Concentrador fotovoltaico para iluminación por fibra óptica de células multiunión

Resumen

Hoy en día la concentración se presenta como una de las tecnologías más prometedoras de la industria fotovoltaica y su aportación para aumentar las capacidades de producción eléctrica hasta el nivel esperado para esta energía en el futuro próximo puede ser decisiva. Sin embargo, todos los concentradores fotovoltaicos desarrollados hasta la fecha adolecen de las mismas complicaciones de diseño, las cuales han obstaculizado hasta el momento su definitiva implantación comercial. Entre ellas destaca la necesidad de instalar el receptor de células en el foco del concentrador, con las restricciones geométricas que ello implica tanto de tamaño, como de empaquetamiento, de capacidad de refrigeración, sensibilidad al alineado, etc. Esta Tesis representa un intento de mejorar el rendimiento de un sistema de concentración partiendo de un concepto nuevo basado en la separación física del concentrador y el receptor fotovoltaico, que fuera capaz de iluminar células solares de alto rendimiento con un nivel de concentración de unos 1.000 soles. Ello permitiría al mismo tiempo evaluar el funcionamiento y durabilidad de las células multiunión de materiales III-V, cuyas eficiencias en dispositivos fabricados a nivel industrial duplican los valores de las de silicio pero que aún deben ser probadas en condiciones de funcionamiento en la atmósfera terrestre. En este sentido, la separación física del receptor de células y del concentrador permite ubicar el primero en un recinto protegido de los agentes atmosféricos, lo que aumenta la durabilidad de las células y ayuda a mantener su eficiencia al máximo nivel a lo largo de un periodo de tiempo mayor. Para ello, se consideró la posibilidad de utilizar fibras ópticas como medio de transporte de la luz concentrada desde el concentrador hasta cada una de las células componentes del receptor fotovoltaico. Asimismo, con el fin de plantear un diseño que una vez optimizado fuese adaptable a la industria y que permitiese una posterior reducción de costes, se partió de la utilización de concentradores con un área considerable que iluminasen una gran cantidad de células a un tiempo. La aproximación así planteada resulta muy novedosa y no se encuentran en la bibliografía especializada sistemas similares a este concepto. El objetivo fundamental consistía en diseñar y construir un prototipo de sistema de concentración basado en la transmisión de la luz concentrada por fibra óptica hasta un receptor de células multiunión situado en interior, así como la evolución del mismo. La capacidad de producción eléctrica del mismo se fijó en 200 Wp. La primera fase del desarrollo se dedicó al diseño de un concentrador de tipo Cassegrain, con disco primario parabólico y un reflector secundario. Para la fabricación del espejo primario se estudiaron diversas técnicas: inflado de láminas de metacrilato precalentado, inflado de metacrilato precalentado sobre molde y fabricación en poliéster reforzado con fibra de vidrio sobre molde metálico mecanizado. Las dos primeras abrieron una vía que condujo a resultados interesantes aunque la técnica necesita ser depurada para conseguir la calidad precisada en un concentrador fotovoltaico. Por su parte, con la última se fabricaron prototipos de gran calidad que constituyeron el sistema final. Por otra parte, el sistema de transmisión de luz concentrada por fibra óptica constituye un auténtico reto. La necesidad de proporcionar un reparto uniforme de la energía colectada entre todas las fibras impone el uso de un elemento homogeneizador previo. Dicho elemento, denominado receptor calidoscópico, debe acoplarse óptimamente al haz de fibras conectadas a las células. A fin de optimizar dicho acoplamiento se llevó a cabo la fusión de un extremo del haz de fibras para formar un mazo compacto que a su vez se fusionó con el extremo de salida del receptor calidoscópico. Teniendo en cuenta los niveles de densidad de energía considerados las fibras ópticas utilizadas deben ser de cuarzo, lo que complica enormemente la fusión de mazos con un grosor por encima de 15 mm, como es el caso del sistema desarrollado. Se han estudiado asimismo otras alternativas para la fabricación del mazo de fibras: por un lado, se utilizaron fibras de metacrilato que resultan más fáciles de fusionar aunque soportan mucha menos densidad de potencia luminosa y, por otro, se realizaron prototipos de haces de fibras de cuarzo compactadas mecánicamente. En lo que se refiere al receptor de células y a sus conexiones ópticas y eléctricas, éste se realizó en cobre y con un diseño compacto y fácilmente reproducible. La función de disipación de calor en el mismo se consigue dejando una serie de canales por los que se hace circular agua como fluido refrigerante consiguiendo una alta eficiencia con un tamaño reducido y un bajo consumo de bomba de impulsión. Elementos adicionales como estructuras de soporte y circuito de refrigeración también han sido optimizados. El resultado ha sido un prototipo completo de concentrador fotovoltaico totalmente único. Una vez construido y evaluado, dicho prototipo ha permitido un estudio pormenorizado de diferentes aspectos de relevancia en concentración fotovoltaica, habiéndose obtenido resultados de gran interés para su aplicación en sistemas similares y concentradores de todo tipo. ABSTRACT Concentration is nowadays one of the most promising technologies in photovoltaic industry and its contribution to increase the electric production capacity for this solar energy in the near future can be crucial. Nevertheless, all photovoltaic concentrators developed up to present time have similar design weaknesses or complexity, which have hampered their definitive introduction in the market. Among them, the necessity to place the cell receptor in the concentrator focus (with all the geometric constraints involved regarding size, spatial distribution, cooling capacity, aligning sensitivity, etc.) highlights. This Thesis represents an approach to improve the performance of a PV concentration system in the basis of the physical separation between the concentrator and the cell receiver, making use of a novel concept able to illuminate high efficiency solar cells at 1.000 suns. Furthermore, the evaluation and rating of the performance and durability of III-V multijunction cells, whose efficiency figures double those of silicon cells although they must be fully tested under atmospheric conditions, would be possible. Concerning this, such physical separation between concentrator and receiver allows locating the latter indoors, sheltered from climatic agents, what increases cell durability and eases to keep their efficiency at the highest level for longer. For this purpose, the possibility of utilizing optical fibres as concentrated light transport medium from concentrator to each PV cell was considered. In order to present a design that could be adapted to industrial production and a further cost reduction, the use of relatively large area concentrators was planned. The so established concept results innovative and there are no references to similar systems in specialized bibliography. The main objective was the design and fabrication of a concentration prototype based on concentrated light transmission by optical fibres to a multijunction cell receiver located indoors. The target electrical power was established at 200 Wp. The first phase of development was devoted to the design of a Cassegrain concentrator. For the manufacturing of the primary parabolic dish several techniques were studied: pre-heated PMMA plates inflating, pre-heated PMMA plates inflating on mould and, finally, polyester reinforced with fibre glass on metallic mould fabrication. The first two options have opened a way that has led to interesting results although the procedure must be improved. The latter has produced high quality prototypes that were used for the final system. The concentrated sunlight transport system by optical fibres became a real challenge. The requirement to provide even distribution of energy to all cells imposes the use of a kaleidoscope effect element prior to the fibres. Such element, so called kaleidoscopic receiver, must be optimally coupled to the fibre bundle. In order to optimize the coupling, the thermal fusion of the fibre bundle and the tip of the kaleidoscopic receiver was carried out. Considering the density energy levels involved, the fibres must be quartz made, what implies a significant complexity of the fusion process for bundles over 15 mm diameter, like the required one. Thus, alternatives based on PMMA fibres (for lower concentration ratio) or mechanically stacked quartz fibre bundles have been manufactured and studied. The cell receiver was manufactured in copper and the optical and electrical connections were fully designed achieving a compact and very effective device, with small channels for connection to a cooling circuit. Additional elements such as fixing structures and cooling circuit have also been optimized. The result is a unique PV concentrator prototype. The complete evaluation has led to many interesting results for application in similar concepts and any kind of solar concentrator.