Desarrollo de elementos ópticos innovadores para sistemas de ultra-alta concentración fotovoltaica. Análisis del impacto de la no uniformidad espacial y espectral

Resumen

El objetivo de la concentración fotovoltaica (CPV) es reemplazar material costoso del semiconductor por dispositivos ópticos más económicos. La CPV es capaz de utilizar células muy eficientes multi-unión (MJSC) que serían muy caras en caso de no utilizar concentración. Estas células están compuestas por varias subcélulas con diferentes bandas de absorción de energía conectadas en serie, lo que permite un mayor aprovechamiento del espectro solar. Un aspecto que preocupa cuando los sistemas CPV operan en condiciones reales es el impacto de la iluminación no-uniforme sobre la célula solar. Esta falta de uniformidad viene generada por el uso de óptica concentradora u otros efectos externos como puede ser el sombreado parcial. Éstas pueden producir diferencias en la intensidad de iluminación sobre la superficie de la célula, perfiles de irradiancia gaussianos o efectos de aberración cromática. En esta tesis, se pretende ampliar el conocimiento referido al comportamiento de los dispositivos fotovoltaicos cuando están altamente influenciados por este fenómeno. Con este propósito, se desarrolló un montaje experimental para generar y caracterizar patrones de no-uniformidad en condiciones controladas de laboratorio, así como medir eléctricamente su impacto sobre una MJSC. En este sentido, se consiguió cuantificar la distribución de la irradiancia absoluta y espectral para el rango de las subcélulas top y middle. De los resultados más relevantes, cabe destacar el diferente comportamiento que muestran los sistemas refractivos y reflexivos considerando las no-uniformidades espaciales y espectrales. Posteriormente, se estudiaron los efectos de no-uniformidad producidos por el sombreado generado sobre la óptica concentradora en diferentes receptores CPV. Analizando los resultados, se pudo concluir que el sombreado no sólo contribuye a reducir la uniformidad espacial, sino también introduce fenómenos espectrales adicionales. Además, se comprobó experimentalmente que las unidades que incorporaban un elemento óptico secundario (SOE) presentaban un comportamiento más estable frente al sombreado. En paralelo, se propuso un diseño óptico a concentraciones ultra altas (UHCPV) haciendo uso del acromatismo y la compacidad proporcionados por el diseño del prototipo para mejorar la competitividad de la tecnología. El sistema óptico consiste en un concentrador reflexivo basado en el diseño Cassegrain-Koehler que permite concentrar los rayos desde cuatro unidades ópticas simétricas e independientes sobre una única célula solar. Mediante un modelo por trazado de rayos se analizaron diferentes configuraciones geométricas (2000 - 6000x) a UHCPV. Finalmente, el diseño elegido, a 3015x, se fabricó y caracterizó experimentalmente, alcanzando una concentración efectiva de 938 soles con una tolerancia angular al desalineamiento de AA ± 0.30º y una eficiencia óptica del 31% .