Re-ingegnerizzazione di un cogeneratore solare a concentrazione con lenti di Fresnel

Lo scopo della presente tesi è la riprogettazione di un cogeneratore solare a concetrazione. Dai test sul campo della precedente versione erano emerse criticità costruttive che pregiudicavano la prestazione dell'impianto. Dopo aver calcolato le forze agenti sul cogeneratore, si è andato a disegnare, dimensionare e produrre in officina la nuova versione del cogeneratore.

Performance Modeling of Fresnel-Based CPV Systems: Effects of Deformations under Real Operation Conditions

Getting a lower energy cost has always been a challenge for concentrated photovoltaic. The FK concentrator enhances the performance (efficiency, acceptance angle and manufacturing tolerances) of the conventional CPV system based on a Fresnel primary stage and a secondary lens, while keeping its simplicity and potentially low‐cost manufacturing. At the same time F‐XTP (Fresnel lens+reflective prism), at the first glance has better cost potential but significantly higher sensitivity to manufacturing errors. This work presents comparison of these two approaches applied to two main technologies of Fresnel lens production (PMMA and Silicone on Glass) and effect of standard deformations that occur under real operation conditions

Triple-junction solar cell performance under Fresnel-based concentrators taking into account chromatic aberration and off-axis operation

Concentration photovoltaic (CPV) systems might produce quite uneven irradiance distributions (both on their level and on their spectral distribution) on the solar cell. This effect can be even more evident when the CPV system is slightly off-axis, since they are often designed to assure good uniformity only at normal incidence. The non-uniformities both in absolute irradiance and spectral content produced by the CPV systems, can originate electrical losses in multi-junction solar cells (MJSC). This works is focused on the integration of ray-tracing methods for simulating the irradiance and spectrum maps produced by different optic systems throughout the solar cell surface, with a 3D fully distributed circuit model which simulates the electrical behavior of a state-of-the-art triple-junction solar cell under the different light distributions obtained with ray-tracing. In this study four different CPV system (SILO, XTP, RTP, and FK) comprising Fresnel lenses concentrating sunlight onto the same solar cell are modeled when working on-axis and 0.6 degrees off-axis. In this study the impact of non-uniformities on a CPV system behavior is revealed. The FK outperforms other Fresnel-based CPV systems in both on-axis and off-axis conditions.

Progettazione di un sistema di cogenerazione statica di energia elettrica tramite celle ad effetto Seebeck

Studio di fattibilità di un sistema di cogenerazione termico ed elettrico stand-alone sfruttando il fenomeno dell'effetto Seebeck. In particolare è stata esaminata la sezione di produzione di potenza elettrica. Nella prima parte è trattata l'analisi della tecnologia riguardante i moduli TEG esplicitandone ogni aspetto caratteristico ed è stato inserito un riepilogo delle maggiori sperimentazioni in questo ambito. Nella seconda parte è affrontata la fase di studio preliminare. Sulla base dei dati di progetto ci si è soffermati sui vincoli dimensionali dei componenti direttamente interessati da scambi termodinamici. Nella terza parte è descritta la struttura del prototipo ed è mostrata una analisi economica preliminare di carattere indicativo. I risultati ottenuti mostrano il campo di applicabilità al quale questa soluzione tecnologica deve riferirsi per risultare conveniente.

Progettazione e sperimentazione di un sistema di cogenerazione statica di energia elettrica tramite celle ad effetto Seebeck

Il tema della presente tesi è lo studio di progettazione e sperimentazione di un generatore termoelettrico, privo di parti in movimento, sfruttando il fenomeno dell’effetto Seebeck. La prima parte offre una panoramica introduttiva riguardo i moduli TEG e i loro possibili campi di applicazione. La seconda parte riassume le equazioni fisiche alla base del fenomeno e lo stato dell’arte della generazione termoelettrica, focalizzando l’attenzione sulle caldaie a biomassa. Nella terza parte è analizzato il procedimento progettuale dell’impianto. Partendo da un analisi comparativa di soluzioni esistenti e dall’obbiettivo di ottenere la massima efficienza dei moduli TEG si è arrivati alla determinazione dei vincoli dimensionali dei componenti direttamente interessati da scambi termodinamici. La quarta parte illustra la struttura del prototipo finale dedicato al laboratorio, la sua messa in servizio e il primo collaudo dell’impianto. I risultati ottenuti dai test sono il primo passo verso l’ottimizzazione del generatore termoelettrico che potrà quindi essere studio di un’interessante campagna sperimentale.

Methodology of quantifying curvature of Fresnel lenses and its effect on CPV module performance

Fresnel lenses used as primary optics in concentrating photovoltaic modules may show warping produced by lens manufacturing or module assembly (e.g., stress during molding or weight load) or due to stress during operation (e.g., mismatch of thermal expansion between different materials). To quantify this problem, a simple method called “checkerboard method” is presented. The proposed method identifies shape errors on the front surface of primary lenses by analyzing the Fresnel reflections. This paper also deals with the quantification of the effects these curvatures have on their optical performance and on the electrical performance of concentrating modules incorporating them. This method can be used to perform quality control of Fresnel lenses in scenarios of high volume production.

Ottimizzazione e progettazione di un sistema di cogenerazione statica di energia elettrica tramite celle ad effetto Seebeck

La presente trattazione descrive l’ottimizzazione del prototipo di un generatore termoelettrico da integrare in caldaie a biomassa. La tecnologia termoelettrica consente di generare potenza elettrica a partire da un flusso di calore. Sebbene tale tecnologia presenti caratteristiche di elevata affidabilità e silenziosità, essa richiede ulteriori sforzi tecnologici nella ricerca dell’integrazione ottimale con un impianto termico, ed è inoltre necessaria una progettazione accurata dell’elettronica di controllo. Nella prima sezione del testo vengono descritti i principi fisici alla base di questa tecnologia e le tecniche per la conversione della potenza generata dai moduli termoelettrici (o ad effetto Seebeck) al fine di renderla fruibile da una tipica utenza domestica. Nel secondo capitolo si riporta lo stato dell’arte dell’applicazione della tecnologia termoelettrica in caldaie a biomassa e alcuni casi di implementazione recenti, sottolineando le configurazioni utilizzate, i principali problemi riscontrati nello sviluppo e nella sperimentazione, e le modifiche conseguentemente adottate per superarli. Il terzo capitolo analizza il prototipo sviluppato presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale dell’Università di Bologna e descrive il processo di dimensionamento dei componenti meccanici e le proposte di ottimizzazione a seguito dei risultati dei primi collaudi. Viene infine sviluppato un modello matematico per confrontare, in funzione dei costi di produzione e di esercizio, le possibilità di sostituzione dei metodi di generazione di energia elettrica convenzionali con l’impianto di cogenerazione termoelettrica realizzato, considerando anche aspetti di impatto ambientale. Tali analisi e ottimizzazioni consistono in un primo miglioramento necessario a rendere la tecnologia termoelettrica applicabile alle caldaie a biomassa stand-alone e a permettere una generazione continua di energia elettrica nelle regioni in cui le infrastrutture sono poco affidabili.

Fotovoltaico di terza generazione: celle tandem

Questa tesi ha come argomento lo studio dei dispositivi fotovoltaici, sistemi che trasformano la radiazione solare in energia elettrica. In particolare è stata approfondita l'analisi di una specifica categoria di celle solari, le tandem cells, dispositivi a giunzione multipla in cui la radiazione solare attraversa due o più giunzioni singole caratterizzate da gap energetici differenti, al fine di massimizzarne l'assorbimento. In primo luogo sono state analizzate le caratteristiche della radiazione solare, assimilabile a quella di un Corpo Nero. Successivamente, dopo una presentazione introduttiva dei parametri principali dei dispositivi fotovoltaici, sono state studiate in dettaglio le celle a giunzione singola, sia da un punto di vista elettrico che termodinamico. Infine è stato esposto il funzionamento delle celle tandem, dando particolare risalto alla risposta elettrica e ai limiti di efficienza di questi dispositivi.

Studio di celle fotovoltaiche di terza generazione: celle tandem

Il fotovoltaico (FV) costituisce il modo più diretto di conversione dell’energia solare in energia elettrica e si basa sull’effetto osservato da Becquerel nel 1839. Si può affermare che tale effetto è rimasto una curiosità di laboratorio dalla metà del XIX secolo fino al 1954, quando la prima cella solare in silicio con un’efficienza di conversione del 6% fu costruita ai Laboratori Bell. Da allora la ricerca in questo settore ha sperimentato una crescita costante ed oggi si può contare su tecnologie mature, in grado di sviluppare alte prestazioni in via di ulteriore miglioramento. Le celle tandem costituiscono ora il migliore esempio di dispositivi fotovoltaici in grado di convertire buona parte della potenza irraggiata dal sole. Aumentare l’efficienza con le celle tandem significa sfruttare le differenti lunghezze d’onda dello spettro solare. Questi dispositivi sono infatti costruiti impilando semiconduttori, disponendoli dal basso in modo crescente secondo i loro valori di energia di gap. A partire dall’analisi delle caratteristiche principali della radiazione solare e del principio di funzionamento delle celle fotovoltaiche, questo lavoro si propone di mettere in evidenza le potenzialità della tecnologia a multigiunzione, che ha già dimostrato rilevanti capacità di ottimizzazione delle prestazioni delle celle solari, facendo ben sperare per il futuro.

Freeform Fresnel RXI-RR Köhler design with spectrum-splitting for photovoltaics

The development of a novel optical design for the high concentration photovoltaics (HPCV) nonimaging concentrator (>500x) that utilizes a built-in spectrum splitting concept is presented. The primary optical element (POE) is a flat Fresnel lens and the secondary optical element (SOE) is a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it. The POE and SOE perform Köhler integration to produce light homogenization on the receiver. The system uses a combination of a commercial concentration GaInP/GaInAs/Ge 3J cell and a concentration Back-PointContact (BPC) silicon cell for efficient spectral utilization, and an external confinement technique for recovering the 3J cell’s reflection. A design target of an “equivalent” cell efficiency ~46% is predicted using commercial 39% 3J and 26% Si cells. A projected CPV module efficiency of greater than 38% is achievable at a concentration level greater than 500X with a wide acceptance angle of ±1º. A first proof-of concept receiver prototype has been manufactured using a simpler optical architecture (with a lower concentration, ~100x and lower simulated added efficiency), and experimental measurements have shown up to 39.8% 4J receiver efficiency using a 3J cell with a peak efficiency of 36.9%

Free-form Fresnel RXI-RR Köhler design for high-concentration photovoltaics with spectrum-splitting

Development of a novel HCPV nonimaging concentrator with high concentration (>500x) and built-in spectrum splitting concept is presented. It uses the combination of a commercial concentration GaInP/GaInAs/Ge 3J cell and a concentration Back-Point-Contact (BPC) silicon cell for efficient spectral utilization, and external confinement techniques for recovering the 3J cell's reflection. The primary optical element (POE) is a flat Fresnel lens and the secondary optical element (SOE) is a free-form RXI-type concentrator with a band-pass filter embedded in it - Both the POE and SOE performing Köhler integration to produce light homogenization on the receiver. The band-pass filter transmits the IR photons in the 900-1200 nm band to the silicon cell. A design target of an "equivalent" cell efficiency ~46% is predicted using commercial 39% 3J and 26% Si cells. A projected CPV module efficiency of greater than 38% is achievable at a concentration level larger than 500X with a wide acceptance angle of ±1°. A first proof-of concept receiver prototype has been manufactured using a simpler optical architecture (with a lower concentration, ~100x and lower simulated added efficiency), and experimental measurements have shown up to 39.8% 4J receiver efficiency using a 3J cell with a peak efficiency of 36.9%.

Experimental characterization of Fresnel-Köhler concentrators

Most cost-effective concentrated photovoltaics (CPV) systems are based on an optical train comprising two stages, the first being a Fresnel lens.

The Dome-Shaped Fresnel-Köhler Concentrator

Manufacturing tolerances, along with a high concentration ratio, are key issues in order to obtain cheap CPV systems for mass production. Consequently, this manuscript presents a novel tolerant and cost effective concentrator optic: the domed-shaped Fresnel-Köhler, presenting a curved Fresnel lens as Primary Optical Element (POE). This concentrator is based on two previous successful CPV designs: the FK concentrator, based on a flat Fresnel lens, and the dome-shaped Fresnel lens system developed by Daido Steel, resulting on a superior concentrator. The manuscript shows outstanding simulation results for geometrical concentration factor of Cg? = ?1,230x: high tolerance and high optical efficiency, achieving acceptance angles of 1.18° (dealing to a CAP?=0.72) and efficiencies over 85% (without any anti-reflective coating). Moreover, Köhler integration provides good irradiance uniformity on the cell surface without increasing system complexity by means of any extra element. Daido Steel advanced technique for demolding injected plastic pieces will allow for easy manufacture of the dome-shaped POE of DFK concentrator.

Photovoltaic performance of the dome-shaped Fresnel-Köhler concentrator

In order to have a cost-effective CPV system, two key issues must be ensured: high concentration factor and high tolerance. The novel concentrator we are presenting, the dome-shaped Fresnel-Köhler, can widely fulfill these two and other essential issues in a CPV module. This concentrator is based on two previous successful CPV designs: the FK concentrator with a flat Fresnel lens and the dome-shaped Fresnel lens system developed by Daido Steel, resulting on a superior concentrator. The concentrator has shown outstanding simulation results, achieving an effective concentration-acceptance product (CAP) value of 0.72, and an optical efficiency of 85% on-axis (no anti-reflective coating has been used). Moreover, Köhler integration provides good irradiance uniformity on the cell surface and low spectral aberration of this irradiance. This ensures an optimal performance of the solar cell, maximizing its efficiency. Besides, the dome-shaped FK shows optimal results for very compact designs, especially in the f/0.7-1.0 range. The dome-shaped Fresnel-Köhler concentrator, natural and enhanced evolution of the flat FK concentrator, is a cost-effective CPV optical design, mainly due to its high tolerances. Daido Steel advanced technique for demolding injected plastic pieces will allow for easy manufacture of the dome-shaped POE of DFK concentrator.

Dome-shaped Fresnel-Köhler: a novel high performance optical concentrator

The dome-shaped Fresnel-Köhler concentrator is a novel optical design for photovoltaic applications. It is based on two previous successful CPV optical designs: the FK concentrator with a flat Fresnel lens and the dome-shaped Fresnel lens system developed by Daido Steel, resulting on a superior concentrator. This optical concentrator will be able to achieve large concentration factors, high tolerance (i.e. acceptance angle) and high optical efficiency, three key issues when dealing with photovoltaic applications. Besides, its irradiance is distributed on the cell surface in a very even way. The concentrator has shown outstanding simulation results, achieving an effective concentration-acceptance product (CAP) value of 0.72, on-axis optical efficiency over 85% and good irradiance uniformity on the cell provided by Köhler integration. Furthermore, due to its high tolerance, we will present the dome-shaped Fresnel-Köhler concentrator as a cost-effective CPV optical design. All this makes this concentrator superior to other conventional competitors in the current market.