Tesis:
Caracterización óptica y eléctrica de sistemas fotovoltaicos de alta concentración.
- Autor: DOMINGUEZ DOMINGUEZ, César
- Título: Caracterización óptica y eléctrica de sistemas fotovoltaicos de alta concentración.
- Fecha: 2012
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: ELECTRONICA FISICA
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/10378/
- Director/a 1º: ANTON HERNANDEZ, Ignacio
- Resumen: El interés por los sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV) ha resurgido en los últimos años debido a las eficiencias récord que han alcanzado las células multi-unión de semiconductores III-V. La concentración permite reducir el área necesaria de estos carísimos dispositivos, a la vez que maximiza su eficiencia. La investigación actual se centra en aumentar la eficiencia de estos sistemas para abaratar el coste de la electricidad generada, para lo que se hacen necesarios procedimientos de caracterización apropiados. Sin embargo, éstos son escasos y están poco estandarizados. En particular, la carencia de métodos de medida en interior puede ser un obstáculo para el despliegue comercial de los sistemas CPV. Esta tesis propone métodos e instrumentos nuevos para la caracterización de sistemas fotovoltaicos de alta concentración, así como de los elementos de que se componen (módulos, óptica, células). La principal contribución ha sido el diseño y fabricación de un simulador solar para la medida de sistemas CPV en interior. Este equipo constituye la piedra angular sobre la que se han desarrollado el resto de técnicas de medida presentadas. El elemento clave del sistema de iluminación es un espejo colimador de gran área con una distancia focal larga, que refleja de forma colimada la luz proveniente de una lámpara flash colocada en su foco. Se han investigado las técnicas de fabricación de relativo bajo coste que permiten una calidad óptica suficientemente alta. El resultado ha sido un espejo de aluminio mecanizado de 6 m de distancia focal y 2 m de diámetro que cumple los requisitos ópticos necesarios para el simulador solar CPV. Para la medida de su calidad se han identificado una serie de cifras de mérito, a saber: exactitud del perfil de la curva, ángulo de colimación, dispersión y uniformidad espacial del haz reflejado, y se presenta un conjunto de técnicas de caracterización que permiten su medida. La caracterización de la luz producida por el simulador ha sido también objeto de esta investigación, puesto que se precisó desarrollar métodos de medida del espectro, la uniformidad espacial y el tamaño angular de la irradiancia que pudieran aplicarse a fuentes de luz pulsadas. El simulador desarrollado se ha caracterizado utilizando estas técnicas y los resultados se presentan aquí. Según las definiciones de la norma IEC 60904-9, el simulador solar presentado es de tipo Clase A-B-A, que se corresponden con la calidad del ajuste espectral, la uniformidad espacial y la estabilidad temporal de la irradiancia, respectivamente. Se han desarrollado también los procedimientos necesarios para obtener medidas relevantes con el simulador. En primer lugar se discute cuáles deben ser los sensores de luz a utilizar para tener una medida significativa de irradiancia y espectro. Para tener en cuenta las no idealidades de la fuente de luz artificial, los sensores deben tener la misma sensibilidad a la intensidad, al espectro y a la distribución angular de la luz, que el dispositivo a medir. Se propone el uso de la mínima unidad óptico-eléctrica del módulo CPV (“mono-módulo”) como sensor de irradiancia. Para la medida del espectro, se propone el uso de células componentes, con las que se construye la magnitud “Relación de ajuste espectral”. Puesto que las células multi-unión son muy sensibles al balance espectral de la luz, se presenta un método para estimar el ajuste de corrientes entre subcélulas bajo cualquier espectro. El método se ha probado con un concentrador particular. Se presenta también un método que permite convertir curvas I V de células multi-unión tomadas bajo unas condiciones de medida particulares hacia otras condiciones cualesquiera. Esto permite predecir su comportamiento en condiciones reales de operación, o dar las medidas respecto de unas condiciones de referencia distintas de las que se usaron para medir el módulo. El método se ha aplicado a un lote de células comerciales de triple unión ajustadas en red, para las que se ha obtenido un error de predicción medio del 0.85%, teniendo en cuenta un rango de concentraciones y temperaturas desde 100X y 25 ºC hasta 700X y 75 ºC. Por último, se revisan de forma exhaustiva las principales magnitudes que describen la calidad óptica de un concentrador, y se describen técnicas adecuadas para su medida en laboratorio, así como las limitaciones inherentes a las mismas. Con finalidad ilustrativa, dichas técnicas se han aplicado a un concentrador de dos etapas compacto.