Optimización de la tecnología fotovoltaica de concentración Euclides

Resumen

El tema de investigación de la tesis doctoral se centra en los sistemas fotovoltaicos de baja y media concentración que utilizan células de silicio, en concreto en la optimización de la tecnología de concentración EUCLIDES. Este concentrador, desarrollado desde el año 1995, es del tipo cilíndrico-parabólico horizontal, está orientado norte-sur con un sistema de seguimiento de un solo eje; y utiliza células de silicio a baja concentración refrigeradas mediante disipación pasiva. En el marco del proyecto europeo IDEOCONTE, se ha desarrollado una nueva generación de sistemas EUCLIDES con los objetivos generales de revisar y solucionar los problemas y fallos encontrados en los prototipos anteriores: el prototipo de Madrid y la planta EUCLIDES-THERMIE de Tenerife, en su momento la mayor del mundo; así como de pre-industrializar y consolidar aquellos elementos que han mostrado un funcionamiento correcto. De esta forma, durante el trabajo de investigación la actividad ha estado centrada fundamentalmente en el encapsulado de las células, la fiabilidad de los componentes del sistema y la valoración sistemática de resultados en operación, con el fin de poner esta tecnología a las puertas de la industrialización y la comercialización si fuera el caso. De forma específica, se han realizado las siguientes tareas: Se han analizado los problemas y puntos críticos de cada uno de los componentes, rediseñando y fabricando todos los elementos clave necesarios del sistema EUCLIDES para los dos niveles de concentración desarrollados, 20X y 40X: espejos, disipadores y receptores. Se han realizado ensayos de fiabilidad de todos los componentes utilizando la norma IEC62108, haciendo especial énfasis en el receptor, sin duda alguna el elemento más complejo de un sistema de concentración. A raíz de los resultados obtenidos tras los ensayos de fiabilidad, se han propuesto soluciones alternativas para el encapsulado de células de concentración de gran área. Se han fabricado e instalado tres sistemas de 2kWp cada uno en Stuttgart (Alemania), Ferrara (Italia) y Madrid (España) y se ha procedido a su caracterización y monitorización en funcionamiento. Tras la monitorización y seguimiento de la producción de energía eléctrica del concentrador EUCLIDES III en los tres lugares de prueba, se ha observado que el sistema queda por debajo de los paneles planos convencionales en cuanto a eficiencia. Una de las principales causas es la utilización de células solares con una eficiencia media de un 18%. Esta eficiencia, al trasladarse al sistema completo de concentración, e incluyendo las pérdidas totales del mismo, llega a transformarse en un 10%. Llegados a este punto se planteó la siguiente pregunta: ¿cómo mejorar el sistema para aumentar la eficiencia del mismo y que pueda ser competitivo con los sistemas fotovoltaicos de módulo plano? Para tratar de buscar respuestas a esta pregunta, se ha realizado un primer análisis de costes para tratar de estimar cuál es el coste por watio-pico del sistema, y tratar de analizar qué elementos son susceptibles de reducir su precio. En general, el resultado de este estudio es que el sistema es aún caro según las condiciones actuales del mercado fotovoltaico, por lo que habría que mejorar el sistema, disminuyendo su coste o aumentando su eficiencia como ya se había apuntado anteriormente. Una de las posibles soluciones implementadas para mejorar la eficiencia de los sistemas de baja y media concentración es el uso de sistemas combinados termo-fotovoltaicos, es decir, sistemas que utilizan refrigeración activa para enfriar las células y que utilizan el calor producido en aplicaciones domésticas. Se ha analizado el caso de un sistema similar al EUCLIDES que emplea el calor que se extrae de las células para generar agua caliente, el concentrador CHAPS (Combined Heat and Power System), de la Australian National University (ANU). Por otro lado, durante el desarrollo de la investigación se han encontrado otros temas de investigación interesantes que también se han estudiado en paralelo, como es el efecto de la suciedad en los concentradores en comparación con los paneles planos convencionales. Los primeros resultados apuntan a que la suciedad afecta más a los concentradores que a los módulos planos, pero deberían realizarse más experimentos. Otro resultado interesante que se presenta en esta tesis ha sido el diseño y desarrollo de un receptor para discos parabólicos con una disposición radial de las células para disminuir las pérdidas por los efectos del desajuste óptico. Este trabajo ha dado lugar a la presentación de una patente que está en proceso y cuya tecnología se transferirá a una empresa interesada para la que ya se ha desarrollado un primer prototipo.