Optical and electrical characterization of high-concentration photovoltaic systems = Caracterización óptica y eléctrica de sistemas fotovoltaicos de alta concentración

Resumen

The record efficiencies achieved by multijunction (MJ) solar cells have renewed the interest in concentrator photovoltaics (CPV), as the use of high concentration is necessary to reduce the area of these expensive devices and to maximize their efficiency. The promise is a reduction of the cost of the electricity generated as compared to flat plate PV. In order to improve the efficiency of these systems, intensive research is being carried out regarding concentrator cells, optics and integration of systems. Characterization tools are also essential for the development and optimization of concentrators, from the development of the initial prototypes to the manufacturing line. However, there is a poor knowledge of appropriate characterization tools for CPV systems and their elements. Furthermore, the lack of indoor testing procedures may be a bottleneck to the large-scale production of CPV modules and a barrier to their commercial deployment. This thesis contributes to the development of instruments and methods for the indoor characterization of high-concentration PV systems and their constituent elements. Primarily, a solar simulator able to measure CPV modules has been designed and developed (probably the first in the world), which constitutes the cornerstone instrument for the indoor characterization methods developed. The key component of the illumination system of the solar simulator is a large-area collimator mirror with a long focal distance, which collimates the light coming from a small flash light source placed at its focus. An investigation of those manufacturing techniques that feature a relatively low cost and sufficient optical quality has been carried out. A mechanized aluminum mirror with 6 m of focal distance and 2 m in diameter has been developed to meet the optical requirements of the CPV solar simulator. The relevant figures of merit for the quality of the mirror have been identified: surface profile accuracy (form, waviness, roughness), collimation angle, scattering and spatial uniformity of the reflected light beam. A comprehensive range of characterization techniques have been proposed and tried out for evaluating said merit figures. The characterization of the light produced by the simulator was a subsequent research topic, as it required the development of specific measurement methods of the spectrum, spatial uniformity and angular size of the irradiance that are suitable for pulsed light sources. The characterization of the solar simulator developed was carried out using said methods and the results are presented here. According to the definitions in the norm IEC 60904 9, the solar simulator presented is classified as Class A(spectral match to AM1.5D)-B(spatial uniformity of the irradiance)-A(temporal stability). Procedures for a meaningful use of the solar simulator were then developed. A discussion on appropriate light sensors for irradiance and spectrum is presented. In order to accommodate the non-idealities of the artificial light source, the light sensor has to feature similar current sensitivity to the intensity, spectrum and angular distribution of the light as the device under test. Such a CPV reference unit can be constructed as the minimum optical-electrical unit within the module to be measured, i.e. a “mono-module”. Component cells are proposed as the most significant sensors of the spectrum, and the latter is given through the quantity “spectral matching ratio”. As MJ cells are most sensitive to the spectral balance of the light, a procedure for estimating the current-mismatch between their subcells under any spectrum is also described. This method is applied to a particular concentrator for its demonstration. A method that allows translating the measured performance of concentrator MJ cells into any other arbitrary conditions is presented, which enables the prediction of the energy yield under the ever-changing real-sun conditions or reporting performance under conditions different from those of the real measurement. The method was applied to a set of commercial lattice-matched 3J cells in order to demonstrate its validity: a mean RMS prediction error of 0.85% over a range of concentration-temperature values from 100X-25 ºC to 700X-75 ºC was found. This method is the base for a methodology presented in this work for assessing the validity of solar simulator measurements through their comparison with outdoor tests. Finally, a comprehensive review of indoor methods for measuring the optical quality of a concentrator is presented and applied to a particular compact two-stage high-concentration system. - El interés por los sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV) ha resurgido en los últimos años debido a las eficiencias récord que han alcanzado las células multi-unión de semiconductores III-V. La concentración permite reducir el área necesaria de estos carísimos dispositivos, a la vez que maximiza su eficiencia. La investigación actual se centra en aumentar la eficiencia de estos sistemas para abaratar el coste de la electricidad generada, para lo que se hacen necesarios procedimientos de caracterización apropiados. Sin embargo, éstos son escasos y están poco estandarizados. En particular, la carencia de métodos de medida en interior puede ser un obstáculo para el despliegue comercial de los sistemas CPV. Esta tesis propone métodos e instrumentos nuevos para la caracterización de sistemas fotovoltaicos de alta concentración, así como de los elementos de que se componen (módulos, óptica, células). La principal contribución ha sido el diseño y fabricación de un simulador solar para la medida de sistemas CPV en interior. Este equipo constituye la piedra angular sobre la que se han desarrollado el resto de técnicas de medida presentadas. El elemento clave del sistema de iluminación es un espejo colimador de gran área con una distancia focal larga, que refleja de forma colimada la luz proveniente de una lámpara flash colocada en su foco. Se han investigado las técnicas de fabricación de relativo bajo coste que permiten una calidad óptica suficientemente alta. El resultado ha sido un espejo de aluminio mecanizado de 6 m de distancia focal y 2 m de diámetro que cumple los requisitos ópticos necesarios para el simulador solar CPV. Para la medida de su calidad se han identificado una serie de cifras de mérito, a saber: exactitud del perfil de la curva, ángulo de colimación, dispersión y uniformidad espacial del haz reflejado, y se presenta un conjunto de técnicas de caracterización que permiten su medida. La caracterización de la luz producida por el simulador ha sido también objeto de esta investigación, puesto que se precisó desarrollar métodos de medida del espectro, la uniformidad espacial y el tamaño angular de la irradiancia que pudieran aplicarse a fuentes de luz pulsadas. El simulador desarrollado se ha caracterizado utilizando estas técnicas y los resultados se presentan aquí. Según las definiciones de la norma IEC 60904-9, el simulador solar presentado es de tipo Clase A-B-A, que se corresponden con la calidad del ajuste espectral, la uniformidad espacial y la estabilidad temporal de la irradiancia, respectivamente. Se han desarrollado también los procedimientos necesarios para obtener medidas relevantes con el simulador. En primer lugar se discute cuáles deben ser los sensores de luz a utilizar para tener una medida significativa de irradiancia y espectro. Para tener en cuenta las no idealidades de la fuente de luz artificial, los sensores deben tener la misma sensibilidad a la intensidad, al espectro y a la distribución angular de la luz, que el dispositivo a medir. Se propone el uso de la mínima unidad óptico-eléctrica del módulo CPV (“mono-módulo”) como sensor de irradiancia. Para la medida del espectro, se propone el uso de células componentes, con las que se construye la magnitud “Relación de ajuste espectral”. Puesto que las células multi-unión son muy sensibles al balance espectral de la luz, se presenta un método para estimar el ajuste de corrientes entre subcélulas bajo cualquier espectro. El método se ha probado con un concentrador particular. Se presenta también un método que permite convertir curvas I V de células multi-unión tomadas bajo unas condiciones de medida particulares hacia otras condiciones cualesquiera. Esto permite predecir su comportamiento en condiciones reales de operación, o dar las medidas respecto de unas condiciones de referencia distintas de las que se usaron para medir el módulo. El método se ha aplicado a un lote de células comerciales de triple unión ajustadas en red, para las que se ha obtenido un error de predicción medio del 0.85%, teniendo en cuenta un rango de concentraciones y temperaturas desde 100X y 25 ºC hasta 700X y 75 ºC. Por último, se revisan de forma exhaustiva las principales magnitudes que describen la calidad óptica de un concentrador, y se describen técnicas adecuadas para su medida en laboratorio, así como las limitaciones inherentes a las mismas. Con finalidad ilustrativa, dichas técnicas se han aplicado a un concentrador de dos etapas compacto.