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.

Ensayos acelerados de fiabilidad de células solares de concentración

SUMMARY Concentration Photovoltaic Systems (CPV) have been proposed as an alternative to conventional systems. During the last years, there has been a boom of the CPV industry caused by the technological progress in all the elements of the system. and mainly caused by the use of multijunction solar cells based on III-V semiconductors, with efficiencies exceeding to 43%. III-V solar cells have been used with high reliability results in a great number of space missions without concentration. However, there are no previous results regarding their reliability in concentration terrestrial applications, where the working conditions are completely different. This lack of experience, together with the important industrial interest, has generated the need to evaluate the reliability of the cells. For this reason, nowadays there are several research centers around the undertaking this task. The evaluation of the reliability of this type of devices by means of accelerated tests is especially problematic when they work at medium or high concentration, because it is practically impossible to emulate real working conditions of the cell inside climatic chambers. In fact, as far as we know, the results that appear in this Thesis are the first estimating the Activation Energy of the failure mechanism involved, as well as the warranty of the III-V concentrator solar cells tested here. To evaluate the reliability of III-V very high concentrator solar cells by means of accelerated tests, a variety of activities, described in this Thesis have been carried out. The First Part of the memory presents the theoretical part of the Doctoral Thesis. After the Introduction, chapter 2 presents the state of the art in degradation and reliability of CPV systems and solar cells. Chapter 3 introduces some reliability definitions and the application of specific statistical functions to the evaluation of the reliability and parameters. From these functions, important parameters will be calculated to be used later in the experimental results of Thesis. The Second Part of the memory contains the experimental. Chapter 4 shows the types of accelerated tests and the main goals pursuit with them when carried out over CPV systems and solar cells. In order to evaluate quantitatively the reliability of the III-V concentrator solar cells used in these tests, some modifications have been introduced which discussion will be tackled here. Based on this analysis the working plan of the tests carried out in this Doctoral Thesis is presented. Chapter 5 presents a new methodology as well as the necessary instrumentation to carry out the tests described here. This new methodology takes into account the adaptation, improvement and novel techniques needed to test concentrator solar cells. The core of this memory is chapter 6, which presents the results of the characterization of the cells during the accelerated life tests and the analysis of the aforementioned results with the purpose of getting quantitative values of reliability in real working conditions. The acceleration factor of the accelerated life tests, under nominal working conditions has been calculated. Accordingly, the validity of the methodology as well as the calculations based on the reliability assessment, have also been demonstrated. Finally, quantitative values of degradation, reliability and warranty of the solar cells under field nominal working conditions have been calculated. With the development of this Doctoral Thesis the reliability of very high concentrator GaAs solar cells of small area has been evaluated. It is very interesting to generalize the procedures described up to this point to III-V multijunction solar cells of greater area. Therefore, chapter 7 develops this generalization and introduces also a useful thermal modeling by means of finite elements of the test cells’ circuits. In the last chapter, the summary of the results and the main contributions of this Thesis are outlined and future research activities are identified. RESUMEN Los Sistemas Fotovoltaicos de Concentración (SFC) han sido propuestos como una alternativa a los sistemas convencionales de generación de energía. Durante los últimos años ha habido un auge de los SFC debido a las mejoras tecnológicas en todos los elementos del sistema, y principalmente por el uso de células multiunión III-V que superan el 43% de rendimiento. Las células solares III-V han sido utilizadas con elevada fiabilidad en aplicaciones espaciales sin concentración, pero no existe experiencia de su fiabilidad en ambiente terrestre a altos niveles de concentración solar. Esta falta de experiencia junto al gran interés industrial ha generado la necesidad de evaluar la fiabilidad de las células, y actualmente hay un significativo número de centros de investigación trabajando en esta área. La evaluación de la fiabilidad de este tipo de dispositivos mediante ensayos acelerados es especialmente problemática cuando trabajan a media o alta concentración por la casi imposibilidad de emular las condiciones de trabajo reales de la célula dentro de cámaras climáticas. De hecho, que sepamos, en los resultados de esta Tesis se evalúa por primera vez la Energía de Activación del mecanismo de fallo de las células, así como la garantía en campo de las células de concentración III-V analizadas. Para evaluar la fiabilidad de células solares III-V de muy alta concentración mediante ensayos de vida acelerada se han realizado diversas actividades que han sido descritas en la memoria de la Tesis. En la Primera Parte de la memoria se presenta la parte teórica de la Tesis Doctoral. Tras la Introducción, en el capítulo 2 se muestra el estado del arte en degradación y fiabilidad de células y Sistemas Fotovoltaicos de Concentración. En el capítulo 3 se exponen de forma resumida las definiciones de fiabilidad y funciones estadísticas que se utilizan para la evaluación de la fiabilidad y sus parámetros, las cuales se emplearán posteriormente en los ensayos descritos en este Tesis. La Segunda Parte de la memoria es experimental. En el capítulo 4 se describen los tipos y objetivos de los ensayos acelerados actualmente aplicados a SFC y a las células, así como las modificaciones necesarias que permitan evaluar cuantitativamente la fiabilidad de las células solares de concentración III-V. En base a este análisis se presenta la planificación de los trabajos realizados en esta Tesis Doctoral. A partir de esta planificación y debido a la necesidad de adaptar, mejorar e innovar las técnicas de ensayos de vida acelerada para una adecuada aplicación a este tipo de dispositivos, en el capítulo 5 se muestra la metodología empleada y la instrumentación necesaria para realizar los ensayos de esta Tesis Doctoral. El núcleo de la memoria es el capítulo 6, en él se presentan los resultados de caracterización de las células durante los ensayos de vida acelerada y el análisis de dichos resultados con el objetivo de obtener valores cuantitativos de fiabilidad en condiciones reales de trabajo. Se calcula el Factor de Aceleración de los ensayos acelerados con respecto a las condiciones nominales de funcionamiento a partir de la Energía de Activación obtenida, y se demuestra la validez de la metodología y cálculos empleados, que son la base de la evaluación de la fiabilidad. Finalmente se calculan valores cuantitativos de degradación, fiabilidad y garantía de las células en condiciones nominales en campo durante toda la vida de la célula. Con el desarrollo de esta Tesis Doctoral se ha evaluado la fiabilidad de células III-V de área pequeña, pero es muy interesante generalizar los procedimientos aquí desarrollados para las células III-V comerciales de área grande. Por este motivo, en el capítulo 7 se analiza dicha generalización, incluyendo el modelado térmico mediante elementos finitos de los circuitos de ensayo de las células. En el último capítulo se realiza un resume del trabajo y las aportaciones realizadas, y se identifican las líneas de trabajo a emprender en el futuro.

Sistema de instrumentação e controle para células a combustível

Este trabajo presenta un estudio sobre el funcionamiento y aplicaciones de las células de combustible de membrana tipo PEM, o de intercambio de protones, alimentadas con hidrógeno puro y oxigeno obtenido de aire comprimido. Una vez evaluado el proceso de dichas células y las variables que intervienen en el mismo, como presión, humedad y temperatura, se presenta una variedad de métodos para la instrumentación de tales variables así como métodos y sistemas para la estabilidad y control de las mismas, en torno a los valores óptimos para una mayor eficacia en el proceso. Tomando como variable principal a controlar la temperatura del proceso, y exponiendo los valores concretos en torno a 80 grados centígrados entre los que debe situarse, es realizado un modelo del proceso de calentamiento y evolución de la temperatura en función de la potencia del calentador resistivo en el dominio de la frecuencia compleja, y a su vez implementado un sistema de medición mediante sensores termopar de tipo K de respuesta casi lineal. La señal medida por los sensores es amplificada de manera diferencial mediante amplificadores de instrumentación INA2126, y es desarrollado un algoritmo de corrección de error de unión fría (error producido por la inclusión de nuevos metales del conector en el efecto termopar). Son incluidos los datos de test referentes al sistema de medición de temperatura , incluyendo las desviaciones o error respecto a los valores ideales de medida. Para la adquisición de datos y implementación de algoritmos de control, es utilizado un PC con el software Labview de National Instruments, que permite una programación intuitiva, versátil y visual, y poder realizar interfaces de usuario gráficas simples. La conexión entre el hardware de instrumentación y control de la célula y el PC se realiza mediante un interface de adquisición de datos USB NI 6800 que cuenta con un amplio número de salidas y entradas analógicas. Una vez digitalizadas las muestras de la señal medida, y corregido el error de unión fría anteriormente apuntado, es implementado en dicho software un controlador de tipo PID ( proporcional-integral-derivativo) , que se presenta como uno de los métodos más adecuados por su simplicidad de programación y su eficacia para el control de este tipo de variables. Para la evaluación del comportamiento del sistema son expuestas simulaciones mediante el software Matlab y Simulink determinando por tanto las mejores estrategias para desarrollar el control PID, así como los posibles resultados del proceso. En cuanto al sistema de calentamiento de los fluidos, es empleado un elemento resistor calentador, cuya potencia es controlada mediante un circuito electrónico compuesto por un detector de cruce por cero de la onda AC de alimentación y un sistema formado por un elemento TRIAC y su circuito de accionamiento. De manera análoga se expone el sistema de instrumentación para la presión de los gases en el circuito, variable que oscila en valores próximos a 3 atmosferas, para ello es empleado un sensor de presión con salida en corriente mediante bucle 4-20 mA, y un convertidor simple corriente a tensión para la entrada al sistema de adquisición de datos. Consecuentemente se presenta el esquema y componentes necesarios para la canalización, calentamiento y humidificación de los gases empleados en el proceso así como la situación de los sensores y actuadores. Por último el trabajo expone la relación de algoritmos desarrollados y un apéndice con información relativa al software Labview. ABTRACT This document presents a study about the operation and applications of PEM fuel cells (Proton exchange membrane fuel cells), fed with pure hydrogen and oxygen obtained from compressed air. Having evaluated the process of these cells and the variables involved on it, such as pressure, humidity and temperature, there is a variety of methods for implementing their control and to set up them around optimal values for greater efficiency in the process. Taking as primary process variable the temperature, and exposing its correct values around 80 degrees centigrade, between which must be placed, is carried out a model of the heating process and the temperature evolution related with the resistive heater power on the complex frequency domain, and is implemented a measuring system with thermocouple sensor type K performing a almost linear response. The differential signal measured by the sensor is amplified through INA2126 instrumentation amplifiers, and is developed a cold junction error correction algorithm (error produced by the inclusion of additional metals of connectors on the thermocouple effect). Data from the test concerning the temperature measurement system are included , including deviations or error regarding the ideal values of measurement. For data acquisition and implementation of control algorithms, is used a PC with LabVIEW software from National Instruments, which makes programming intuitive, versatile, visual, and useful to perform simple user interfaces. The connection between the instrumentation and control hardware of the cell and the PC interface is via a USB data acquisition NI 6800 that has a large number of analog inputs and outputs. Once stored the samples of the measured signal, and correct the error noted above junction, is implemented a software controller PID (proportional-integral-derivative), which is presented as one of the best methods for their programming simplicity and effectiveness for the control of such variables. To evaluate the performance of the system are presented simulations using Matlab and Simulink software thereby determining the best strategies to develop PID control, and possible outcomes of the process. As fluid heating system, is employed a heater resistor element whose power is controlled by an electronic circuit comprising a zero crossing detector of the AC power wave and a system consisting of a Triac and its drive circuit. As made with temperature variable it is developed an instrumentation system for gas pressure in the circuit, variable ranging in values around 3 atmospheres, it is employed a pressure sensor with a current output via 4-20 mA loop, and a single current to voltage converter to adequate the input to the data acquisition system. Consequently is developed the scheme and components needed for circulation, heating and humidification of the gases used in the process as well as the location of sensors and actuators. Finally the document presents the list of algorithms and an appendix with information about Labview software.

Sistema de medida de mapa de electroluminiscencia para células solares de concentración

En este Trabajo Fin de Master se desarrolla una aplicación basada en Labview diseñada para la adquisición automática de mapas de electroluminiscencia de células solares en general y células solares multiunión de concentración como caso particular, para diferentes condiciones de polarización. Este sistema permitirá la adquisición de mapas de electroluminescencia de cada una de las sub-células de una célula multiunión. Las variaciones espaciales en la intensidad de electroluminescencia medida podrán ser analizadas y correlacionadas con defectos de distintos tipos en la estructura semiconductora o en los contactos metálicos que forman el dispositivo de célula solar. En la parte teórica se presenta el estado del arte referente a la caracterización de células solares basada en la técnica de electroluminiscencia, así como los antecedentes del Instituto de Energía Solar (IES) referidos a este tema. Para el desarrollo de la parte práctica ha sido necesario diseñar dos drivers en Labview. El primer driver controla una fuente-medidor, que inyecta corriente a la célula solar y recoge datos de la tensión asociada. El segundo driver se utiliza para controlar y automatizar el proceso de adquisición, mediante sensor CCD, de la imagen electroluminiscente de la célula solar sometida a unas condiciones de polarización determinadas. Estos drivers se incluyen dentro de la aplicación final desarrollada, que ofrece al usuario una interfaz para la aplicación de diferentes condiciones de polarización a la célula solar y la adquisición de los mapas de electroluminescencia. La utilización de este sistema es fundamental en los estudios de degradación de células solares que se llevan a cabo actualmente en el Instituto de Energía Solar. De hecho, en este Trabajo Fin de Máster se han realizado las primeras medidas al respecto, cuyos resultados se presentan en la parte final de esta memoria. SUMMARY. This Master Final Project develops a Labview application designed to perform the automatic acquisition of solar cell electroluminescence maps in general, and concentrator multijunction solar cells as a special case, under forward biased conditions. This system allows the acquisition of electroluminescence maps of each of the sub-cells in a multijunction cell. The spatial variations in the intensity of the electroluminescence measured can be analyzed and correlated with defects in the semiconductor structure or in the metal contacts of the solar cell. In the theory section of this memory, the state of the art of the electroluminescence-based characterization techniques for solar cells is presented, and the previous work carried out at I.E.S. is summarized. For the development of the practice part it has been necessary to design two drivers using Labview software. The first driver handles the source-meter injecting current in the solar cell and measuring voltage between its terminals. The second driver is used to handle and automate the acquisition of the solar cell electroluminescence image under forward biased conditions, using a CCD sensor. These drivers are included in the final application, which offers the user an interface to apply different bias conditions to the solar cell and for the acquisition of electroluminescence maps. The use of this system is essential in the studies of degradation of solar cells which is currently underway at the I.E.S. – U.P.M. In this Master Final Project the results of the first measurements are carried out which are presented in the final part of this memory.

Fenómenos no lineales y caóticos en células lógicas

El objetivo del presente trabajo es el de presentar la situación actual de las posibles relaciones entre los comportamientos de las células lógicas, empleadas en Computación Óptica, y algunos comportamientos no lineales obtenidos en sistemas complejos. Como se mostrará, las arquitecturas empleadas en sistemas de cálculo, y más en concreto, las unidades básicas de que están compuestas, pueden dar lugar a situaciones no previstas de antemano y, como consecuencia, generar procesos ajenos a los inicialmente previstos. En concreto se mostrará como de una célula lógica, pueden obtenerse comportamientos caóticos. Este estudio se extenderá al análisis de redes neuronales biológicas y a su posible modelización con las anteriores técnicas. Como caso concreto de estudio se ofrecerá una simulación de la retina de los vertebrados, obtenida mediante las células lógicas presentadas anteriormente.

Construcción y puesta a punto de un equipo para prueba del estrés termo-mecánico de células solares de concentración

El ciclo térmico natural de la célula y receptores en módulos CPV (Concentrated PhotoVoltaic) es considerado un punto débil en la operación de campo real de estos dispositivos, así como la fluctuación entre valores altos y bajos de niveles de irradiancia incidente en la célula, comúnmente causadas por nubes, produce un estrés termo-mecánico que puede ser motivo de fallo. La normativa IEC 6218 ha tenido en cuenta esta serie de problemas a la hora de diseñar una norma de calificación y homologación para módulos CPV. En concreto, este proyecto se va a basar en el test denominado "Thermal cycling test" que realiza un ciclo térmico en la base de la célula mientras se le inyectan pulsos de corriente. Sin embargo, este método produce un nivel de estrés un 50% menor que el estrés real en condiciones nominales. En este proyecto se diseña e implementa la máquina LYSS (Light cYcling Stress Source) que trata de realizar dos tipos de ciclos basados en el definido en la IEC 62108 con la variación de utilizar pulsos de luz directa a muy alta irradiancia focalizada en la parte activa de la célula en lugar de los pulsos de corriente mencionados. Con este método se pretende acelerar el proceso de degradación en la célula de manera que en tan solo 2 meses se pueda producir la misma que en 30 años de vida útil de la célula. En el primer tipo de ciclo la temperatura permanece constante durante la ejecución de los pulsos de luz y, en el segundo se realiza un ciclo térmico que varía entre una temperatura mínima y otra máxima durante estos pulsos. Además, se establece un criterio de fallo basado en la estimación de la resistencia serie de la célula a partir de los valores de su curva característica IV en condiciones de oscuridad. La metodología del proyecto realizado consiste en realizar un estudio detallado para identificar los componentes necesarios para construir la máquina, adquirirlos, llevar a cabo el montaje de éstos para que la máquina pueda implementar los ciclos diseñados, realizar los experimentos necesarios para caracterizar los diferentes dispositivos que componen la máquina, programar una aplicación de control, monitorización y adquisición de datos que comande la máquina, realizar una serie de pruebas basadas en uno de los ciclos térmico-luminosos diseñados a receptores solares de concentración reales y, por último, observar la degradación que se pudiera producirse en ésta conforme aumenta el número de ciclos realizados analizando su curva IV en condiciones de oscuridad y obteniendo conclusiones sobre la fiabilidad de la célula y/o el receptor CPV.

Células solares de banda intermedia

Las células solares de banda intermedia se inventaron en España. Constituyen una propuesta para aumentar la eficiencia de las células solares por encima del límite de Shockley y Queisser para células de un solo gap. El número de ideas para llevarlas a la práctica (desde la utilización de puntos cuánticos a la implantación selectiva de impurezas) se ha ido expandiendo a medida que nuestra comprensión ha ido aumentando. En este artículo repasamos el concepto de célula solar de banda intermedia y algunas de estas ideas para llevarla a la práctica.

Desarrollo de un procedimiento para la observación y caracterización mecánica de células sobre sustratos opacos mediante microscopía de fuerzas atómicas : aplicación al estudio de linfocitos

Las células en los tejidos biológicos están continuamente sometidas a estímulos físicos tales como la presión hidrostática y esfuerzos de tracción, compresión o cortante, entre otros. La importancia de los estímulos mecánicos en el comportamiento de las células se ha reconocido recientemente al comprobarse cómo la naturaleza de estas fuerzas puede cambiar en patologías tales como las enfermedades vasculares o el cáncer. En respuesta a estos cambios, las células reaccionan modificando desde su forma o aspecto hasta su ciclo celular. Consecuentemente, el interés por el comportamiento mecánico de las células ha experimentado un auge creciente que ha requerido el desarrollo de varias técnicas de caracterización. En este contexto, se puede afirmar que una de las técnicas que ha irrumpido con más fuerza en esta nueva área, situada entre el mundo biológico y el físico, es la microscopía de fuerza atómica. En esta Tesis se ha abordado el estudio mediante microscopía de fuerza atómica de linfocitos de ratón que constituyen un linaje celular especialmente difícil de caracterizar mediante esta técnica por su tamaño y naturaleza no adherente. Los linfocitos, como actores fundamentales del sistema inmune, tienen gran importancia en la determinación de la respuesta que un organismo desencadena ante la presencia de un biomaterial. Bajo esta premisa, y como condición previa a la caracterización de los linfocitos, ha sido necesario el desarrollo de una metodología robusta y de amplia aplicabilidad que permita el estudio de células sobre biomateriales. Finalmente y con el objetivo de correlacionar el comportamiento mecánico de los linfocitos con alguna característica fisiológica relevante, se ha analizado la hipótesis de que el comportamiento mecánico pueda ser utilizado como marcador de la edad biológica. Consecuentemente se ha abordado el estudio del comportamiento mecánico de los linfocitos clasificados por grupos de edad, de manera que se han obtenido los primeros resultados que indican cómo puede manifestarse el proceso de inmunosenescencia -depresión del sistema inmune relacionada con el envejecimiento- en el comportamiento mecánico de las células del sistema inmune. Cells within tissues are continuously exposed to physical forces including hydrostatic pressure, shear stress, and compression and tension forces. The relevance of these mechanical stimuli has recently been recognised by different works in which significant changes were observed in these forces when they were measued in individuals affected by cardiovasvular diseases or cancer. Cells may alter their orientation, shape, internal constitution, contract, migrate, adhere, modify the synthesis and degradation of extracellular constituents, or even their life cycle in response to perturbations in their mechanical environment. As a consequence of this, the attention in cell mechanical behavior has undergone a significant thrust and novel techniques have been developed. In this context, atomic force microscopy has become a basic tool for the progress of this field. In this Thesis, the mechanical behavior of living murine T-lymphocytes was assessed by atomic force microscopy. Lymphocytes play a main role in the immune system of the individual and, consequently, in the immune response triggered by the presence of a biomaterial. The observation and characterization of the lymphocytes required the development of a robust experimental procedure that allowed overcoming the difficulties related to the analysis of this cell lineage, in particular their relatively large size and non-adherent character. These procedures could be easily transferred to other non-adherent cell lineages. Finally, to check the viability of developed method, we study the lymphocyte mechanical behavior as a function of the murine ageing. The obtained data represent a first step in the knowledge about how mechanical stimuli can affect the age-dependent decrease in immunological competence, i.e., the immunosenescence.