Research on intermediate band solar cells and development of experimental techniques for their characterization under concentrated illumination

Abstract This work is a contribution to the research and development of the intermediate band solar cell (IBSC), a high efficiency photovoltaic concept that features the advantages of both low and high bandgap solar cells. The resemblance with a low bandgap solar cell comes from the fact that the IBSC hosts an electronic energy band -the intermediate band (IB)- within the semiconductor bandgap. This IB allows the collection of sub-bandgap energy photons by means of two-step photon absorption processes, from the valence band (VB) to the IB and from there to the conduction band (CB). The exploitation of these low energy photons implies a more efficient use of the solar spectrum. The resemblance of the IBSC with a high bandgap solar cell is related to the preservation of the voltage: the open-circuit voltage (VOC) of an IBSC is not limited by any of the sub-bandgaps (involving the IB), but only by the fundamental bandgap (defined from the VB to the CB). Nevertheless, the presence of the IB allows new paths for electronic recombination and the performance of the IBSC is degraded at 1 sun operation conditions. A theoretical argument is presented regarding the need for the use of concentrated illumination in order to circumvent the degradation of the voltage derived from the increase in the recombi¬nation. This theory is supported by the experimental verification carried out with our novel characterization technique consisting of the acquisition of photogenerated current (IL)-VOC pairs under low temperature and concentrated light. Besides, at this stage of the IBSC research, several new IB materials are being engineered and our novel character¬ization tool can be very useful to provide feedback on their capability to perform as real IBSCs, verifying or disregarding the fulfillment of the “voltage preservation” principle. An analytical model has also been developed to assess the potential of quantum-dot (QD)-IBSCs. It is based on the calculation of band alignment of III-V alloyed heterojunc-tions, the estimation of the confined energy levels in a QD and the calculation of the de¬tailed balance efficiency. Several potentially useful QD materials have been identified, such as InAs/AlxGa1-xAs, InAs/GaxIn1-xP, InAs1-yNy/AlAsxSb1-x or InAs1-zNz/Alx[GayIn1-y]1-xP. Finally, a model for the analysis of the series resistance of a concentrator solar cell has also been developed to design and fabricate IBSCs adapted to 1,000 suns. Resumen Este trabajo contribuye a la investigación y al desarrollo de la célula solar de banda intermedia (IBSC), un concepto fotovoltaico de alta eficiencia que auna las ventajas de una célula solar de bajo y de alto gap. La IBSC se parece a una célula solar de bajo gap (o banda prohibida) en que la IBSC alberga una banda de energía -la banda intermedia (IB)-en el seno de la banda prohibida. Esta IB permite colectar fotones de energía inferior a la banda prohibida por medio de procesos de absorción de fotones en dos pasos, de la banda de valencia (VB) a la IB y de allí a la banda de conducción (CB). El aprovechamiento de estos fotones de baja energía conlleva un empleo más eficiente del espectro solar. La semejanza antre la IBSC y una célula solar de alto gap está relacionada con la preservación del voltaje: la tensión de circuito abierto (Vbc) de una IBSC no está limitada por ninguna de las fracciones en las que la IB divide a la banda prohibida, sino que está únicamente limitada por el ancho de banda fundamental del semiconductor (definido entre VB y CB). No obstante, la presencia de la IB posibilita nuevos caminos de recombinación electrónica, lo cual degrada el rendimiento de la IBSC a 1 sol. Este trabajo argumenta de forma teórica la necesidad de emplear luz concentrada para evitar compensar el aumento de la recom¬binación de la IBSC y evitar la degradación del voltage. Lo anterior se ha verificado experimentalmente por medio de nuestra novedosa técnica de caracterización consistente en la adquisicin de pares de corriente fotogenerada (IL)-VOG en concentración y a baja temperatura. En esta etapa de la investigación, se están desarrollando nuevos materiales de IB y nuestra herramienta de caracterizacin está siendo empleada para realimentar el proceso de fabricación, comprobando si los materiales tienen capacidad para operar como verdaderas IBSCs por medio de la verificación del principio de preservación del voltaje. También se ha desarrollado un modelo analítico para evaluar el potencial de IBSCs de puntos cuánticos. Dicho modelo está basado en el cálculo del alineamiento de bandas de energía en heterouniones de aleaciones de materiales III-V, en la estimación de la energía de los niveles confinados en un QD y en el cálculo de la eficiencia de balance detallado. Este modelo ha permitido identificar varios materiales de QDs potencialmente útiles como InAs/AlxGai_xAs, InAs/GaxIni_xP, InAsi_yNy/AlAsxSbi_x ó InAsi_zNz/Alx[GayIni_y]i_xP. Finalmente, también se ha desarrollado un modelado teórico para el análisis de la resistencia serie de una célula solar de concentración. Gracias a dicho modelo se han diseñado y fabricado IBSCs adaptadas a 1.000 soles.

Caracterización y modelado de grandes centrales fotovoltaicas

La presente tesis doctoral propone un conjunto de ensayos de corta duración destinados a cubrir la ausencia de estándares internacionales específicamente adaptados a la tecnología y al panorama fotovoltaico actual que indiquen como realizar los procedimientos de control de calidad para comprobar que las grandes centrales fotovoltaicas ejecutadas responden a las expectativas establecidas durante la fase de proyecto. Dichos ensayos buscan, desde el punto de vista estrictamente técnico, obtener en un corto periodo de tiempo (típicamente una semana) resultados altamente repetitivos y representativos del comportamiento de la instalación bajo análisis, a la vez que minimizar al máximo la incertidumbre global, aspectos fundamentales para los procedimientos de control general de la calidad de una central. Los ensayos propuestos comprueban tanto el comportamiento general de la central, en términos de su capacidad de producción energética, como el de sus principales componentes, generadores fotovoltaicos e inversores, en términos de potencia máxima y eficiencia, respectivamente. También se aconseja una revisión de la calidad y seguridad de la instalación y de los materiales empleados en la ejecución de la central para evitar un envejecimiento prematuro de los mismos. Todos los ensayos recogidos en el texto se apoyan en la experiencia recopilada por el “Grupo de Sistemas Fotovoltaicos del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid”, que ha estado involucrado en procedimientos de control de calidad de unas 50 centrales fotovoltaicas, con una potencia acumulada cercana a 250 MW, la mayoría de ellas instaladas en España. ABSTRACT This PhD thesis proposes a set of short-duration tests to establish quality control procedures to ensure that large photovoltaic plants fulfil the initial expectations. The motivation for this work is the lack of international standards specifically adapted to the present photovoltaic technology and its state of the art. From a strict technical point of view, these tests seek to obtain highly repetitive and representative results about the behaviour of the installation under study in a short period of time (typically one single week); and to minimize the global uncertainty. These are the two keys aspects required in quality control procedures. The proposed tests evaluate the general behaviour of the photovoltaic plants, in terms of energy production, as well as the particular behaviour of their main devices, photovoltaic arrays and inverters, in terms of maximum power and efficiency, respectively. A review of the installation quality and safety, and the employed materials in its execution to avoid premature aging is also recommended. The tests here presented are based on the experience accumulated by the “Grupo de Sistemas Fotovoltaicos del Instituto de Energia Solar de la Universidad Politecnica de Madrid”. This group has been involved in quality control procedures of about 50 photovoltaic plants, with an accumulated power close to 250 MW, most of them installed in Spain.

Alternativas de ensayo de potencia sobre grandes generadores fotovoltaicos

Este artículo presenta diferentes alternativas de ensayo para caracterizar en campo grandes generadores fotovoltaicos. Las medidas de curvas I-V con trazadores electrónicos, previa desconexión de la planta, son rápidas y permiten detectar anomalías del generador fotovoltaico como puntos calientes, polarización y sombreados. Sin embargo, la medida de potencia correspondiente engloba demasiada incertidumbre como para ser tomada en cuenta contractualmente. Las medidas de potencia continua usando un vatímetro, tomadas de manera simultánea al funcionamiento normal de la planta, proporcionan mayor precisiónen los resultados, especialmente si se siguen algunas precauciones para disminuir la incertidumbre. Los resultados presentados proceden de los ensayos efectuados en unas 50 centrales fotovoltaicas comerciales, representativas de una potencia cercana a 250 MW.

Fiabilidad y costes de mantenimiento en un programa de electrificación rural de 13.000 solar home systems

La electrificación rural fotovoltaica ha experimentado últimamente un salto de escala tanto en la dimensión de sus programas como en sus sistemas de gestión. Garantizar la calidad técnica ya no se reduce solamente a la fase de diseño e instalación, sino también a la de operación y mantenimiento. El presente trabajo trata de caracterizar la fase de operación del programa de electrificación rural fotovoltaico de Marruecos sobre el cual se ha llevado a cabo un exhaustivo estudio de fiabilidad de los distintos componentes que integran los sistemas solares (SHS), así como una evaluación de los costes unitarios ligados al mantenimiento, analizando su impacto en la estructura general de costes del programa. Los resultados van dirigidos hacia la caracterización de un modelo de la estructura de mantenimiento que logre asegurar la sostenibilidad de este tipo de programas.

Banco de ensayos para el control de calidad de paneles solares fotovoltaicos

El objetivo principal del presente Proyecto Fin de Carrera es el de dotar a la Escuela Universitaria de Ingenieros Técnicos de Telecomunicación – Universidad Politécnica de Madrid (EUITT-UPM) de un banco de medida donde poder caracterizar los módulos fotovoltaicos en condiciones reales de operación. Es necesario comprobar el funcionamiento de los módulos para asegurarse de que está acorde a lo indicado en las especificaciones anunciadas por los fabricantes. A lo largo del texto daremos una introducción al concepto de energía solar fotovoltaica y una descripción de los sistemas tanto aislados como los conectados a la red eléctrica de distribución. Hablaremos sobre el fenómeno fotovoltaico y describiremos los módulos fotovoltaicos para ver las partes de las que está compuesto un módulo. Finalmente nos centraremos en el banco de ensayo y acabaremos explicando el caso práctico realizado en la EUITT. A través de la medida de la curva I-V del módulo fotovoltaico en condiciones reales de operación y la extrapolación de los resultados obtenidos a las Condiciones Estándar de Medida (CEM) comprobaremos lo que se ajustan los valores dados por los fabricantes de los módulos solares. ABSTRACT. The main aim of this project is to provide the EUITT-UPM a measure workbench to characterize photovoltaic (PV) modules in real test conditions (RTC). It is necessary to check the PV modules operations to assure that its characteristics are close to the ones given by the manufacturers. I will introduce the concept of photovoltaic solar energy and describe remote systems as well as network-connected systems. I will talk about the photovoltaic phenomenon and describe the PV modules in order to know the parts making up a module. Finally, I shall describe the measure workbench explaining the practical case carried out at the university. By measuring the I-V curve of PV modules in real test conditions and the later extrapolation of the results to the standard test conditions (STC), manufacturers’ data can be compared to the data obtained within this study.

Concentración fotovoltaica

En la última década, la electricidad de origen fotovoltaico ha experimentado un enorme crecimiento a razón de gigavatio por año, demostrando de este modo su potencial para convertirse en una fuente importante de generación eléctrica. Grosso modo, el 85% de la capacidad instalada está basada en células de silicio cristalino, ya que es la tecnología fotovoltaica más desarrollada, con eficiencias de células comerciales alrededor del 17% y que ha demostrado su buen funcionamiento en campo durante más de veinticinco años. Debido a estos altos valores de eficiencia, las células de silicio presentan poco margen de mejora, por lo que a la hora de reducir el precio de la electricidad generada con esta tecnología, sólo se puede optar por intentar reducir sus costes de producción. Por ello, con el fin de lograr el objetivo de que en las próximas décadas la electricidad fotovoltaica suponga un porcentaje significativo del suministro eléctrico (del 25% o superior), las células de lámina delgada y las de concentración competirán con las células de silicio cristalino por lograr los precios de generación eléctrica más bajos.

Caracterización en campo de grandes generadores fotovoltaicos

Las medidas de curvas I-V con trazadores electrónicos, previa desconexión de la planta, son rápidas y permiten de tectar anomalías del generador fotovoltaico como puntos calientes, polarización y sombreados. Sin embargo, la medida de potencia correspondiente engloba demasiada incertidumbre como para ser tomada en cuenta contractualmente. Las medidas de potencia continua usando un vatímetro, tomadas de manera simultánea al funcionamiento normal de la planta, proporcionan mayor precisión en los resultados, especialmente si se siguen algunas precauciones para disminuir la incertidumbre. Los resultados presentados proceden de los ensayos efectuados en unas 50 centrales fotovoltaicas comerciales, representativas de una potencia cercana a 250 MW.

Alternativas de ensayo de potencia sobre grandes generadores fotovoltaicos

Este artículo presenta diferentes alternativas de ensayo para caracterizar en campo grandes generadores fotovoltaicos. Las medidas de curvas I-V con trazadores electrónicos, previa desconexión de la planta, son rápidas y permiten detectar anomalías del generador fotovoltaico como puntos calientes, polarización y sombreados. Sin embargo, la medida de potencia correspondiente engloba demasiada incertidumbre como para ser tomada en cuenta contractualmente. Las medidas de potencia continua usando un vatímetro, tomadas de manera simultánea al funcionamiento normal de la planta, proporcionan mayor precisión en los resultados, especialmente si se siguen algunas precauciones para disminuir la incertidumbre. Los resultados presentados proceden de los ensayos efectuados en unas 50 centrales fotovoltaicas comerciales, representativas de una potencia cercana a 250 MW.

Contribución a integración de sistemas fotovoltaicos conectados a la red: recurso solar y predicción de la generación

En los últimos años se ha producido un aumento constante en la potencia fotovoltaica instalada a nivel mundial. Este crecimiento, acompañado de crecimientos similares en el resto de energías renovables, está motivado por la necesidad de dar respuesta a varios de los retos que planteados al sector energético: creciente preocupación por los efectos en el medioambiente de las emisiones de gases de efecto invernadero, entre los que cabe destacar el cambio climático (IPCC 2011); el inevitable agotamiento de algunas fuentes tradicionales de energía eléctrica, basadas en combustibles fósiles, que llevara aparejado en las próximas décadas un aumento en el coste asociado a producir energía eléctrica mediante estas fuentes como indican Bentley (2002), Gori (2007), Kjastard (2009), Owen (2010) y Hughes (2011), y la necesidad para algunos países de asegurar su independencia energética, factor especialmente crítico para los países europeos debido a su escasez en reservas naturales de combustibles fósiles. La energía solar fotovoltaica, al igual que el resto de energías renovables, proporciona energía eléctrica de manera limpia y segura y plantea soluciones a los problemas mencionados. Asimismo, las energías renovables también presentan beneficios sociales como la creación de empleo cualificado en actividades de ingeniería, fabricación, instalación y mantenimiento, así como en la investigación, desarrollo e innovación. Es por estos motivos que las energías renovables se han visto beneficiadas a lo largo de las últimas décadas de mecanismos favorables, subvenciones y primas a la producción, conducentes a su implantación y desarrollo. La Figura 1.1 muestra la evolución de la potencia total instalada a nivel mundial y su tasa de crecimiento del 2000 al 2012, de acuerdo con datos proporcionados por la Agencia Internacional de la Energía: IEA (2012a, 2013). Los datos incluidos en la Figura 1.1 solo incluyen a los países que pertenecen a la Agencia Internacional de la Energía: Alemania, Australia, Austria, Bélgica, Canadá, China, Corea, Dinamarca, España, Estados Unidos, Finlandia, Francia, Holanda, Israel, Italia, Japón, Malasia, México, Noruega, Portugal, Reino Unido, Suecia, Suiza y Turquía. La potencia instalada muestra un crecimiento de tipo exponencial, incrementándose cada año un 41,6% de media. A los 88,5 GWP de potencia fotovoltaica instalada en todos los países miembros de la IEA a finales de 2012 habría que añadir, siempre según la IEA (2013), 7 GWP adicionales repartidos en seis países que no pertenecen a este organismo: Republica Checa, Grecia, Bulgaria, Eslovaquia, Ucrania y Tailandia. Esta tendencia en la tasa de crecimiento se mantiene incluso en los últimos años del periodo cuando varios países han reducido los incentivos a las energías renovables. Como consecuencia de este crecimiento en algunos países la proporción de energía eléctrica total de origen fotovoltaico empieza a ser apreciable. Para los casos de España, Alemania e Italia, el porcentaje de energía eléctrica final producida sistemas fotovoltaicos conectados a la red (SFCR) fue, respectivamente, de 3,1% y 4,7% en 2012 y de 3,1% en 2011 en Italia. La potencia instalada, la energía producida y la demanda total en estos países desde el año 2006 al 2012, de acuerdo con REE (2012, 2012, 2013), BMU (2013) y TERNA (2013), se recoge en la Tabla 1.1. Para el caso de Italia se incluyen únicamente datos hasta el año 2011 por no encontrarse disponibles datos para 2012. A medida que el nivel de penetración de la energía solar fotovoltaica en los sistemas eléctricos aumenta la necesidad de que este tipo de energía se integre de manera efectiva en dichos sistemas aumenta. La integración efectiva de un generador en el sistema eléctrico requiere que su producción sea conocida de antemano para poder incluirlo en la planificación del sistema eléctrico con el objetivo de que la producción programada para los distintos generadores iguale a la demanda esperada. Esta planificación del sistema eléctrico se suele hacer a escala diaria. Asimismo, además de equilibrar la generación con la demanda esperada un generador eléctrico debe ser capaz de proporcionar servicios auxiliares al sistema eléctrico como compensación de desequilibrios entre generación y consumo, regulación de tensión o inyección de potencia reactiva, entre otros. Por ejemplo, los sistemas fotovoltaicos cuya potencia sea superior a 2 MWP deben contribuir en España desde el 2010 a garantizar la continuidad del suministro eléctrico frente a huecos de tensión (España, 2010), aplicándose a estos sistemas fotovoltaicos el mismo procedimiento de operación – PO 12.3, REE(2006) – que ya se aplicó en su día a los generadores eólicos (España, 2007). La energía fotovoltaica, junto a otras energías renovables como la eólica, ha sido considerada tradicionalmente una fuente de energía no regulable. En consecuencia, no ha sido tenida en cuenta por los operadores de los sistemas eléctricos como una fuente de energía fiable. Esta consideración de la fotovoltaica como fuente de energía no fiable se debe a su dependencia de las condiciones meteorológicas, radiación y temperatura, para producir energía. Si la producción de un sistema fotovoltaico pudiese conocerse con exactitud y con la suficiente antelación se facilitaría su integración en los sistemas eléctricos. Sin embargo, la mera predicción de cuanta energía producirá un sistema fotovoltaico, aun cuando esta predicción se haga sin error, puede no ser suficiente; la energía producida por el sistema fotovoltaico sigue estando limitada por las condiciones meteorológicas y no es posible regular esta producción de energía. Como ya se ha comentado, la capacidad por parte de un generador eléctrico de regular su potencia de salida, tanto anticipadamente como en tiempo real, es crucial a la hora de su integración en el sistema eléctrico.

Electrificación rural fotovoltaica "Solar Home Systems". Fiabilidad y costes de mantenimiento

La electrificación rural fotovoltaica ha experimentado últimamente un salto de escala tanto en la dimensión de sus programas como en sus sistemas de gestión. Garantizar la calidad técnica ya no se reduce solamente a la fase de dise~o e instalación, sino también a la de operación y mantenimiento. El estudio del Instituto de Energfa Solar de la Universidad Politécnica de Madrid trata de caracterizar la fase de ope ración del programa de electrificación rural fotovoltaico de Marruecos sobre el cual se ha llevado a cabo un exhaustivo estudio de fiabilidad de los distintos componentes que integran los denominados Solar Heme 5ysrems (SHS). Ase como una evaluación de los costes unitarios ligados al mantenimiento, analizando su impacto en la estructura general de costes del programa. Los resultados van dirigidos hacia la caracterización de un modelo de la estructura de mantenimiento que logre asegurar la sostenibilidad de este tipo de programas energéticos.

Calculation of the spatial distribution of photovoltaic field by arbitrary 2D ilumination patterns en LiNbO3; application to photovoltaic particle trapping.

Patterns of evanescent photovoltaic field induced by illumination on a surface of lithium niobate (LN) have been calculated and compared with the experimental patterns of nano- and microparticles trapped by dielectrophoretic forces. A tool for this calculation has been developed. Calculo de distribución espacial de campo por efecto fotovoltaico con patrones arbitrarios de iluminación, en LiNbO3

New concepts and techniques for the development of high-efficiency concentrating photovoltaic modules

El interés por los sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV) ha resurgido en los últimos años amparado por el desarrollo de células multiunión de muy alta eficiencia basadas en semiconductores de los grupos III-V. Estas células han permitido obtener módulos de concentración con eficiencias que prácticamente duplican las del panel plano y que llegan al 35% en los módulos récord. Esta tesis está dedicada al diseño y la implementación experimental de nuevos conceptos que permitan obtener módulos CPV que no sólo alcancen una eficiencia alta en condiciones estándar sino que, además, sean lo suficientemente tolerantes a errores de montaje, seguimiento, temperatura y variaciones espectrales para que la energía que producen a lo largo del año sea máxima. Una de las primeras cuestiones que se abordan es el diseño de elementos ópticos secundarios para sistemas cuyo primario es una lente de Fresnel y que permiten, para una concentración fija, aumentar el ángulo de aceptancia y la tolerancia del sistema. Varios secundarios reflexivos y refractivos han sido diseñados y analizados mediante trazado de rayos. En particular, utilizando óptica anidólica y basándose en el diseño de una sola etapa conocido como ‘concentrador dieléctrico que funciona por reflexión total interna‘, se ha diseñado, fabricado y caracterizado un secundario con salida cuadrada que, usado junto con una lente de Fresnel, permite alcanzar simultáneamente una elevada eficiencia, concentración y aceptancia. Además, se ha propuesto y prototipado un método alternativo de fabricación para otro de los secundarios, denominado domo, consistente en el sobremoldeo de silicona sobre células solares. Una de las características que impregna todo el trabajo realizado en esta tesis es la aproximación holística en el diseño de módulos CPV, es decir, se ha prestado especial atención al diseño conjunto de la célula y la óptica para garantizar que el sistema total alcance la mayor eficiencia posible. En este sentido muchos sistemas ópticos desarrollados en esta tesis han sido diseñados, caracterizados y optimizados teniendo en cuenta que el ajuste de corriente entre las distintas subcélulas que comprenden la célula multiunión bajo el concentrador sea muy próximo a uno. La capa antirreflectante sobre la célula funciona, en cierto modo, como interfaz entre la óptica y la célula, por lo que se ha diseñado un método de optimización de capas antirreflectantes que considera no sólo el amplio rango de longitudes de onda para el que las células multiunión son sensibles sino también la distribución angular de intensidad sobre la célula creada por la óptica de concentración. Además, la cuestión de la falta de uniformidad también se ha abordado mediante la comparación de las distribuciones espectrales y espaciales de irradiancia que crean diferentes ópticas (simuladas mediante trazado de rayos y fotografiadas) y las pérdidas de eficiencia que experimentan las células iluminadas por dichas ópticas de concentración medidas experimentalmente. El efecto de la temperatura en la óptica de concentración también ha sido objeto de estudio de esta tesis. En particular, mediante simulaciones de elementos finitos se han dado los primeros pasos para el análisis de las deformaciones que sufren los dientes de las lentes de Fresnel híbridas (vidrio-silicona), así como el cambio de índice de refracción con la temperatura y la influencia de ambos efectos sobre el funcionamiento de los sistemas. Se ha implementado un modelo que tiene por objeto considerar las variaciones ambientales, principalmente temperatura y contenido espectral de la radiación directa, así como las sensibilidades térmica y espectral de los sistemas CPV, con el fin de maximizar la energía producida por un módulo de concentración a lo largo de un año en un emplazamiento determinado. Los capítulos 5 y 6 de este libro están dedicados al diseño, fabricación y caracterización de un nuevo concepto de módulo fotovoltaico denominado FluidReflex y basado en una única etapa reflexiva con dieléctrico fluido. En este nuevo concepto la presencia del fluido aporta algunas ventajas significativas como son: un aumento del producto concentración por aceptancia (CAP, en sus siglas en inglés) alcanzable al rodear la célula con un medio cuyo índice de refracción es mayor que uno, una mejora de la eficiencia óptica al disminuir las pérdidas por reflexión de Fresnel en varias interfaces, una mejora de la disipación térmica ya que el calor que se concentra junto a la célula se trasmite por convección natural y conducción en el fluido y un aislamiento eléctrico mejorado. Mediante la construcción y medida de varios prototipos de unidad elemental se ha demostrado que no existe ninguna razón fundamental que impida la implementación práctica del concepto teórico alcanzando una elevada eficiencia. Se ha realizado un análisis de fluidos candidatos probando la existencia de al menos dos de ellos que cumplen todos los requisitos (en particular el de estabilidad bajo condiciones de luz concentrada) para formar parte del sistema de concentración FluidReflex. Por ´ultimo, se han diseñado, fabricado y caracterizado varios prototipos preindustriales de módulos FluidReflex para lo cual ha sido necesario optimizar el proceso de fabricación de la óptica multicavidad a fin de mantener el buen comportamiento óptico obtenido en la fabricación de la unidad elemental. Los distintos prototipos han sido medidos, tanto en el laboratorio como bajo el sol real, analizando el ajuste de corriente de la célula iluminada por el concentrador FluidReflex bajo diferentes distribuciones espectrales de la radiación incidente así como el excelente comportamiento térmico del módulo. ABSTRACT A renewed interest in concentrating photovoltaic (CPV) systems has emerged in recent years encouraged by the development of high-efficiency multijunction solar cells based in IIIV semiconductors that have led to CPV module efficiencies which practically double that of flat panel PV and which reach 35% for record modules. This thesis is devoted to the design and experimental implementation of new concepts for obtaining CPV modules that not only achieve high efficiency under standard conditions but also have such a wide tolerance to assembly errors, tracking, temperature and spectral variations, that the energy generated by them throughout the year is maximized. One of the first addressed issues is the design of secondary optical elements whose primary optics is a Fresnel lens and which, for a fixed concentration, allow an increased acceptance angle and tolerance of the system. Several reflective and refractive secondaries have been designed and analyzed using ray tracing. In particular, using nonimaging optics and based on the single-stage design known as ‘dielectric totally internally reflecting concentrator’, a secondary with square output has been designed, fabricated and characterized. Used together with a Fresnel lens, the secondary can simultaneously achieve high efficiency, concentration and acceptance. Furthermore, an alternative method has been proposed and prototyped for the fabrication of the secondary named dome. The optics is manufactured by direct overmolding of silicone over the solar cells. One characteristic that permeates all the work done in this thesis is the holistic approach in the design of CPV modules, meaning that special attention has been paid to the joint design of the solar cell and the optics to ensure that the total system achieves the highest attainable efficiency. In this regard, many optical systems developed in the thesis have been designed, characterized and optimized considering that the current matching among the subcells within the multijunction solar cell beneath the optics must be close to one. Antireflective coating over the cell acts, somehow, as an interface between the optics and the cell. Consequently, a method has been designed to optimize antireflective coatings that takes into account not only the broad wavelength range that multijunction solar cells are sensitive to but also the angular intensity distribution created by the concentrating optics. In addition, the issue of non-uniformity has also been addressed by comparing the spectral and spatial distributions of irradiance created by different optics (simulated by ray tracing and photographed) and the efficiency losses experienced by cells illuminated by those concentrating optics experimentally determined. The effect of temperature on the concentrating optics has also been studied in this thesis. In particular, finite element simulations have been use to analyze the deformations experienced by the facets of hybrid (silicon-glass) Fresnel lenses, the change of refractive index with temperature and the influence of both effects on the system performance. A model has been implemented which take into consideration atmospheric variations, mainly temperature and spectral content of the direct normal irradiance, as well as thermal and spectral sensitivities of systems, with the aim of maximizing the energy harvested by a CPV module throughout the year in a particular location. Chapters 5 and 6 of this book are devoted to the design, fabrication, and characterization of a new concentrator concept named FluidReflex and based on a single-stage reflective optics with fluid dielectric. In this new concept, the presence of the fluid provides some significant advantages such as: an increased concentration acceptance angle product (CAP) achievable by surrounding the cell with a medium whose refractive index is greater than one, an improvement of the optical efficiency by reducing losses due to Fresnel reflection at several interfaces, an improvement in heat dissipation as the heat concentrated near the cell is transmitted by natural convection and conduction in the fluid, and an improved electrical insulation. By fabricating and characterizing several elementary-unit prototypes it was shown that there is no fundamental reason that prevents the practical implementation of this theoretical concept reaching high efficiency. Several fluid candidates were investigated proving the existence of at least to fluids that meet all the requirements (including the stability under concentrated light) to become part of the FluidReflex concentrator. Finally, several pre-industrial FluidReflex module prototypes have been designed and fabricated. An optimization process for the manufacturing of the multicavity optics was necessary to attain such an optics quality as the one achieved by the single unit. The module prototypes have been measured, both indoors and outdoors, analyzing the current matching of the solar cells beneath the concentrator for different spectral distribution of the incident irradiance. Additionally, the module showed an excellent thermal performance.

A swarm intelligence approach based on coupled oscillators: an application in demand side management with photovoltaic distributed generation

Esta Tesis aborda los problemas de eficiencia de las redes eléctrica desde el punto de vista del consumo. En particular, dicha eficiencia es mejorada mediante el suavizado de la curva de consumo agregado. Este objetivo de suavizado de consumo implica dos grandes mejoras en el uso de las redes eléctricas: i) a corto plazo, un mejor uso de la infraestructura existente y ii) a largo plazo, la reducción de la infraestructura necesaria para suplir las mismas necesidades energéticas. Además, esta Tesis se enfrenta a un nuevo paradigma energético, donde la presencia de generación distribuida está muy extendida en las redes eléctricas, en particular, la generación fotovoltaica (FV). Este tipo de fuente energética afecta al funcionamiento de la red, incrementando su variabilidad. Esto implica que altas tasas de penetración de electricidad de origen fotovoltaico es perjudicial para la estabilidad de la red eléctrica. Esta Tesis trata de suavizar la curva de consumo agregado considerando esta fuente energética. Por lo tanto, no sólo se mejora la eficiencia de la red eléctrica, sino que también puede ser aumentada la penetración de electricidad de origen fotovoltaico en la red. Esta propuesta conlleva grandes beneficios en los campos económicos, social y ambiental. Las acciones que influyen en el modo en que los consumidores hacen uso de la electricidad con el objetivo producir un ahorro energético o un aumento de eficiencia son llamadas Gestión de la Demanda Eléctrica (GDE). Esta Tesis propone dos algoritmos de GDE diferentes para cumplir con el objetivo de suavizado de la curva de consumo agregado. La diferencia entre ambos algoritmos de GDE reside en el marco en el cual estos tienen lugar: el marco local y el marco de red. Dependiendo de este marco de GDE, el objetivo energético y la forma en la que se alcanza este objetivo son diferentes. En el marco local, el algoritmo de GDE sólo usa información local. Este no tiene en cuenta a otros consumidores o a la curva de consumo agregado de la red eléctrica. Aunque esta afirmación pueda diferir de la definición general de GDE, esta vuelve a tomar sentido en instalaciones locales equipadas con Recursos Energéticos Distribuidos (REDs). En este caso, la GDE está enfocada en la maximización del uso de la energía local, reduciéndose la dependencia con la red. El algoritmo de GDE propuesto mejora significativamente el auto-consumo del generador FV local. Experimentos simulados y reales muestran que el auto-consumo es una importante estrategia de gestión energética, reduciendo el transporte de electricidad y alentando al usuario a controlar su comportamiento energético. Sin embargo, a pesar de todas las ventajas del aumento de auto-consumo, éstas no contribuyen al suavizado del consumo agregado. Se han estudiado los efectos de las instalaciones locales en la red eléctrica cuando el algoritmo de GDE está enfocado en el aumento del auto-consumo. Este enfoque puede tener efectos no deseados, incrementando la variabilidad en el consumo agregado en vez de reducirlo. Este efecto se produce porque el algoritmo de GDE sólo considera variables locales en el marco local. Los resultados sugieren que se requiere una coordinación entre las instalaciones. A través de esta coordinación, el consumo debe ser modificado teniendo en cuenta otros elementos de la red y buscando el suavizado del consumo agregado. En el marco de la red, el algoritmo de GDE tiene en cuenta tanto información local como de la red eléctrica. En esta Tesis se ha desarrollado un algoritmo autoorganizado para controlar el consumo de la red eléctrica de manera distribuida. El objetivo de este algoritmo es el suavizado del consumo agregado, como en las implementaciones clásicas de GDE. El enfoque distribuido significa que la GDE se realiza desde el lado de los consumidores sin seguir órdenes directas emitidas por una entidad central. Por lo tanto, esta Tesis propone una estructura de gestión paralela en lugar de una jerárquica como en las redes eléctricas clásicas. Esto implica que se requiere un mecanismo de coordinación entre instalaciones. Esta Tesis pretende minimizar la cantidad de información necesaria para esta coordinación. Para lograr este objetivo, se han utilizado dos técnicas de coordinación colectiva: osciladores acoplados e inteligencia de enjambre. La combinación de estas técnicas para llevar a cabo la coordinación de un sistema con las características de la red eléctrica es en sí mismo un enfoque novedoso. Por lo tanto, este objetivo de coordinación no es sólo una contribución en el campo de la gestión energética, sino también en el campo de los sistemas colectivos. Los resultados muestran que el algoritmo de GDE propuesto reduce la diferencia entre máximos y mínimos de la red eléctrica en proporción a la cantidad de energía controlada por el algoritmo. Por lo tanto, conforme mayor es la cantidad de energía controlada por el algoritmo, mayor es la mejora de eficiencia en la red eléctrica. Además de las ventajas resultantes del suavizado del consumo agregado, otras ventajas surgen de la solución distribuida seguida en esta Tesis. Estas ventajas se resumen en las siguientes características del algoritmo de GDE propuesto: • Robustez: en un sistema centralizado, un fallo o rotura del nodo central provoca un mal funcionamiento de todo el sistema. La gestión de una red desde un punto de vista distribuido implica que no existe un nodo de control central. Un fallo en cualquier instalación no afecta el funcionamiento global de la red. • Privacidad de datos: el uso de una topología distribuida causa de que no hay un nodo central con información sensible de todos los consumidores. Esta Tesis va más allá y el algoritmo propuesto de GDE no utiliza información específica acerca de los comportamientos de los consumidores, siendo la coordinación entre las instalaciones completamente anónimos. • Escalabilidad: el algoritmo propuesto de GDE opera con cualquier número de instalaciones. Esto implica que se permite la incorporación de nuevas instalaciones sin afectar a su funcionamiento. • Bajo coste: el algoritmo de GDE propuesto se adapta a las redes actuales sin requisitos topológicos. Además, todas las instalaciones calculan su propia gestión con un bajo requerimiento computacional. Por lo tanto, no se requiere un nodo central con un alto poder de cómputo. • Rápido despliegue: las características de escalabilidad y bajo coste de los algoritmos de GDE propuestos permiten una implementación rápida. No se requiere una planificación compleja para el despliegue de este sistema. ABSTRACT This Thesis addresses the efficiency problems of the electrical grids from the consumption point of view. In particular, such efficiency is improved by means of the aggregated consumption smoothing. This objective of consumption smoothing entails two major improvements in the use of electrical grids: i) in the short term, a better use of the existing infrastructure and ii) in long term, the reduction of the required infrastructure to supply the same energy needs. In addition, this Thesis faces a new energy paradigm, where the presence of distributed generation is widespread over the electrical grids, in particular, the Photovoltaic (PV) generation. This kind of energy source affects to the operation of the grid by increasing its variability. This implies that a high penetration rate of photovoltaic electricity is pernicious for the electrical grid stability. This Thesis seeks to smooth the aggregated consumption considering this energy source. Therefore, not only the efficiency of the electrical grid is improved, but also the penetration of photovoltaic electricity into the grid can be increased. This proposal brings great benefits in the economic, social and environmental fields. The actions that influence the way that consumers use electricity in order to achieve energy savings or higher efficiency in energy use are called Demand-Side Management (DSM). This Thesis proposes two different DSM algorithms to meet the aggregated consumption smoothing objective. The difference between both DSM algorithms lie in the framework in which they take place: the local framework and the grid framework. Depending on the DSM framework, the energy goal and the procedure to reach this goal are different. In the local framework, the DSM algorithm only uses local information. It does not take into account other consumers or the aggregated consumption of the electrical grid. Although this statement may differ from the general definition of DSM, it makes sense in local facilities equipped with Distributed Energy Resources (DERs). In this case, the DSM is focused on the maximization of the local energy use, reducing the grid dependence. The proposed DSM algorithm significantly improves the self-consumption of the local PV generator. Simulated and real experiments show that self-consumption serves as an important energy management strategy, reducing the electricity transport and encouraging the user to control his energy behavior. However, despite all the advantages of the self-consumption increase, they do not contribute to the smooth of the aggregated consumption. The effects of the local facilities on the electrical grid are studied when the DSM algorithm is focused on self-consumption maximization. This approach may have undesirable effects, increasing the variability in the aggregated consumption instead of reducing it. This effect occurs because the algorithm only considers local variables in the local framework. The results suggest that coordination between these facilities is required. Through this coordination, the consumption should be modified by taking into account other elements of the grid and seeking for an aggregated consumption smoothing. In the grid framework, the DSM algorithm takes into account both local and grid information. This Thesis develops a self-organized algorithm to manage the consumption of an electrical grid in a distributed way. The goal of this algorithm is the aggregated consumption smoothing, as the classical DSM implementations. The distributed approach means that the DSM is performed from the consumers side without following direct commands issued by a central entity. Therefore, this Thesis proposes a parallel management structure rather than a hierarchical one as in the classical electrical grids. This implies that a coordination mechanism between facilities is required. This Thesis seeks for minimizing the amount of information necessary for this coordination. To achieve this objective, two collective coordination techniques have been used: coupled oscillators and swarm intelligence. The combination of these techniques to perform the coordination of a system with the characteristics of the electric grid is itself a novel approach. Therefore, this coordination objective is not only a contribution in the energy management field, but in the collective systems too. Results show that the proposed DSM algorithm reduces the difference between the maximums and minimums of the electrical grid proportionally to the amount of energy controlled by the system. Thus, the greater the amount of energy controlled by the algorithm, the greater the improvement of the efficiency of the electrical grid. In addition to the advantages resulting from the smoothing of the aggregated consumption, other advantages arise from the distributed approach followed in this Thesis. These advantages are summarized in the following features of the proposed DSM algorithm: • Robustness: in a centralized system, a failure or breakage of the central node causes a malfunction of the whole system. The management of a grid from a distributed point of view implies that there is not a central control node. A failure in any facility does not affect the overall operation of the grid. • Data privacy: the use of a distributed topology causes that there is not a central node with sensitive information of all consumers. This Thesis goes a step further and the proposed DSM algorithm does not use specific information about the consumer behaviors, being the coordination between facilities completely anonymous. • Scalability: the proposed DSM algorithm operates with any number of facilities. This implies that it allows the incorporation of new facilities without affecting its operation. • Low cost: the proposed DSM algorithm adapts to the current grids without any topological requirements. In addition, every facility calculates its own management with low computational requirements. Thus, a central computational node with a high computational power is not required. • Quick deployment: the scalability and low cost features of the proposed DSM algorithms allow a quick deployment. A complex schedule of the deployment of this system is not required.

Overall Feasibility of Low Cost Conversion from PV to PVTw

La ponencia presenta una comparación entre el rendimiento energético que se obtiene con un módulo fotovoltaico convencional, sin utilizar ningún medio para reducir la temperatura de sus células, y el rendimiento global que resulta si se incorpora a dicho módulo un intercambiador de calor en su parte trasera para reducir la temperatura de sus células y a la vez elevar la temperatura del agua proveniente de la red urbana de abastecimiento. El estudio muestra que el incremento de energia total que se logra mediante la solución propuesta supone una tasa de retorno con un plazo de amortización razonable para este tipo de instalaciones.

Sistema portátil de medida de dispositivos sometidos a ensayos en campo

El proyecto fin de carrera “Sistema Portátil de Medida de Dispositivos Sometidos a Ensayos en Campo” es un proyecto acometido para el desarrollo y evaluación de un sistema de medición portátil y confiable, que permita la realización de mediciones de curvas I-V en campo, en condiciones reales de funcionamiento. Dado que la finalidad de este proyecto fin de carrera es la obtención de un sistema para la realización de mediciones en campo, en la implementación del proyecto se tendrán como requisitos principales de diseño el tamaño, la fuente de alimentación, el peso del sistema, además de la fiabilidad y una relativa precisión en la realización de mediciones. Durante la realización de este proyecto y dados los requerimientos anteriores de portabilidad y fiabilidad, se ha buscado ofrecer una solución de compromiso diseñando un equipamiento que sea realizable, que cumpla con los objetivos anteriores con un coste que no sea elevado y con la característica de que disponga de una facilidad de manejo que permita a cualquier usuario la utilización del mismo. El sistema final diseñado está basado en el dispositivo de adquisición de datos MyDAQ de National Instruments que permite la realización de múltiples tipos de mediciones. En base a este dispositivo de adquisición de datos, se ha diseñado un sistema de medición con una arquitectura que se implementa a través de un ordenador portátil, con un software de medición instalado que recopila e interpreta los datos, y que alimenta y controla al dispositivo a través del puerto USB. El sistema también implementa una carga variable que permite la medición de la curva I-V en iluminación de células o mini-paneles fotovoltaicos. Este diseño permite que para la realización de las mediciones de las curvas I-V en iluminación en campo sólo se requiera conectar el dispositivo de adquisición a un PC portátil con batería y a la carga variable. Aunque este diseño es específico para la medición de células solares se ha implementado de forma que pueda extrapolarse fácilmente a otro tipo de medición de tensión y corriente. Para la comprobación de la precisión del sistema portátil de medidas, durante el proyecto se ha procedido a la comparación de los resultados obtenidos del sistema diseñado con un equipo de caracterización en laboratorio. Dicho sistema de alta exactitud permite cuantificar la degradación real de la célula y establecer una comparación de mediciones con el sistema portátil de medida, ofreciendo resultados satisfactorios en todas las mediciones realizadas y permitiendo concluir la evaluación del sistema portátil como apto para las mediciones de dispositivos en campo. El proceso de evaluación del equipamiento diseñado consistiría en la medida de la curva I-V en laboratorio de un dispositivo fotovoltaico con instrumentación de alta precisión y condiciones controladas de luz y temperatura de un dispositivo, célula o mini-panel. Tras la medida inicial las células se instalarían en campo y se realizaría una caracterización periódica de los dispositivos mediante el sistema portátil de medida, que permitiría evidenciar si en la curva I-V bajo iluminación existe degradación, y en qué zona de la curva. Al finalizar el ensayo o en periodos intermedios se desmontarían los dispositivos para volver a medir la curva I-V con exactitud en laboratorio. Por tanto el sistema portátil de medida, debe permitir evaluar la evolución de la curva I-V en condiciones ambientales similares a obtenidas en medidas anteriores, y a partir de la misma determinar el modo de degradación del dispositivo, no siendo necesaria una elevada precisión de medida para ofrecer resultados exactos de degradación, que sólo podrán medirse en el laboratorio. ABSTRACT. The final degree project "Portable Measurement System For Devices Under Field Tests" is a project undertaken for the development and evaluation of portable and reliable measurement equipment, which allows the realization of I-V curve measurements in field conditions actual operation. Since the purpose of this final project is to obtain a system for conducting field measurements in the implementation of the project will have as main design requirements for size, power supply, system weight, plus reliability and precision relative to the taking of measurements. During the development of this project and given the above requirements portability and reliability, has sought to offer a compromise designing equipment that is achievable, that meets the above objectives with a cost that is not high and the feature that available management facility that allows any user to use it. The final system is designed based on the acquisition device MyDAQ NI data that allows the execution of multiple types of measurements. Based on this data acquisition device, we have designed a measurement system with an architecture that is implemented via a laptop, with measurement software installed that collects and interprets data, and feeds and controls the device through the USB port. The system also implements a variable load which allows measurement of the I-V curve lighting photovoltaic cells. This design allows performing measurements of I-V curves in lighting field is only required to connect the device to purchase a laptop with a battery and variable load. Although this design is specific for the measurement of solar cells has been implemented so that it can easily be extrapolated to other types of measuring voltage and current. To test the accuracy of the portable measurement system during the project has been carried out to compare the results of the designed system, a team of laboratory characterization. This system of high accuracy to quantify the actual degradation of the cell and a comparison of measurements with portable measurement system, providing satisfactory results in all measurements and allowing complete portable system assessment as suitable for measurements of devices field. The evaluation process designed equipment would be far laboratory I-V curve of a photovoltaic device with high precision instrumentation controlled light and temperature of a device, panel or mini-cell conditions. After initial measurement cells settle in a periodic field and device characterization will be achieved through the portable measurement system, which would show whether the I-V curve under illumination degradation exists, and in which area of the curve. At the end of the trial or in interim periods devices to remeasure the I-V curve accurately in laboratory dismount. Therefore the portable measurement system should allow evaluating the evolution of the I-V curve similar to previous measurements obtained in ambient conditions, and from it determine the mode of degradation of the device, not a high measurement accuracy to be necessary to provide degradation accurate results, which can only be measured in the laboratory.