Tesis:
Desarrollo de sistemas termofotovoltaicos solares. Development of solar thermophotovoltaic systems
- Autor: DATAS MEDINA, Alejandro
- Título: Desarrollo de sistemas termofotovoltaicos solares. Development of solar thermophotovoltaic systems
- Fecha: 2011
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: ELECTRONICA FISICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/8231/
- Director/a 1º: ALGORA DEL VALLE, Carlos
- Resumen: Esta tesis aborda el análisis, tanto teórico como experimental, de los sitemas termofotovoltaicos solares. En estos sistemas, un material (emisor) se calienta hasta la incandescencia mediante radiaci ón solar. La radiación térmica emitida por dicho material se dirige hacia una célula fotovoltaica, que convierte dicha radiación en electricidad. En esta configuración, se pueden emplear elementos de control espectral para lograr que los fotones no útiles para el proceso de conversión fotovoltáica sean devueltos al emisor. En la primera parte de la tesis (capítulos 2-4) se presentan diversos modelos analíticos de sistemas termofofovoltaicos solares. En el capítulo 2 se analiza un sistema ideal con el fin de determinar la eficiencia límite máxima, que resulta ser del 85.4%. Desafortunadamente, dicha eficiencia sólo se logra para densidades de potencia eléctrica despreciables y bajo una serie de condiciones demasiado restrictivas. En el capítulo 3 se presenta un modelado multivariable más completo, basado en la teoría del balance detallado, en el que se contemplan (entre otras cosas) posibles pérdidas ópticas. Con dicho modelo se ha demostrado que se pueden alcanzar eficiencias y densidades de potencia eléctrica por encima de 30% y 50 W/cm2, repectivamente. Para ello se requiere de una elevada concentración solar (1000-2000 soles) y de un método para aumentar la transferencia de energía del emisor a las células (típicamente, mediante el aumento del área del emisor respecto al área del absorbente solar). Finalmente, en el capítulo 4 se presenta un modelo más realista de un sistema con geometría cilíndrica. Con esta configuración, se ha demostrado que se pueden lograr eficiencias y densidades de potencia electrica de 10-12% y 1-3 We/cm2 empleando componentes disponibles actualmente (células de germanio con reflectores traseros y emisores de tungsteno recubiertos con capas antireflectantes). En los capítulos 5-8 se describe el desarrollo y caraceterización de un sistema termofotovoltaico solar completo, que consta de un concentrador solar refractivo, un emisor cilíndrico de tungsteno recubierto con HfO2 y un array de células de Germanio. En esta tesis se presta especial atención a la carecterización del sistema de concentración y de los emisores (capítulo 6), a los procesos de fabricación de los arrays (capítulo 7) y a la caracterización del sistema completo en condiciones reales de operación (capítulo 8). Este sistema ha proporcionado densidades de corriente en las células de hasta 0.95 A/cm2, densidades de potencia eléctrica de 120-140 mW/cm2 y una eficiencia de conversión del 0.8%. La temperatura estimada de los emisores está en el rango de 1300-1500oC. La baja eficiencia se debe principalmente al calentamiento excesivo de las células (hasta 120oC) y a las pérdidas ópticas en el concentrador, que impiden alcanzar la temperatura de emisor óptima. Se ha estimado que mejorando ambos aspectos se podrían lograr eficiencias superiores al 5%.