Instrumentation for accelerated life tests of concentrator solar cells

Concentrator photovoltaic is an emergent technology that may be a good economical and efficient alternative for the generation of electricity at a competitive cost. However, the reliability of these new solar cells and systems is still an open issue due to the high-irradiation level they are subjected to as well as the electrical and thermal stresses that they are expected to endure. To evaluate the reliability in a short period of time, accelerated aging tests are essential. Thermal aging tests for concentrator photovoltaic solar cells and systems under illumination are not available because no technical solution to the problem of reaching the working concentration inside a climatic chamber has been available. This work presents an automatic instrumentation system that overcomes the aforementioned limitation. Working conditions have been simulated by forward biasing the solar cells to the current they would handle at the working concentration (in this case, 700 and 1050 times the irradiance at one standard sun). The instrumentation system has been deployed for more than 10 000 h in a thermal aging test for III-V concentrator solar cells, in which the generated power evolution at different temperatures has been monitored. As a result of this test, the acceleration factor has been calculated, thus allowing for the degradation evolution at any temperature in addition to normal working conditions to be obtained.

Real-time reliability test for a CPV module based on a power degradation model

Models based on degradation are powerful and useful tools to evaluate the reliability of those devices in which failure happens because of degradation in the performance parameters. This paper presents a procedure for assessing the reliability of concentrator photovoltaic (CPV) modules operating outdoors in real-time conditions. With this model, the main reliability functions are predicted. This model has been applied to a real case with a module composed of GaAs single-junction solar cells and total internal reflection (TIR) optics

A Generalized Regression Methodology for Bivariate Heteroscedastic Data

We present a methodology for reducing a straight line fitting regression problem to a Least Squares minimization one. This is accomplished through the definition of a measure on the data space that takes into account directional dependences of errors, and the use of polar descriptors for straight lines. This strategy improves the robustness by avoiding singularities and non-describable lines. The methodology is powerful enough to deal with non-normal bivariate heteroscedastic data error models, but can also supersede classical regression methods by making some particular assumptions. An implementation of the methodology for the normal bivariate case is developed and evaluated.

Statistical Calculation of the Main Reliability Functions of GaAs Concentrator III-V Solar Cells

This paper presents some of the results of a method to determine the main reliability functions of concentrator solar cells. High concentrator GaAs single junction solar cells have been tested in an Accelerated Life Test. The method can be directly applied to multi-junction solar cells. The main conclusions of this test carried out show that these solar cells are robust devices with a very low probability of failure caused by degradation during their operation life (more than 30 years). The evaluation of the probability operation function (i.e. the reliability function R(t)) is obtained for two nominal operation conditions of these cells, namely simulated concentration ratios of 700 and 1050 suns. Preliminary determination of the Mean Time to Failure indicates a value much higher than the intended operation life time of the concentrator cells.

Instrumentación virtual para la caracterización de la fiabilidad de células solares de concentración

Este Trabajo Fin de Máster surge de la necesidad de evaluar la fiabilidad de los sistemas fotovoltaicos de concentración, los cuales han sufrido una evolución importante, pasando de usarse células solares de silicio con un 26% de rendimiento, a células multiunión III-V superando el 43% de rendimiento. Las células solares multinunión, mucho más caras y complejas que las células de silicio, no podrán ser comercializadas hasta que no se demuestre que tienen una fiabilidad comparable a las células de silicio. Con el objetivo de disponer de resultados de fiabilidad en un periodo de tiempo adecuado, se utilizan ensayos acelerados. Los ensayos acelerados en células solares presentan una dificultad añadida, debido a la necesidad de que la célula solar esté funcionando y además sea caracterizada dentro de una cámara climática. Mientras que para realizar ensayos acelerados en otros dispositivos es muy sencillo hacerlos funcionar dentro de la cámara climática, en el caso de las células solares tanto el funcionamiento como la caracterización requieren de iluminación dentro de la cámara climática. Conseguir dicha iluminación es complejo como se comentará en el desarrollo de esta memoria de Trabajo Fin de Máster, así como la solución encontrada. A lo largo de esta memoria se desarrollará una primera parte teórica, comenzando con una breve descripción teórica sobre células solares, aunque el estudio de las mismas no es el objetivo de este proyecto, por lo que se continuará con teoría de fiabilidad. El objetivo de este Trabajo Fin de Máster es desarrollar un software capaz de realizar ensayos acelerados sobre células solares. El diseño del software desarrollado podría usarse para cualquier tipo de célula solar, u otro dispositivo similar como un LED o un diodo láser. El último capítulo teórico desarrollado en este proyecto es una introducción al lenguaje de programación gráfico, denominado lenguaje G, implementado con Labview, software elegido para el desarrollo del programa. Dado que estará destinado a su uso en otros proyectos, el desarrollo del sistema estará totalmente descrito y el código comentado, para que en un futuro se pueda modificar de forma sencilla. El núcleo de la memoria es el desarrollo del software aunque también se mostrará el desarrollo hardware, que ha sido desarrollado en paralelo en otro Trabajo Fin de Máster y la instalación necesaria para poder llevar a cabo los ensayos. Para finalizar la memoria, se documenta la instalación realizada, mostrando las pruebas realizadas al software y al hardware y la puesta en funcionamiento de los ensayos con sus primeros resultados.

Modelado de materiales piezoeléctricos para aplicaciones de autoalimentación en entornos viales

Este proyecto continua con el estudio iniciado en los proyectos: Alimentación “Energy Harvesting” basada en fuentes piezoeléctricas, Alimentación autónoma: aplicación a fuente piezoeléctrica y Banco de pruebas para sistemas autoalimentados en aplicaciones viales, que se realizaron anteriormente. Este estudio se basa en la búsqueda de soluciones de alimentación Energy Harvesting centrados en fuentes piezoeléctricas. El objetivo de este estudio es conocer las posibilidades que pueden ofrecer los materiales piezoeléctricos para alimentación autónoma cuando son excitados por vehículos en diferentes circunstancias y entornos viales. Para la realización de este estudio se han utilizado señales provenientes del banco de ensayos, así como señales obtenidas de una instalación construida en un vial del Campus. Para poder realizar el estudio de los diversos materiales piezoeléctricos utilizados en este proyecto, se necesitan conocer las características de los modelos eléctricos. Para obtener estas características se ha diseñado un programa basado en LabView, este programa además puede modificar la señal para que simule las diversas circunstancias a las que pueden estar sometidos los diferentes materiales piezoeléctricos. En este estudio se ha tenido en cuenta la distancia de seguridad entre vehículos para diferentes velocidades y la posibilidad de poder amplificar la excitación que pueden recibir los diversos materiales. Utilizando el programa PSpice OrCAD® se realizan los diferentes modelos con el objetivo de observar el comportamiento de los materiales bajo diversas circunstancias. También se han utilizado varias topologías rectificadoras diferentes para poder comprobar en que situación se puede obtener la máxima tensión acumulada posible. Además también se ha evaluado la máxima potencia que puede entregar cada material en cada situación. Por ultimo se han realizado varias pruebas prácticas con el banco de ensayos para comprobar la acumulación energética real que se puede obtener de los materiales instalados en él. También se ha realizado el estudio de una aplicación práctica que sea capaz de alimentar pequeños circuitos o sensores de poco consumo. Abstract This Project goes on with the study started in the projects Feeding “Energy Harvesting” based on piezoelectric sources, independent feeding: application to piezoelectric source and testing bench to self fed systems in roads applications that were previously done. This study is based on the search of feeding solutions Energy Harvesting focus on piezoelectric sources. The aim of this study is know the different piezoelectric materials possibilities that can offer to independent feeding when different circumstances and road surroundings are excited by vehicles in. To develop this study several signals of the testing bench have been used and also signals get from an installation constructed on a Campus road. As far as the study of the different piezoelectric materials used in this project is concerned we should know the electrical models features. In order to obtain these characteristics a program based on LabView was designed, this program can modify the signal so that it simulates the diverse circumstances to which they can be put under the different piezoelectric materials. In this study I have bearded in mind the safe distance between vehicles for different speeds and the possibility of being able to amplify the excitation that can receive the diverse materials. Using the program PSpice OrCAD® the different models with the objective are made to observe the behaviour of the materials under diverse circumstances. Also several different rectifying topologies have been used to be able to verify the maximum overvoltage accumulated. In addition I have assessed the maximum power that can give each material in each situation. Last but not least different practical proofs with the testing bench have been done to check the actual energy accumulation that can be obtained from the materials installed on it. Also the study of a practical application has been made that is able to feed small circuits or low consumption sensor.

Fiabilidad de los sistemas fotovoltaicos autónomos

Los sistemas fotovoltaicos autónomos, es decir, sistemas que carecen de conexión a la red eléctrica, presentan una gran utilidad para poder llevar a cabo la electrificación de lugares remotos donde no hay medios de acceder a la energía eléctrica. El continuo avance en el número de sistemas instalados por todo el mundo y su continua difusión técnica no significa que la implantación de estas instalaciones no presente ninguna problemática. A excepción del panel fotovoltaico que presenta una elevada fiabilidad, el resto de elementos que forman el sistema presentan numerosos problemas y dependencias, por tanto el estudio de las fiabilidades de estos elementos es obligado. En este proyecto se pretende analizar y estudiar detalladamente la fiabilidad de los sistemas fotovoltaicos aislados. Primeramente, el presente documento ofrece una introducción sobre la situación mundial de las energías renovables, así como una explicación detallada de la energía fotovoltaica. Esto incluye una explicación técnica de los diferentes elementos que forman el sistema energético (módulo fotovoltaico, batería, regulador de carga, inversor, cargas, cableado y conectores). Por otro lado, se hará un estudio teórico del concepto de fiabilidad, con sus definiciones y parámetros más importantes. Llegados a este punto, el proyecto aplica la teoría de fiabilidad comentada a los sistemas fotovoltaicos autónomos, profundizando en la fiabilidad de cada elemento del sistema así como evaluando el conjunto. Por último, se muestran datos reales de fiabilidad de programas de electrificación, demostrando la variedad de resultados sujetos a los distintos emplazamientos de las instalaciones y por tanto distintas condiciones de trabajo. Se destaca de esta forma la importancia de la fiabilidad de los sistemas fotovoltaicos autónomos, pues normalmente este tipo de instalaciones se localizan en emplazamientos remotos, sin personal cualificado de mantenimiento cercano ni grandes recursos logísticos y económicos. También se resalta en el trabajo la dependencia de la radiación solar y el perfil de consumo a la hora de dimensionar el sistema. Abstract Stand-alone photovoltaic systems which are not connected to the utility grid. These systems are very useful to carry out the electrification of remote locations where is no easy to access to electricity. The number increased of systems installed worldwide and their continued dissemination technique does not mean that these systems doesn´t fails. With the exception of the photovoltaic panel with a high reliability, the remaining elements of the system can to have some problems and therefore the study of the reliabilities of these elements is required. This project tries to analyze and study the detaila of the reliability of standalone PV systems. On the one hand, this paper provides an overview of the global situation of renewable energy, as well as a detailed explanation of photovoltaics. This includes a technical detail of the different elements of the energy system (PV module, battery, charge controller, inverter, loads, wiring and connectors). In addition, there will be a theoricall study of the concept of reliability, with the most important definitions and key parameters. On the other hand, the project applies the reliability concepts discussed to the stand-alone photovoltaic systems, analyzing the reliability of each element of the system and analyzing the entire system. Finally, this document shows the most important data about reliability of some electrification programs, checking the variety of results subject to different places and different conditions. As a conclussion, the importance of reliability of stand-alone photovoltaic systems because usually these are located in remote locations, without qualified maintenance and financial resources.These systems operate under dependence of solar radiation and the consumption profile.

Accelerated life test of high luminosity AlGaInP LEDs

Specific tests to assess reliability of high luminosity AlInGaP LED for outdoor applications are needed. In this paper tests to propose a model involving three parameters: temperature, humidity and current have been carried out. Temperature, humidity and current accelerated model has been proposed to evaluate the reliability of this type of LED. Degradation and catastrophic failure mechanisms have been analyzed. Finally we analyze the effect of serial resistance in power luminosity degradation.

Improved estimation of Weibull Parameters considering unreliability uncertainties

We propose a linear regression method for estimating Weibull parameters from life tests. The method uses stochastic models of the unreliability at each failure instant. As a result, a heteroscedastic regression problem arises that is solved by weighted least squares minimization. The main feature of our method is an innovative s-normalization of the failure data models, to obtain analytic expressions of centers and weights for the regression. The method has been Monte Carlo contrasted with Benard?s approximation, and Maximum Likelihood Estimation; and it has the highest global scores for its robustness, and performance.

Reliability of a 13000-SHS photovoltaic rural electrification programme

In this paper, a reliability analysis of a photovoltaic rural electrification (PVRE) programme is proposed considering the failures in the 13 000 installed Solar Home System (SHS) devices occurring over a long operating period of 5 years. A previous arrangement of the database and a brief explanation of the reliability concepts will serve to introduce the failure distribution of every component, from which the SHS lifetime operating features will be described. An application example will show the usefulness of the obtained results in the forecasting of spare parts during the maintenance period. The conclusions of this study may be useful in the scientific design of PVRE programme maintenance structures, with the goal of shedding some light on the technical management mechanisms in decentralised rural electrification.

Modelización de materiales piezoeléctricos como generadores de energía

En este trabajo se presenta el estudio realizado para determinar los modelos eléctricos equivalentes de materiales de tipo piezoeléctrico, para evaluar su capacidad como elementos generadores de energía eléctrica. Los diferentes modelos desarrollados a partir de los resultados experimentales registrados, se han utilizado para obtener la estructura óptima de elementos semiconductores a utilizar en la etapa de entrada del sistema de generación y acumulación de energía eléctrica, teniendo en cuenta su morfología, tipo de semiconductor a utilizar y número necesario, así como su comportamiento ante una demanda variable de potencia a suministrar.

Cinemómetro piezoeléctrico de alta exactitud (VUAE)

Se ha desarrollado un sistema electrónico computerizado, portátil y de bajo consumo, denominado Medidor de Velocidad de Vehículos por Ultrasonidos de Alta Exactitud, VUAE. La alta exactitud de la medida conseguida en el VUAE hace que pueda servir de medida de referencia de la velocidad de un vehículo circulando en carretera. Por tanto el VUAE puede usarse como medida de referencia que permita estimar el error de los cinemómetros comerciales. El VUAE está compuesto por n (n≥2) parejas de emisores y receptores piezoeléctricos de ultrasonidos, denominados E-Rult. Los emisores de las n parejas E-Rult generan n barreras de ultrasonidos, y los receptores piezoeléctricos captan la señal de los ecos cuando el vehículo atraviesa las barreras. Estos ecos se procesan digitalmente para conseguir señales representativas. Posteriormente, utilizando la técnica de la correlación cruzada de señales, se ha podido estimar con alta exactitud la diferencia de tiempos entre los ecos captados en cada barrera. Con los tiempos entre ecos y con la distancia entre cada una de las n barreras de ultrasonidos se puede realizar una estimación de la velocidad del vehículo con alta exactitud. El VUAE se ha contrastado con un sistema de velocidad de referencia, basado en cables piezoeléctricos. ABSTRACT We have developed a portable computerized and low consumption, our system is called High Accuracy Piezoelectric Kinemometer measurement, herein VUAE. By the high accuracy obtained by VUAE it make able to use the VUAE to obtain references measurements of system for measuring Speeds in Vehicles. Therefore VUAE could be used how reference equipment to estimate the error of installed kinemometers. The VUAE was created with n (n≥2) pairs of ultrasonic transmitter-receiver, herein E-Rult. The transmitters used in the n couples E-Rult generate n ultrasonic barriers and receivers receive the echoes when the vehicle crosses the barriers. Digital processing of the echoes signals let us to obtain acceptable signals. Later, by mean of cross correlation technics is possible make a highly exact estimation of speed of the vehicle. The log of the moments of interception and the distance between each of the n ultrasounds allows for a highly exact estimation of speed of the vehicle. VUAE speed measurements were compared to a speed reference system based on piezoelectric cables.

Preliminary temperature Accelerated Life Test (ALT) on III-V commercial concentrator triple-junction solar cells

A quantitative temperature accelerated life test on sixty GaInP/GaInAs/Ge triple-junction commercial concentrator solar cells is being carried out. The final objective of this experiment is to evaluate the reliability, warranty period, and failure mechanism of high concentration solar cells in a moderate period of time. The acceleration of the degradation is realized by subjecting the solar cells at temperatures markedly higher than the nominal working temperature under a concentrator Three experiments at three different temperatures are necessary in order to obtain the acceleration factor which relates the time at the stress level with the time at nominal working conditions. . However, up to now only the test at the highest temperature has finished. Therefore, we can not provide complete reliability information but we have analyzed the life data and the failure mode of the solar cells inside the climatic chamber at the highest temperature. The failures have been all of them catastrophic. In fact, the solar cells have turned into short circuits. We have fitted the failure distribution to a two parameters Weibull function. The failures are wear-out type. We have observed that the busbar and the surrounding fingers are completely deteriorate

Modeling Piezoelectric Harvesting Materials in Road Traffic Applications.

En esta comunicación se presenta el método para obtener modelos equivalentes eléctricos de materiales piezoeléctricos utilizados en entornos con tráfico vial para aplicaciones "Energy Harvesting". Los resultados experimentales se procesan para determinar la estructura topológica óptima y la tecnología de los elementos semiconductores utilizados en la etapa de entrada del sistema de alimentación "harvesting". Asimismo se presenta el modelo de la fuente de alimentación no regulada bajo demanda variable de corriente. Abstract: The method to obtain electrical equivalent models of piezoelectric materials used in energy harvesting road traffic environment is presented in this paper. The experimental results are processed in order to determine the optimal topological structure and technology of the semiconductor elements used in the input stage of the power harvesting system. The non regulated power supply model under variable current demand is also presented.

Excitación y control de IGBTs de un inversor trifásico sinusoidal

El origen del proyecto se encuentra en la mejora de un inversor trifásico sinusoidal comercial sobre la base del estudio de las técnicas de excitación óptimas para los IGBTs que lo componen en su etapa de potencia. En las primeras fases de planteamiento del proyecto se propone una idea mucho más ambiciosa, la realización de un nuevo convertidor de emergencia, destinado al sector ferroviario, para dar servicio de climatización. Este convertidor está formado por la asociación en cascada de un bloque DC/DC elevador y un bloque inversor DC/AC trifásico controlado mediante PWM con modulación sinusoidal. Se pretendía así dar solución a las siguientes problemáticas detectadas en los convertidores comercializados hasta el momento: un bloque elevador excesivamente sobredimensionado, subsistemas de control independientes para los dos bloques que configuran el convertidor, adicionalmente, la tarjeta driver se rediseña con cada cambio de especificaciones por parte de un nuevo cliente y finalmente, las comunicaciones tanto de diagnosis como de mantenimiento necesitaban una importante actualización. Inicialmente, se ha realizado un estudio teórico de los bloques elevador e inversor para poder realizar el diseño y dimensionamiento de sus componentes tanto semiconductores como electromagnéticos. Una vez completada la parte de potencia, se estudia el control que se realiza mediante medidas directas y simulación tanto de la estrategia de control del elevador como del inversor. Así se obtiene una información completa de la funcionalidad de las tarjetas existentes. Se desea realizar el diseño de una única tarjeta controladora y una única tarjeta de drivers para ambos bloques. Por problemas ajenos, en el transcurso de este proyecto se cancela su realización comercial, con lo que se decide al menos crear la placa de control y poder gobernar un convertidor ya existente, sustituyendo la tarjeta de control del bloque elevador. Para poder fabricar la placa de control se divide en dos tarjetas que irán conectadas en modo sándwich. En una tarjeta está el microcontrolador y en otra está todo el interface necesario para operar con el sistema: entradas y salidas digitales, entradas y salidas analógicas, comunicación CAN, y un pequeño DC/DC comercial que proporciona alimentación al prototipo. Se realiza un pequeño programa funcional para poder manejar el convertidor, el cual con una tensión de 110V DC, proporciona a la salida una tensión de 380V AC. Como ya se ha expuesto, debido a la cancelación del proyecto industrial no se profundiza más en su mejora y se decide proponerlo para su evaluación en su fase actual. ABSTRACT. The beginning of the project is found in the improvement of a commercial sine wave three phase inverter which is based in a study about optimal excitation techniques to IGBTs which compose in the power stage. In the early phases of project it is proposed a much more ambitious idea, the fact of a new emergency converter, proposed for the rail sector to work in an air condition unit. This converter is formed by an association of a block cascaded DC/DC booster and a block DC/AC inverter three-phase controlled by a sine wave modulation PWM. The purposed was to give a solution to following problems detected in commercial converters nowadays: an excessively oversized block boost, independent control subsystems for two blocks that configure the converter. In addition, driver board is redesigned with each specifications change demand it a new customer, and finally, the communications, diagnostic and maintenance that needed a important upgrade. Initially, it has been performed a theoretical study of boost and the inverter blocks to be able to perform the component’s design and the size (semiconductor and electromagnetic fields). Once finished power study, it is analysed the control performed using direct measures and simulation of boost control strategy and inverter. With this it is obtained complete information about existing cards functionality. The project is looking for the design of just one controller card and one drivers´ card for both blocks. By unrelated problems, during the course of this project a commercial realization. So at least its decided to create control board to be able to existing converter, replacing boost block’s control board. To be able to manufacture control board it is divided in two cards connected in sandwiching mode. In a card is microcontroller and in another is all needed interface to operate with the system: digital inputs and outputs, analogical inputs and outputs, CAN communication, and a small DC / DC business that provide power supply to the prototype. It is performed a small functional program to handle the converter, which with an input voltage 110V DC provides an output voltage 380V AC. As already has been exposed, due to industrial project cancellation it is decided no to continue with all improvements and directly to evaluate it in the current phase.