Skoncentrowane kolektory fotowoltaiczne CPVT (ang. Concentrated Photovoltaic Thermal Technology) to połączenie skoncentrowanych systemów fotowoltaicznych (CPV) i kolektorów fotowoltaicznych (PVT), które wychwytują ciepło odpadowe do późniejszego zastosowania.
CPVT jest jednym z najbardziej obiecujących systemów ze względu na zdolność do jednoczesnego pozyskiwania zarówno energii elektrycznej, jak i cieplnej. W nieskoncentrowanych hybrydowych systemach fotowoltaicznych/termicznych PVT mamy do czynienia z brakiem efektywności w pozyskiwaniu ciepła, stąd potrzeba szukania innych rozwiązań (więcej w artykule "Kolektory fotowoltaiczne PVT". Koncentracja promieniowania słonecznego prowadzi do wyższych strumieni energii przepływających na mniejszych obszarach, co jest korzystne z dwóch powodów. Po pierwsze, potrzeba mniejszych ogniw słonecznych, a więc mniej materiału fotowoltaicznego, co umożliwia efektywne wykorzystanie bardziej wydajnych typów absorberów PV, a zamiast tego stosuje się stosunkowo tanią optykę. Po drugie, skoncentrowany strumień ciepła z łatwością pozwala na uzyskanie wysokiej temperatury na wylocie instalacji, co z kolei zwiększa możliwości zastosowania. Innymi słowy, dzięki aktywnemu chłodzeniu ciepło z instalacji można odzyskać w celu wytworzenia użytecznej energii cieplnej, a połączenie tych koncepcji maksymalizuje produkcję energii [O.Z. Sharaf, Renew Sustain Energy Rev, 2015, 50, 1500-1565]. Ponieważ temperatura na wylocie instalacji często przekracza 60 °C to uzyskana energia może być wykorzystana do zastąpienia ciepła wytwarzanego np. przez paliwa kopalne w celu ogrzewania pomieszczeń lub wytwarzania ciepłej wody użytkowej [X. Ju, Sci Bull, 2017, 62 (20), 1388-1426].
W systemach CPVT wykorzystuje się optykę skupiającą, która jest najczęściej ogniskowana liniowo lub punktowo, ale wyższy poziom koncentracji (200+) jest osiągany przez optykę skupioną na punkcie [M. Wiesenfarth, Appl Phys Rev, 2018, 5, 41601]. Dzięki temu znacznie zmniejsza się rozmiar ogniwa fotowoltaicznego, co bezpośrednio przekłada się na koszt szczególnie tych drogich ogniw fotowoltaicznych (III-V), a także wielozłączowych, ale daje możliwość osiągnięcia wyższych sprawności elektrycznych, zazwyczaj około 40% [O.Z. Sharaf, Renew Energy, 2018, 126, 296-321]. W ogólnym ujęciu systemu CPVT pozostaje około 60% energii do pozyskania w postaci energii cieplnej, ale sprawność kogeneracji skoncentrowanego kolektora fotowoltaicznego zwykle osiąga 80%.
W układzie hybrydowym CPVT znajduje się jedno ogniwo lub gęsto ułożona siatka ogniw. System zawiera paraboliczną czaszę działającą jako główny koncentrator. W niektórych układach stosuje się soczewki Fresnela, które efektywnie skupiają promieniowanie słoneczne punktowo, ale posiadają ograniczenia wynikające z powodu rozszerzalności cieplnej w wysokich temperaturach [A. Ejaz, Sustain Energy Technol Assessments, 2021, 46, 101199]. Najczęściej wykorzystuje się dodatkowy element optyczny (SOE – ang. secondary optical element) służący do dalszego skupiania światła. Przykładem SOE mogą być homogenizatory zwiększające jednorodność tegoż światła docierającego do ogniwa. System może również zawierać wiele elementów typu SOE dopasowanych do różnych ogniw fotowoltaicznych w tym samym kolektorze. Najważniejszą cechą tego elementu jest zdolność do równomiernego oświetlania powierzchni ogniwa. Kiedy tak się nie dzieje, ogniwo wykazuje niższą sprawność fotowoltaiczną, a gdy mówimy o ogniwach połączonych szeregowo różnica w oświetleniu prowadzi do strat wynikających z prądowego niedopasowania.
Układ CPVT zawiera również radiator, który odbiera ciepło z ogniw, aby utrzymać temperaturę roboczą, zapobiegając uszkodzeniom i zapewniając wysoką wydajność. Jest on niezwykle istotny ponieważ sprawność cieplna spada przy nierównomiernym rozkładzie temperatury poprzez wypromieniowanie w gorętszych punktach [G. Zhang, Appl Therm Eng, 2021, 183, 116162]. Dodatkowo wysokie temperatury i szybkie cykle pracy przyczyniają się do powstawania naprężeń termicznych, którym podlega układ i jest to główny czynnik starzenia, który skraca żywotność systemu. Kluczowym parametrem wydajności układu chłodzenia jest opór cieplny radiatora, dlatego też wprowadzono rozwiązania spotykane do tej pory w elektronicznych układach scalonych komputerów tj. mikrokanaliki pozwalające na zwiększenie powierzchni, co poprawia przenoszenie ciepła bez generowania nadmiernego tarcia [S. Kumar, Therm Sci Eng Prog, 2018, 8, 477-493]. Zwykle do układów chłodzenia używa się wody ponieważ jest tania, nietoksyczna i ma stosunkowo duże ciepło właściwe, ale zastosowanie nanocieczy daje lepsze wyniki, a jej przewaga wynika z możliwości zastosowania nanocząstek o niskim przewodnictwie cieplnym [F. Shakeriaski, Int J Environ Stud, 2021, 78 (5), 838-864].
Wysoko skoncentrowane kolektory fotowoltaiczne skupione punktowo osiągnęły eksperymentalnie wydajność kogeneracji na poziomie powyżej 86 % przy zastosowaniu układu koncentratorowego odpowiadającego ponad 1000 słońc [W.J. Cameron, Renew Sustain Energy Rev, 2022, 163, 112512]. Jednakże technologia ta wciąż wymaga podejmowania wyzwań. Konstrukcja układu chłodzenia powinna zostać zoptymalizowana, aby zmaksymalizować wydajność elektryczną i cieplną. Ponadto optyka i wzajemne połączenia ogniw muszą łagodzić skutki niejednorodnego oświetlania elementów fotowoltaicznych w celu uzyskania wysokiej wydajności elektrycznej. Wyzwaniom tym należy stawić czoła, jednocześnie minimalizując naprężenia termiczne, jakim poddawany jest system, aby znacznie zwiększyć jego żywotność. Nie zmienia to jednak faktu, że opisane powyżej rozwiązania mają duży potencjał do powszechnego stosowania.
