Desarrollo de elementos ópticos innovadores para sistemas de ultra-alta concentración fotovoltaica. Análisis del impacto de la no uniformidad espacial y espectral

Resumo

L'objectiu de la concentració fotovoltaica (CPV) és reemplaçar material costós de semiconductor per dispositius òptics més econòmics. La CPV és capaç d'utilitzar cèl·lules multiunió (MJSC) molt eficients que serien molt cares en cas de no utilitzar concentració. Aquestes cèl·lules estan compostes per diverses subcél·lules amb diferents bandes d'absorció d'energia connectades en sèrie, la qual cosa permet un major aprofitament de l'espectre solar. Un aspecte que preocupa quan els sistemes CPV operen en condicions reals és l'impacte de la il·luminació no-uniforme sobre la cèl·lula solar. Aquesta manca d'uniformitat és generada per l'ús d'òptica concentradora o altres efectes externes com pot ser l’ombreig parcial. Aquestes poden produir diferències en la intensitat d'il·luminació sobre la superfície de la cèl·lula, perfils d'irradiància gaussians o efectes d'aberració cromàtica. En aquesta tesi, es pretén ampliar el coneixement referit al comportament dels dispositius fotovoltaics quan estan altament influenciats per aquest fenomen. Amb aquest propòsit, es va desenvolupar un muntatge experimental per generar i caracteritzar patrons de no-uniformitat en condicions controlades de laboratori, així com mesurar elèctricament el seu impacte sobre una MJSC. En aquest sentit, es va aconseguir quantificar la distribució de la irradiància absoluta i espectral per al rang de les subcél·lules top i middle. Dels resultats més rellevants, cal destacar el diferent comportament que mostren els sistemes refractius i reflexius a les no-uniformitats espacial i espectral. Posteriorment, es van estudiar els efectes de no-uniformitat produïts per l’ombreig generat sobre l'òptica concentradora en diferents receptors CPV. Analitzant els resultats, es va poder concloure que l'ombreig no només contribueix a reduir la uniformitat espacial, sinó també introdueix fenòmens espectrals addicionals. A més, es va comprovar experimentalment que les unitats que incorporaven un element òptic secundari (SOE) presentaven un comportament més estable davant l'ombreig. Paral·lelament, es va proposar un disseny òptic a concentracions ultra altes (UHCPV) fent ús de l’acromatisme i la compacitat proporcionats pel disseny del prototip per millorar la competitivitat de la tecnologia. El sistema òptic consisteix en un concentrador reflexiu basat en el disseny Cassegrain-Koehler que permet concentrar els raigs des de quatre unitats òptiques simètriques i independents sobre una única cèl·lula solar. Mitjançant un model per traçat de raigs es van analitzar diferents configuracions geomètriques (2000 - 6000x) a UHCPV. Finalment, el disseny triat, a 3015x, es va fabricar i caracteritzar experimentalment, aconseguint una concentració efectiva de 938 sols amb una tolerància angular al desalineament d'AA ± 0.30º i una eficiència òptica del 31%. --- El objetivo de la concentración fotovoltaica (CPV) es reemplazar material costoso del semiconductor por dispositivos ópticos más económicos. La CPV es capaz de utilizar células muy eficientes multi-unión (MJSC) que serían muy caras en caso de no utilizar concentración. Estas células están compuestas por varias subcélulas con diferentes bandas de absorción de energía conectadas en serie, lo que permite un mayor aprovechamiento del espectro solar. Un aspecto que preocupa cuando los sistemas CPV operan en condiciones reales es el impacto de la iluminación no-uniforme sobre la célula solar. Esta falta de uniformidad viene generada por el uso de óptica concentradora u otros efectos externos como puede ser el sombreado parcial. Éstas pueden producir diferencias en la intensidad de iluminación sobre la superficie de la célula, perfiles de irradiancia gaussianos o efectos de aberración cromática. En esta tesis, se pretende ampliar el conocimiento referido al comportamiento de los dispositivos fotovoltaicos cuando están altamente influenciados por este fenómeno. Con este propósito, se desarrolló un montaje experimental para generar y caracterizar patrones de no-uniformidad en condiciones controladas de laboratorio, así como medir eléctricamente su impacto sobre una MJSC. En este sentido, se consiguió cuantificar la distribución de la irradiancia absoluta y espectral para el rango de las subcélulas top y middle. De los resultados más relevantes, cabe destacar el diferente comportamiento que muestran los sistemas refractivos y reflexivos considerando las no-uniformidades espaciales y espectrales. Posteriormente, se estudiaron los efectos de no-uniformidad producidos por el sombreado generado sobre la óptica concentradora en diferentes receptores CPV. Analizando los resultados, se pudo concluir que el sombreado no sólo contribuye a reducir la uniformidad espacial, sino también introduce fenómenos espectrales adicionales. Además, se comprobó experimentalmente que las unidades que incorporaban un elemento óptico secundario (SOE) presentaban un comportamiento más estable frente al sombreado. En paralelo, se propuso un diseño óptico a concentraciones ultra altas (UHCPV) haciendo uso del acromatismo y la compacidad proporcionados por el diseño del prototipo para mejorar la competitividad de la tecnología. El sistema óptico consiste en un concentrador reflexivo basado en el diseño Cassegrain-Koehler que permite concentrar los rayos desde cuatro unidades ópticas simétricas e independientes sobre una única célula solar. Mediante un modelo por trazado de rayos se analizaron diferentes configuraciones geométricas (2000 - 6000x) a UHCPV. Finalmente, el diseño elegido, a 3015x, se fabricó y caracterizó experimentalmente, alcanzando una concentración efectiva de 938 soles con una tolerancia angular al desalineamiento de AA ± 0.30º y una eficiencia óptica del 31% .