Tesis:
Development of procedures and equipment for indoor characterization of concentrator photovoltaic systems.
- Autor: HERRERO MARTIN, Rebeca
- Título: Development of procedures and equipment for indoor characterization of concentrator photovoltaic systems.
- Fecha: 2014
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: ELECTRONICA FISICA
- Acceso electrónico:
- Director/a 1º: ANTON HERNANDEZ, Ignacio
- Director/a 2º: SALA PANO, Gabriel
- Resumen: En relación a los últimos avances relacionados con la energía solar fotovoltaica, cabe destacar los obtenidos en una de sus variantes referida como tecnología de concentración, y más en concreto los acontecidos en las llamadas células multi-unión de semiconductores III-V. Los sistemas de concentración fotovoltaica, como su propio nombre indica, concentran la luz solar mediante ópticas asequibles sobre células multi-unión de alta eficiencia y coste, pudiendo así reducir el área de semiconductor necesario para generar electricidad. Se abarata el coste de la electricidad generada por concentración principalmente siguiendo dos vías; primero reduciendo el peso que tienen los componentes más caros, como la célula, sobre el coste total del sistema y segundo incrementado la eficiencia de conversión del mismo. En relación a este último aspecto, el record de eficiencia de los módulos de concentración ronda el 35% con lo que casi dobla los números de los paneles planos fotovoltaicos. Para alcanzar estos valores en línea de producción o bien superarlos, se necesitan procedimientos de caracterización apropiados y específicos para la tecnología de concentración. Sin embargo, existe una evidente escasez de métodos y herramientas de testeo a la vez que una falta de estándares internacionales. Esta tesis recoge nuevos métodos, herramientas e instrumentos que son propuestos para la correcta caracterización de los módulos de concentración y de algunos de los componentes que lo forman. En concreto, resulta de especial interés el estudio de los elementos que diferencian a la concentración de otras tecnologías fotovoltaicas: el sistema óptico y las células multi-unión. Una de las contribuciones más originales y novedosas de la presente tesis es el desarrollo de un método de medida de las propiedades ópticas-angulares de los módulos de concentración. Para ello se estudia la emisión producida por un módulo cuando este es polarizado en oscuridad. Entre las principales métricas que se obtienen están la función transmisión angular del módulo, y de forma más novedosa, los desalineamientos ópticos entre unidades óptica-célula (difíciles de obtener con métodos convencionales distintos al propuesto). La validez y robustez del método junto a las premisas a cumplir para la obtención de resultados correctos se revisan de forma exhaustiva al final de la tesis. En paralelo, una de las principales actividades que se llevan a cabo es el diseño y fabricación de diferentes prototipos que implementen la novedosa medida. De entre todas las soluciones adoptadas, el equipo llamado Module Optical Analyzer (MOA) destaca por su óptima integración en línea de producción para realizar la caracterización de un módulo en pocos segundos. Durante el transcurso de la tesis, diferentes versiones del equipo se han fabricado y probado, siendo una de ellas incluso instalada en la línea de producción de la compañía fabricante de módulos de concentración Daido Steel en Nagoya (Japón). La tesis también abarca el estudio individual de los elementos ópticos, en concreto de lentes de Fresnel, siguiendo dos líneas de investigación altamente diferenciadas: una primera enfocada a la caracterización de lentes para el estudio de efectos de degradación, y otra segunda dirigida a la caracterización de lentes de Fresnel en fábrica. En cuanto a la evaluación de lentes ante efectos de degradación, un nuevo equipo se ha desarrollado durante la estancia doctoral en el centro National Renewable Energy Laboratory en Golden (CO, USA). El equipo permite obtener un valor de eficiencia óptica mientras se escanea la lente con luz láser. Las capacidades que el equipo posee junto a otras métricas y técnicas de medida (transmitancia hemisférica medida con esfera integradora y eficiencia óptica medida en simulador solar de concentración) se revisan y discuten mediante la evaluación de varias muestras de lentes sometidas a diferentes procesos de degradación. Para el correcto desarrollo de la tecnología de concentración, resulta importante definir métodos de medida para caracterizar prototipos en el laboratorio, y también para controlar el producto final en fábrica. Por ello, se presenta un método sencillo, tanto en procedimiento como en instrumentación, de control de calidad para lentes de Fresnel que puedan sufrir algún efecto de deformación o combado. La medida se basa en el estudio mediante fotografías de las reflexiones dadas en la primera superficie de la lente. Las deformaciones observadas se deben a un estrés que haya sufrido la lente, ya sea interno asociado a procesos de fabricación, o externo asociado a la estructura y ensamblaje del módulo. El método permite cuantificar el efecto que tienen los diferentes tipos de estrés analizando el combado de lentes tanto en muestras individuales como en unidades ya integradas en un módulo. La pérdida eléctrica asociada a las mismas se ha observado que puede ser incluso mayor que la provocada por desalinemientos ópticos entre unidades del módulo (cada unidad se refiere a un conjunto óptica-célula). El comportamiento eléctrico de las células multi-unión bajo perfiles de luz no uniforme es objeto de investigación al final del documento. Diferentes configuraciones de módulos de concentración han sido estudiadas mediente diferentes métodos para cuantificar y distinguir el efecto perjudicial de una distribución no uniforme tanto espacialmente como espectralmente.