Development of procedures and equipment for indoor characterization of concentrator photovoltaic systems

Herrero Martin, Rebeca (2014). Development of procedures and equipment for indoor characterization of concentrator photovoltaic systems. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM).

Description

Title: Development of procedures and equipment for indoor characterization of concentrator photovoltaic systems
Author/s:
  • Herrero Martin, Rebeca
Contributor/s:
  • Anton Hernandez, Ignacio
  • Sala Pano, Gabriel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2014
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Electrónica Física
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

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. ABSTRACT The high concentrator photovoltaic (HCPV) modules, as their name suggests, concentrate the sun light by means of affordable optics onto high efficiency and costly multi-junction (MJ) solar cells (hence reducing the needed semiconductor area). To drive down costs and to increase the commercial opportunities of this technology, the approach commonly taken is to improve the system efficiency. Currently, the record efficiency for CPV modules is in the order of 35%-36% which almost double the numbers given for flat panels. To reach these numbers in production line or even to exceed them, proper characterization procedures specific for the CPV technology are needed. However, there is a distinct lack of methods and testing instrumentation as neither international standards nor commercialized equipment are available. This thesis reviews new methods and tools proposed for the accurate characterization of CPV modules and some of their constituent elements. Specifically, the study of the differentiating components of the concentration technology as the optical system and the MJ solar cell unlike common figures for PV are of particular relevance. Much of the cutting-edge research involved in this thesis is related to the development of a method for the optical-angular properties evaluation of a CPV module. The method consists in measuring the light emitted by the module while it is forward biased in dark conditions. Main metrics resulting from its implementation are the angular transmittance function, and in a novel way, the misalignments between optical system-cell units comprising the module (i.e., differences between the units pointing vectors). The method validation and the guiding principles that must be followed to obtain correct results are thoroughly reviewed at the beginning of this document. Parallel to this, a major task carried out is the design and fabrication of different equipment prototypes to implement the novel measurement. Among all inspected solutions, the system so-called Module Optical Analyzer (MOA) is particularly worthy of mention; it stands out for its optimum integration in production line to perform an exhaustive module characterization taking just seconds. During the course of this thesis, different MOA versions have been produced and tested, even one unit being installed in the manufacturing facility of the CPV company Daido Steel in Nagoya (Japan). With respect to the optical system characterization (in particular, Fresnel lenses), two noteworthy lines of research were pursued. The first line of inquiry is aimed at the study of degradation effects on lenses and the second one is focused on the lens evaluation in manufacturing. With regard to degradation effects in Fresnel lenses, a novel instrument was developed during a short research stay at the National Renewable Energy Laboratory (NREL) in the Photovoltaic (PV) Reliability Research and Development (R&D) group. This instrument measures with a CCD sensor the optical transmittance of the lens while is scanned by a laser The capabilities of the developed tool and other measurement techniques (hemispherical transmittance with integrating sphere and optical efficiency measurements at a solar simulator for CPV) have been reviewed and discussed while measuring different lenses samples that were subjected to different aging conditions. The definition of characterization procedures not only for laboratory but also for industry scenarios is important to ensure the proper development and strengthening of the concentrator technology. An easy to implement quality control is proposed based on measuring the first reflection at the lens entrance surface, and thus check up to identify possible wrapping or deformation defects on lenses. These lens shape anomalies can be caused by either internal or external stress related to manufacturing processes and module enclosure respectively. The electrical losses that these kinds of defects have in the module performance have been quantified by evaluating not only unassembled units but also mounted lenses in a module. It was observed that the warp effect can be even more damaging than the misalignments between components in the module. The electrical performance of MJ cells under non-uniform light profiles is a subject of research addressed at the end of this document. Several CPV module configurations have been studied by means of different developed methods and instrumentation to quantify and distinguish the damaging effect of both spatial and spectral non-uniformities on MJ cells.

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Item ID: 32831
DC Identifier: http://oa.upm.es/32831/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:32831
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 24 Nov 2014 12:30
Last Modified: 28 Sep 2018 10:19
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