300K）。[ 26 ]

η χのηに対する効率向上率は、以下の表に示されています。これは、様々なセル技術を概ね表す典型的な開回路電圧の組み合わせです。この表から、χ = 1000の濃度で、効率向上率は最大20～30%に達することがわかります。この計算ではFF χ /FF = 1と仮定していますが、この仮定は後述の議論で明確にします。

太陽光の集中による理論的なセル効率の向上
セルテクノロジー多結晶シリコン単結晶シリコンGaAs上の 三重接合III-V
おおよその接合部V oc550 mV700 mV850 mV
χ = 10 10.8%8.5%7.0%
χ = 100 21.6%17.0%14.0%
χ = 1000 32.5%25.5%21.0%

実際には、太陽光の集光によって生じる高電流密度と高温は、セルのIV特性の劣化、さらには永久的な物理的損傷を防ぐのが困難になる場合があります。このような影響により、FF χ /FF比は、上記の表の値よりもさらに大きな割合で1未満に低下する可能性があります。不可逆的な損傷を防ぐためには、適切なヒートシンクを使用して、集光時のセル動作温度の上昇を制御する必要があります。さらに、セル設計自体には、再結合と接触抵抗、電極抵抗、およびバスバー抵抗を、目標の集光と結果として生じる電流密度に対応するレベルまで低減する機能が組み込まれている必要があります。これらの機能には、薄くて欠陥の少ない半導体層、厚くて低抵抗の電極とバスバー材料、および小さな（通常1 cm 2未満）セルサイズが含まれます。[ 27 ]

このような機能を含め、地上 CPV 用途向けに開発された最良の薄膜多接合型太陽光発電セルは、 500～1000 太陽 (つまり、放射照度 50～100 ワット/cm 2 )もの高集光でも信頼性の高い動作を実現します。 [ 28 ] [ 29 ] 2014 年現在、その効率は 44% (3 接合) を超えており、今後数年間で 50% (4 接合以上) に近づく可能性があります。[ 30 ] 2022 年には、ドイツ、フライブルクのフラウンホーファー太陽エネルギーシステム研究所 ISE の研究者が、665 倍の太陽光集光下で 47.6% の効率を示す 4 接合型集光型太陽電池を実証しました。[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]

光学設計

すべてのCPVシステムには、太陽電池と集光光学系が備わっています。CPV用の太陽光集光器は、他のほとんどの光学設計とは異なる非常に特殊な設計上の問題を抱えています。効率が高く、大量生産に適しており、高集光が可能で、製造や取り付けの精度に影響されず、セルに均一な照明を提供できる必要があります。これらの理由から、非結像光学系[ 34 ] [ 35 ]がCPVに最も適しています。非結像光学系は、さまざまな照明用途によく使用されます。高効率を達成するには、透過率の高いガラスが必要であり、形状精度を確保するために適切な製造プロセスを使用する必要があります。[ 36 ]

非常に低い集光度の場合、非結像光学系の広い受光角により、能動的な太陽追尾は不要です。中程度および高い集光度の場合、広い受光角は、光学系がシステム全体の欠陥に対してどれだけ許容できるかを示す指標と見なすことができます。広い受光角から始めることは非常に重要です。なぜなら、追尾誤差、風によるシステムの動き、光学系の製造不良、部品の組み立て不良、支持構造の有限な剛性、または経年劣化による変形など、様々な要因に対応できる必要があるからです。これらすべてが初期の受光角を減少させ、それらをすべて考慮した後でも、システムは太陽光の有限な角度開口を捉えることができなければなりません。

種類

CPV システムは、「太陽」（拡大率の 2 乗）で測定される太陽光集光量に応じて分類されます。

低濃度太陽光発電（LCPV）

低濃度PVセルの表面の例。ガラスレンズ効果を示している。

低集光型太陽光発電システムとは、太陽光集光度が2～100太陽であるシステムです。[ 37 ]経済的な理由から、従来型または改良シリコン太陽電池が一般的に使用されます。熱流束は通常十分に低いため、セルを積極的に冷却する必要はありません。標準的な太陽電池モジュールの場合、集光レベルが低い場合は、追尾装置や冷却装置の改造は不要であるというモデル化と実験的証拠もあります。[ 38 ]

低集光型システムには、単純なブースター反射板が付いていることが多く、非集光型PVシステムに比べて太陽光発電の出力を30％以上増加させることができます。[ 39 ] [ 38 ]カナダでのこのようなLCPVシステムの実験結果では、角柱ガラスで40％以上、従来の結晶シリコンPVモジュールで45％以上のエネルギー増加が見られました。[ 40 ]

ゼロ軸でも精密な設計により光を集光し、PV寿命を最大4倍に延ばすことが可能です。（スノー使用）

中濃度PV

100 から 300 の太陽の集中により、CPV システムでは 2 軸の太陽光追跡と冷却 (パッシブまたはアクティブ) が必要となり、システムがさらに複雑になります。

10×10 mmのHCPV太陽電池

高濃度PV（HCPV）

高集光型太陽光発電（HCPV）システムでは、皿型反射鏡またはフレネルレンズで構成される集光光学系を採用し、太陽光を1,000 suns以上の強度に集光します。[ 30 ]太陽電池には、熱による破壊を防ぎ、温度に関連する電気的性能と寿命の低下を管理するために、大容量のヒートシンクが必要です。集中冷却設計をさらに難しくするために、ヒートシンクはパッシブでなければなりません。そうでないと、能動冷却に必要な電力によって全体的な変換効率と経済性が低下します。多接合太陽電池は、効率が高く、温度係数が低い（温度上昇による効率の低下が少ない）ため、現在、単接合セルよりも好まれています。両方のタイプのセルの効率は、集光度が高ければ高くなりますが、多接合効率の上昇は速くなります。多接合太陽電池は、もともと宇宙衛星の非集光型PV用に設計されたものですが、CPVで発生する高電流密度（通常、500 sunsで8 A/cm 2 ）のために再設計されました。多接合太陽電池のコストは、同面積の従来型シリコンセルの約100倍ですが、セル面積が小さいため、各システムにおけるセルの相対的なコストは同程度であり、システムの経済性は多接合セルに有利です。現在、多接合セルの効率は量産セルで44%に達しています。

上記の44%という値は、「標準試験条件」と呼ばれる特定の条件下での値です。これらの条件には、特定のスペクトル、入射光パワー850 W/m 2、セル温度25 °Cが含まれます。集光システムでは、セルは通常、可変スペクトル、低光パワー、高温度の条件下で動作します。光を集光するために必要な光学系自体の効率は限られており、75～90%の範囲です。これらの要因を考慮すると、44%の多接合セルを搭載した太陽電池モジュールのDC効率は約36%にな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の効率は18%未満になります。

高効率多接合太陽電池の場合のように、高い集光度（500～1000倍）が必要な場合、十分な受光角でそのような集光度を達成することがシステムレベルでの商業的成功に非常に重要になると考えられます。これにより、すべてのコンポーネントの大量生産における許容範囲が広がり、モジュールの組み立てとシステムの設置が緩和され、構造要素のコストが削減されます。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、使用できる表面は限られています。要素数を減らして高い受光角を達成することで、光学面プロファイルの精度、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できます。このために、システム設計段階での太陽形状モデリングの改善は、システム効率の向上につながる可能性があります。[ 41 ]

信頼性

ゼロ集光および低集光PV技術と比較して、資本コストが高く、標準化が低く、エンジニアリングと運用の複雑さが増すため、第一世代のCPV技術では、長寿命性能が重要な実証目標となっています。性能認証規格（UL 3703、UL 8703、IEC 62108、IEC 62670、IEC 62789、およびIEC 62817）には、システム、トラッカー、モジュール、受信機、およびその他のサブコンポーネントレベルで主に初期および初期寿命（1～2年未満）の故障モードを発見するのに役立つ可能性のあるストレステスト条件が含まれています。[ 42 ] しかし、このような標準化されたテスト（通常は少数のユニットのサンプルのみで実施される）では、実際の（時には予期しない）動作条件の広範囲な下で、各固有のシステム設計およびアプリケーションの包括的な長期寿命（10～25年以上）を評価することが一般的にできません。したがって、これらの複雑なシステムの信頼性は現場で評価され、加速されたコンポーネント/システムの老化、性能監視診断、および故障解析の結果に基づいた積極的な製品開発サイクルを通じて改善されます。[ 43 ] システムのバンカビリティに対する信頼を構築するために懸念事項がより適切に対処されれば、CPVの導入が大幅に増加すると予想されます。[ 44 ] [ 45 ]

トラッカーの耐久性とメンテナンス

現代のHCPVシステムのトラッカーとモジュール支持構造は、太陽光資源を受光光学系の受光角内に適切に中心に保ち、PVセルに集中させるために、それぞれ0.1°～0.3°の精度を維持する必要があります。[ 46 ] これは、さまざまな動きや負荷のストレスを受ける機械システムにとって難しい要件です。[ 47 ] したがって、システムの予想寿命にわたって性能を維持するためには、トラッカーの定期的な再調整とメンテナンスのための経済的な手順が必要になる場合があります。[ 48 ]

受信機の温度制御

HCPVシステムの多接合型太陽電池の最大動作温度（T max cell ）は、その固有の信頼性上の制約により、約110℃未満に制限されています。[ 49 ] [ 29 ] [ 28 ] これは、数百度を超える温度で動作するように設計されるCSPやその他のCHPシステムとは対照的です。より具体的には、セルは、動作中にアルレニウス型の温度依存性で急速に減少する固有の寿命を持つ薄膜III-V族半導体材料の層から製造されています。したがって、システムのレシーバーは、十分に堅牢なアクティブおよび/またはパッシブ方式によって、高効率で均一なセル冷却を提供する必要があります。レシーバーの熱伝達性能における材料および設計上の制限に加えて、頻繁なシステム熱サイクルなどの他の外的要因により、長寿命システムと互換性のある実用的なT max レシーバーは約80℃未満にさらに低下します。[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]

設備

集光型太陽光発電（CPV）技術は、2006年から2015年にかけて太陽光発電産業において確固たる地位を築きました。1MWを超える最初のHCPV発電所は、2006年にスペインで稼働を開始しました。2015年末までに、世界中のCPV発電所（LCPVとHCPVの両方を含む）の総設置容量は350MWに達しました。2010年頃から様々な施設から収集された現場データは、長期的なシステム信頼性のベンチマークにもなっています。[ 53 ]

2014年11月までの国別CPV累積設置量（MW）[ 3 ]：12
2002年から2015年までの年間CPV設置容量（MW）[ 3 ] [ 6 ]
2002年から2015年までの年間太陽光発電設備設置容量（GW）[ 6 ]

新興の CPV セグメントは、2017 年までの 10 年間で急成長している PV 設置の公益事業市場の約 0.1% を占めていました。残念ながら、従来のフラットパネル PV の価格が急落した後、Suncore、Soitec、Amonix、SolFocusなどの最大手の HCPV 製造施設が閉鎖されたことから、CPV 業界の短期的な成長見通しは薄れています。 [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] [58] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ]高精度HCPV 二軸トラッカーの保守にかかるコストの高さと複雑さが、特に困難であると報告されている場合もあります。[ 62 ] [ 48 ]それでも、PV 業界全体の成長見通しは引き続き堅調であり、CPV 技術が最終的にその地位を確立するという楽観的な見方が 続いています。[ 3 ] [ 6

最大のHCPVシステムのリスト

CPV発電所でのシステムのフィールドテスト

従来のPVと同様に、システムのピークDC定格は、IEC 62670標準条約に従い、 DNI =1000 W/m 2、AM 1.5D、T cell =25 °Cのコンセントレータ標準テスト条件（CSTC）下でMW p（またはMW DC ）として指定されます。[63] AC発電容量は、IEC 62670コンセントレータ標準動作条件（CSOC）DNI=900 W/m 2 、AM1.5D、T ambient =20 °C、風速=2 m/s下でMW ACとして指定され、インバータ効率、太陽資源の高低、その他の施設固有の要因による調整が含まれる場合があります。現在稼働中の最大のCPV発電所は、中国ゴルムド市にあるSuncore Photovoltaicsが所有する138 MW p定格のものです。

発電所定格（MW p）容量（MW AC）修了年位置CPVベンダー参照
ゴルムド（1と2）137.81102012～2013年ゴルムド市（中国青海省）サンコア[ 64 ] [ 65 ]
トゥースリバーCPVプロジェクト44.2362014トウスリヴィエ/西ケープ/南アフリカソイテック[ 66 ]
アラモサ太陽光発電プロジェクト35.3302012コロラド州アラモサ/サンルイスバレー/米国アモニックス[ 67 ]
ハミ（1、2、3）10.59.02013～2016年ハミ/新疆省/中国ソイテック・フォーカジック[ 68 ] [ 69 ] [ 70 ]
ナバラCPVプラント9.17.82010ビジャフランカ/ナバラ州/スペインアモニクス・グアスコル・フォトン[ 71 ] [ 72 ]
出典：CPVコンソーシアム[ 10 ]

米国のHCPVシステム一覧

発電所定格（MW p）容量（MW AC）修了年位置CPVベンダー所有者/運営者参照
アラモサ太陽光発電プロジェクト35.3302012コロラド州アラモサアモニックスコジェントリックス[ 67 ]
デザートグリーン太陽光発電所7.806.32014カリフォルニア州ボレゴスプリングスソイテックインベナジー[ 73 ]
ハッチ太陽エネルギーセンター5.885.02011ニューメキシコ州ハッチアモニックスネクストエラ・エナジー[ 74 ]
アリゾナ大学CPVアレイ2.382.02011アリゾナ州ツーソンアモニックスアルゾンソーラー[ 75 ]
ニューベリースプリングスCPV発電所1.681.52013カリフォルニア州ニューベリースプリングスソイテックステイス[ 76 ]
クラフトンヒルズカレッジ太陽光発電所1.611.32012カリフォルニア州ユカイパソルフォーカスクラフトンヒルズカレッジ[ 77 ]
ビクターバレーカレッジ太陽光発電所1.261.02010カリフォルニア州ビクタービルソルフォーカスビクターバレーカレッジ[ 78 ]
ユーバンク埋立地太陽光発電パネル1.211.02013ニューメキシコ州アルバカーキサンコアエムコアソーラー[ 79 ]
クエスタ太陽光発電施設1.171.02010ニューメキシコ州クエスタソイテックシェブロン[ 80 ]
フォートアーウィンCPVプロジェクト1.121.02015カリフォルニア州フォートアーウィンソイテック米国国防総省[ 81 ] [ 62 ]
出典：CPVコンソーシアム[ 10 ]

米国のLCPVシステム一覧

発電所容量（MW AC）修了年位置座標CPVベンダー所有者/運営者参照
フォートチャーチル太陽光発電所19.92015ネバダ州イェリントン北緯39度07分41秒 西経119度08分24秒 / 北緯39.12806度、西経119.14000度 / 39.12806; -119.14000 （フォートチャーチルソーラー）サンパワーアップル社/NVエナジー[ 82 ]
スプリンガービル太陽光発電所6.02013アリゾナ州スプリンガービル北緯34度17分40秒 西経109度16分17秒 / 北緯34.29444° 西経109.27139° / 34.29444; -109.27139 （スプリンガービルLCPV）サンパワーツーソン電力[ 83 ]
ASUポリテクニックCPVアレイ1.02012アリゾナ州メサ北緯33度17分37秒、西経111度40分38秒 / 北緯33.29361度、西経111.67722度 / 33.29361; -111.67722 （ASU ポリ LCPV）サンパワーサンパワー[ 84 ]

集光型太陽光発電と熱電併給発電

集光型太陽光発電・熱電併給システム（CPVT）は、熱電併給太陽光発電（CHAPS）またはハイブリッド熱電併給システム（CPV）とも呼ばれ、集光型太陽光発電の分野で使用されるコジェネレーションまたはマイクロコジェネレーション技術であり、同一システム内で利用可能な熱と電力を生成します。100太陽熱を超える高集光CPVT（HCPVT）は、二軸追尾型太陽電池や多接合型太陽電池など、HCPVと同様のコンポーネントを使用します。流体が一体型の熱電併給受熱器を能動的に冷却し、同時に集熱した熱を輸送します。

通常、1つまたは複数の受熱器と1つの熱交換器が閉熱ループ内で動作します。全体的な効率的な動作を維持し、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需要を常に高く保つ必要があります。最適な動作条件下では、70%を超える集熱効率が期待され、HCPVTでは最大35%の電気効率と40%を超える熱効率が得られます。[ 85 ]システムが特定の熱用途の要求に合わせてどの程度適切に設計されているかによって、正味の運転効率は大幅に低下する可能性があります。

CPVTシステムの最高温度は、通常80～90℃未満と低すぎるため、単独では蒸気ベースの追加のコジェネレーション電力用のボイラーに電力を供給することはできません。また、CSPシステムと比較して温度が非常に低いため、CPVTは効率的で経済的な熱エネルギー貯蔵（TES）との互換性が低くなります。[ 86 ]それでも、捕捉された熱エネルギーは、地域暖房、給湯および空調、淡水化、プロセス熱に直接使用することができます。需要が低いまたは断続的な熱用途では、結果として正味動作効率が低下するにもかかわらず、セル寿命を保護し、信頼性の高い太陽光発電出力を維持するために、外部環境への切り替え可能な熱ダンプでシステムを拡張することができます。

HCPVTアクティブ冷却により、はるかに高出力の熱-太陽光発電レシーバーユニットを使用できるようになります。これにより、主に単一の約20Wセルのパッシブ冷却に依存するHCPVシステムと比較して、通常1～100キロワット（kW）の電力が生成されます。このような高出力レシーバーは、高効率ヒートシンクに搭載された高密度のセルアレイを使用します。[ 87 ]個々のレシーバー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可能性のある簡素化です。[ 88 ]最大1MWの電力/2MWの熱レシーバーとTESを組み合わせ、付随する有機ランキンサイクル発電機を使用してオンデマンドで電力を供給するシステム[ 89 ] [ 90 ]がオーストラリアで2023年に稼働し、合計4MWの電力と51MWhのストレージを備えています。[ 91 ]

この 240 x 80 mm 1,000 suns CPV ヒートシンク設計の熱アニメーションは、高解像度のCFD解析を使用して作成され、予測どおりに温度輪郭付きヒートシンク表面と流れの軌跡を示しています。

実証プロジェクト

従来のシリコンPV（従来のCSPと併用することで、同様の電気+熱発電機能を提供可能）の最近の大幅なコスト削減と段階的な効率向上にもかかわらず、成熟したCPVT産業の経済性は競争力があると予想されています。[ 3 ] CPVTは現在、以下のすべてのアプリケーション特性を備えたニッチ市場で経済的である可能性があります。

  • 高い太陽直達日射量（DNI）
  • 太陽光集熱器アレイの設置スペースの制約が厳しい
  • 低温（80℃未満）熱に対する高い一定の需要
  • 電力網の高コスト
  • バックアップ電源またはコスト効率の高いストレージ（電気および熱）へのアクセス

電力購入契約(PPA)、政府支援プログラム、革新的な資金調達スキーム の活用も、潜在的なメーカーとユーザーが CPVT 技術の早期導入のリスクを軽減するのに役立っています。

低濃度（LCPVT）から高濃度（HCPVT）まで幅広いCPVT機器が、現在、複数のスタートアップ企業によって導入されています。そのため、個々のシステムプロバイダーが追求している技術的および／またはビジネス的アプローチの長期的な実現可能性は、通常、推測の域を出ません。特に、スタートアップ企業のMVP （Minimum Viable Products）は、信頼性エンジニアリングへの配慮の度合いが大きく異なる可能性があります。とはいえ、以下の不完全なまとめは、初期の業界動向を把握する一助として提供いたします。

反射トラフ型集光器と高密度相互接続されたシリコンセルで覆われた受熱パイプを使用した約14倍の集光率のLCPVTシステムがCogenra社によって組み立てられ、75%の効率（約15-20%の電気、60%の熱）が主張されている。[ 92 ]このようなシステムは2015年時点で5年以上稼働しており、同様のシステムがAbsolicon社[ 93 ]とIdhelio社[ 94 ]によってそれぞれ10倍と50倍の集光率で生産されている。

700倍以上の集光度を持つHCPVT製品が最近登場しており、3つの電力階層に分類できます。第3階層システムは、約20Wの単一セル受電・集電ユニットを大規模に配列した分散型発電機で、AmonixとSolFocusがHCPV向けに先駆的に開発したシステムと類似しています。第2階層システムは、局所的に高密度に配置されたセルアレイを使用し、受電・集電ユニット1台あたり1～100kWの電力を出力します。第1階層システムは100kWを超える電力出力を誇り、公益事業市場をターゲットとする最も積極的なシステムです。

以下の表には、複数のHCPVTシステムプロバイダーが記載されています。ほぼすべてが、2015年時点で稼働開始から5年未満の初期実証システムです。収集される熱電力は通常、定格電力の1.5倍から2倍です。

プロバイダー 国 コンセントレータタイプ ユニットサイズ（kW e）参照
ジェネレータ 受信機
- ティア1 -
レイジェンオーストラリア大型ヘリオスタットアレイ250250[ 18 ]
- ティア2 -
エアライトエナジー/dsolarスイス大きな皿1212[ 95 ] [ 96 ] [ 97 ]
レヌアメリカ合衆国大きな皿6.40.8[ 98 ]
ソーラトロンカナダ大きな皿2020[ 99 ]
サウスウェストソーラーアメリカ合衆国大きな皿2020[ 100 ]
サンオイスタードイツ大型トラフ＋レンズ4.72.35[ 101 ]
ゼニスソーラー/サンコアイスラエル/中国/米国大きな皿4.52.25[ 102 ] [ 103 ]
- ティア3 -
BSQソーラースペイン小型レンズアレイ13.440.02[ 104 ]
サイレックスパワーマルタ小型皿アレイ160.04[ 105 ]
ソレルジーイタリア/米国小型レンズアレイ200.02[ 106 ]

参照

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