Concentrador fotovoltaico cilindro parabólico

Resumen

En esta Tesis Doctoral se aborda el desarrollo, tanto teórico como práctico, de un concentrador fotovoltaico basado en reflectores cilindro parabólicos. Este tipo de sistemas debería posibilitar una sustancial reducción de los costes de la energía solar fotovoltaica, permitiendo su acceso al mercado de generación masiva de electricidad (centrales). El punto de partida es la posibilidad de producir células solares de silicio capaces de trabajar a concentraciones medias (20-30 soles) en la misma línea de producción de células destinadas a panel plano. BP Solar, ha conseguido adaptar con éxito su tecnología LGBG {Laser Grooved Buried Grid, malla enterrada en surcos hechos con láser) a la producción de células de concentración realizando ciertas modificaciones al proceso estándar. Esto permite que el precio de estas células se mantenga en el mismo orden de magnitud que el de sus análogas destinadas a panel plano. El reto, pues, estriba en el desarrollo de un sistema concentrador, adaptado a estas células, cuyo coste sea notablemente inferior al correspondiente al área de silicio sustituida por el elemento óptico. Los concentradores de eje horizontal N/S basados en cilindros parabólicos han resultado ser la opción preferente en aplicaciones termosolares. Sin embargo, tal solución ha sido ensayada en contadas ocasiones -la mala experiencia de SANDIA es una de ellas- en el ámbito fotovoltaico a pesar de sus indudables ventajas. El desarrollo de un concentrador fotovoltaico cilindro parabólico implica el desarrollo de los distintos componentes como puedan ser la óptica de concentración (reflectores); la estructura soporte, y el sistema de seguimiento. Dentro de esta tesis se han diseñado, caracterizado y producido, reflectores de alta eficiencia (aprox. 90%) para una concentración de 32x. Su diseño se ha abordado buscando la máxima colección de energía, en lugar de maximizar ángulos de aceptancia (entendidas al 100% o al 50% de transmisión). Esto ha permitido desarrollar unos reflectores muy tolerantes a errores. A la hora de su fabricación, por otro lado, se ha perseguido trabajar con tolerancias opticas a costes de taller convencional. Respecto a la tecnología de fabricación, se ha desarrollado una tecnología propia ante la falta de soluciones comerciales satisfactorias. Con respecto a las estructuras soportes, el trabajo recogido en este volumen contempla el análisis y validación -desde el punto de vista óptico- del diseño adoptado. Se han evaluado las deformaciones elásticas esperables en la estructura bajo condiciones de carga y la degradación óptica asociada en términos de energía perdida anualmente. La solución estructural adoptada no encuentra parangón en este campo, siendo la estructura con mayor luz (36-42 m) y menores deformaciones (12 cm de flecha, décimas de grado en torsión bajo carga) desarrollada para una aplicación fotovoltaica. Dentro de esta tesis se ha desarrollado un sistema de puntería basado en una nueva filosofía de control que conjuga las ventajas de los sistemas de lazo abierto, de lazo cerrado, y con auto aprendizaje. La construcción de un prototipo de concentrador de 24 m de longitud y su caracterización ha permitido reportar eficiencias comparables a las de sistemas similares. Respecto a costes, ya a escala de prototipo se ha reducido un 25% el coste del kWp de una planta de panel plano (Toledo PV). El éxito de este desarrollo ha llevado a un contrato de cesión de tecnología con BP SOLAR y a la instalación en Tenerife de la planta fotovoltaica de concentración de mayor potencia del mundo (0.5 MWp). Con motivo de la industrialización de la tecnología para este proyecto se ha podido prever (con datos reales) un coste del kWp de sólo ell 54%) del correspondiente a una planta de panel plano. Como conclusión cabría decir que dentro de este trabajo de tesis se ha desarrollado una nueva tecnología de concentración fotovoltaica, desde el diseño hasta la industrialización, capaz de reducir los costes de la energía solar fotovoltaica a la mitad. ----------ABSTRACT---------- This Doctoral Thesis is devoted to the development, theoretical and practical, of a photovoltaic parabolic trough concentrator. This system should lead to a substantial cost reduction of the solar photovoltaic energy, allowing for its access to the large (utility) scale market of electricity production. The starting point is the availability of silicon solar cells able to operate at medium concentration (20x-30x suns) produced in the same industrial line of flat plate cells. BP Solar has achieved to successfully adapt its LGBG (Laser Grooved Buried Grid) technology to the production of concentration cells by modifying certain steps of the standard process. This allows for keeping the price of concentration cells within the same order of magnitude as those of the flat plate ones. The challenger, therefore, laid in the development of a concentrating system, matched to these available cells, whose cost were notably below that of the silicon area replaced by the optical element (reflector) and BOS. Parabolic trough concentrators with N/S horizontal axis have proved to be the main choice for thermal applications. However, such a solution has been attempted only in a few experiences -being that of SANDIA one of them- in the PV field in spite of its evident advantages. The development of a photovoltaic parabolic trough concentrator involves the development of a number of components as the concentrating optics (reflectors); the tracking structure, and the tracking control system. Within this Thesis high efficiency (app. 90%) reflectors for a concentration ratio of 32x have been designed, characterised and produced. Their design has been undertaken looking for the maximum energy collection, instead of trying to maximise acceptance angles (whether they are defined for 50% or 100% of transmission). This allowed for the development of reflectors not very sensitive to manufacturing tolerances and errors. Besides, regarding to manufacturing, it has been aimed at working with optical tolerances at conventional metal workshop costs. Furthermore, due to the lack of a suitable technology for reflectors, a new one has been developed. Regarding tracking structures, the work described on this volume includes the analysis and validation -from the point of view of Optics- of the adopted design. The expected elastic deformations of the structure under load conditions and the associated optical degradation have been evaluated in terms of yearly losses of collected energy. The adopted structural design finds no counterpart in the field of photovoltaics, being its span (36-42m) the longest for a PV application while keeping deformations under load below 12 cm of sag and some tenths of degree of torsion. Within this Thesis a tracking control system based on a whole new control philosophy has been developed. The new control strategy gathers the advantages of open loop, close loop and self-aligning systems. The construction of a concentrator prototype, 24 m long, and its characterisation have allowed to report efficiencies comparable to those of similar systems. Regarding to costs, yet at prototype scale, the kWp cost has been reduced a 25 % over those of a flat plate plant such as Toledo PV. The success of this development has led to a contract of technology license to BP SOLAR and to the installation in Tenerife of the world's largest (in terms of power, 0.5 MWp) photovoltaic concentration plant. The industrialisation of the technology carried out for this deployment has allowed to foresee (based on real data and experience) a kWp cost of only 54 % of that achieved for a flat plate plant. As conclusion, it can be said that within this thesis a new PV concentrator system has been developed -from design to industrialisation- ready to halve the present cost of PV energy.