Contributions to characterization, modeling and design of concentrator photovoltaic systems

Resumen

The constant progress of the efficiency values of the multijunction (MJ) solar cells based on III-V semiconductors, used together with photovoltaic concentration (CPV) technologies, means that competitive costs can be achieved generating solar photovoltaic energy, since with concentration a cell's area is reduced, being substituted by optical elements of a lower cost. The present thesis collects a series of contributions at different levels that affect CPV systems. The largest part is dedicated to the impact of solar spectrum on these systems based on MJ cells, specifically to the understanding of that effect on MJ cells and CPV systems. Firstly the spectral matching ratio (SMR) concept is reviewed, an index based on the currents of a set of component cells (isotypes) that is used to estimate which subcell of a MJ cell limits, and its use is extended to MJ cell calibration with the role of spectral index. In particular, through instants filtering using SMR baseline values, prevailing spectral conditions are established with regard to reference spectrum (ASTM AM1.5D G173-03). Based on those component cell currents the so-called equivalent irradiances are defined, with which is possible to estimate the losses due to spectrum (spectral efficiency) when they are compared to the corresponding direct irradiance (DNI). Finally a study about the spectral bias when calibrating is presented, in particular the effect due to the tolerance associated with the SMR filters and the contribution due to spectral mismatch when using component cells of different technology to the MJ cell. The second contribution about spectrum is a study of the spectral classification based on SMR indexes from several locations around the world for several MJ cell technologies: lattice matched based on germanium and dilute nitrides and metamorphic, both upright and inverted. In this way relations can be established among types of locations defined by their geography and climate and spectral clusters useful for MJ cell ad hoc design. An estimation of losses due to spectral variation for each MJ technology for each location is also given. In the last contribution related to spectrum a possibility for SMRs as spectral indexes is looked at closely, previously establishing the minimum number of parameters needed to estimate the uniqueness of solar spectra. It is concluded that a single spectral index is clearly insufficient to establish spectral uniqueness and that three independent indexes are close to the biunivocal spectral identification. Based on this idea the use of SMR to establish correlations among different MJ cell technologies and other devices is suggested. Following on, a review of the factors that affect the energetic production of a CPV plant is given, and how these factors are modeled in the software photovoltaic (PV) tools that add simulation modules for CPV. Particular emphasis is placed on those factors that, influenced by the way PV systems are modeled, cause errors or present a lack of precision when the same approaches are used in CPV and recommendations and used limitations are proposed. All this is applied to an experimental 50 kW CPV plant in the NGCPV European-Japan project and its energy production for two years is compared with the models of integrated power and annual energy forecast. Finally, a hybrid CPV design with lighting is proposed as part of the Spanish project LUZ-CPV, where concentration, in addition to generating photovoltaic electricity, is used to transport sunlight directly for indoor illumination. In principle the hybrid concept allows an efficiency improvement of a CPV system used to illuminate by means of electrical luminary, since the transmission of sunlight is direct without energy transformation. A study about the design limitations has been performed, a full prototype has been developed and both CPV and lighting parts have been characterized. To conclude, several light guide materials have been studied to estimate the viability of the concept. RESUMEN El avance constante de los valores de eficiencia de las células solares multiunión (MJ) basadas en semiconductores III-V permite que utilizadas junto con tecnologías de concentración fotovoltaica (CPV) puedan alcanzarse costes competitivos en la generación de energía solar fotovoltaica, ya que al concentrar se reduce el área de célula necesaria siendo sustituida por elementos ópticos de mucho menor coste. La presente tesis recoge una serie de contribuciones a distintos niveles que afectan a los sistemas CPV. La mayor parte está dedicada al impacto del espectro solar sobre dichos sistemas basados en células MJ, en concreto al entendimiento de dicho efecto sobre células MJ y sistemas CPV. Primero se revisa el concepto de spectral matching ratio (SMR), un índice basado en las corrientes de un set de células componentes (isotypes) que es utilizado para estimar qué subcélula de una célula MJ limita, y se extiende su uso a calibración de células MJ utilizándolo como índice espectral. En concreto, mediante el filtrado de instantes utilizando valores SMR de referencia, se establecen las condiciones espectrales prevalentes con respecto el espectro de referencia (ASTM AM1.5D G173-03). Basándose en las mismas corrientes de las células componentes se definen la correspondientes irradiancias equivalentes, con las que se puede estimar la pérdida debida al espectro (eficiencia espectral) al comparar con el valor de irradiación directa (DNI) correspondiente. Finalmente se ha estudiado la aparición de sesgos en la calibración espectral, en concreto el efecto de la tolerancia asociada a los filtros SMR y la contribución por desajuste espectral al utilizar células componente de distinta tecnología que la célula MJ. La segunda contribución sobre el espectro trata de un estudio sobre la clasificación espectral basadas en índices SMRs de diversas localidades alrededor del mundo para diversas tecnologías de célula MJ: ajustadas en red basadas en germanio y nitruros y metamórficas tanto rectas como invertidas. De esta forma se establecen relaciones entre tipos de localidades definidas por su geografía y clima y se pueden identificar clústeres espectrales útiles para el diseño ad hoc de células MJ. También se estiman las pérdidas por variación espectral asociadas a cada tecnología MJ para cada localidad. Como última contribución relacionada con el espectro se profundizan las posibilidades de los SMRs como índices espectrales, estableciendo previamente el número mínimo de parámetros necesarios para estimar unicidad de los espectros solares. Se concluye que un sólo índice espectral es claramente insuficiente para establecer unicidad espectral y que tres índices independientes se acercan bastante a una identificación espectral biunívoca. Basado en ello se sugiere utilizar los SMR para establecer correlaciones entre diferentes tecnologías de célula MJ y otros dispositivos. A continuación se da una revisión de los factores que afectan a la producción energética de una planta CPV y cómo se modelan en las herramientas software de fotovoltaica (PV) que incorporan componentes para simulación CPV. Se hace especial hincapié en aquellos factores que, influenciados por la forma de modelar sistemas PV, ocasionan errores o falta precisión cuando se utilizan las mismas aproximaciones sobre sistemas CPV y se proponen recomendaciones y limitaciones de uso. Todo ello es aplicado a una planta CPV experimental de 50 kW dentro del proyecto europeo con Japón NGCPV y se compara el modelado con la producción durante dos años, a nivel de potencia y de energía anual estimada. Por último, se propone un diseño CPV híbrido con iluminación bajo el proyecto nacional español LUZ-CPV en el que se hace uso de la concentración además de para la generación fotovoltaica de electricidad, para el transporte directo de luz solar con el fin de iluminar interiores. El concepto híbrido permite en principio mejorar la eficiencia de un sistema CPV que se utilice para iluminar mediante una luminaria eléctrica, ya que la transmisión de luz es directa sin necesidad de transformación energética. Se ha hecho un estudio para ver las limitaciones de diseño, se ha desarrollado un prototipo completo y se ha caracterizado tanto la parte CPV como la de iluminación. Para finalizar se han estudiado diversos materiales utilizados como guía óptica para estimar la viabilidad del concepto.