Development of solar thermophotovoltaic systems = Desarrollo de sistemas termofotovoltaicos solares

Resumen

Esta tesis aborda el análisis, tanto teórico como experimental, de los sitemas termofotovoltaicos solares. En estos sistemas, un material (emisor) se calienta hasta la incandescencia mediante radiaci ón solar. La radiación térmica emitida por dicho material se dirige hacia una célula fotovoltaica, que convierte dicha radiación en electricidad. En esta configuración, se pueden emplear elementos de control espectral para lograr que los fotones no útiles para el proceso de conversión fotovoltáica sean devueltos al emisor. En la primera parte de la tesis (capítulos 2-4) se presentan diversos modelos analíticos de sistemas termofofovoltaicos solares. En el capítulo 2 se analiza un sistema ideal con el fin de determinar la eficiencia límite máxima, que resulta ser del 85.4%. Desafortunadamente, dicha eficiencia sólo se logra para densidades de potencia eléctrica despreciables y bajo una serie de condiciones demasiado restrictivas. En el capítulo 3 se presenta un modelado multivariable más completo, basado en la teoría del balance detallado, en el que se contemplan (entre otras cosas) posibles pérdidas ópticas. Con dicho modelo se ha demostrado que se pueden alcanzar eficiencias y densidades de potencia eléctrica por encima de 30% y 50 W/cm2, repectivamente. Para ello se requiere de una elevada concentración solar (1000-2000 soles) y de un método para aumentar la transferencia de energía del emisor a las células (típicamente, mediante el aumento del área del emisor respecto al área del absorbente solar). Finalmente, en el capítulo 4 se presenta un modelo más realista de un sistema con geometría cilíndrica. Con esta configuración, se ha demostrado que se pueden lograr eficiencias y densidades de potencia electrica de 10-12% y 1-3 We/cm2 empleando componentes disponibles actualmente (células de germanio con reflectores traseros y emisores de tungsteno recubiertos con capas antireflectantes). En los capítulos 5-8 se describe el desarrollo y caraceterización de un sistema termofotovoltaico solar completo, que consta de un concentrador solar refractivo, un emisor cilíndrico de tungsteno recubierto con HfO2 y un array de células de Germanio. En esta tesis se presta especial atención a la carecterización del sistema de concentración y de los emisores (capítulo 6), a los procesos de fabricación de los arrays (capítulo 7) y a la caracterización del sistema completo en condiciones reales de operación (capítulo 8). Este sistema ha proporcionado densidades de corriente en las células de hasta 0.95 A/cm2, densidades de potencia eléctrica de 120-140 mW/cm2 y una eficiencia de conversión del 0.8%. La temperatura estimada de los emisores está en el rango de 1300-1500oC. La baja eficiencia se debe principalmente al calentamiento excesivo de las células (hasta 120oC) y a las pérdidas ópticas en el concentrador, que impiden alcanzar la temperatura de emisor óptima. Se ha estimado que mejorando ambos aspectos se podrían lograr eficiencias superiores al 5%. ABSTRACT This thesis presents a theoretical (Part I) and experimental (Part II) analysis of solar thermophotovoltaic systems. In these systems an intermediate material (emitter) is heated to incandescence by solar radiation. The thermal radiation emitted by that material is directed to a photovoltaic cell that converts this radiation into electricity. In this configuration, the photons that are not efficiently used by the cells can be redirected to the emitter using spectral control elements. The first part of the Thesis (chapters 2-4) present various analytical models of solar thermophotovoltaic systems. In chapter 2 an ideal system is analyzed and the maximum efficiency limit is determined, which turns out to be 85:4%. Unfortunately, such efficiency is achieved for negligible electric power densities and under severe restrictive conditions. Chapter 3 presents a more complete multivariable model, based on the detailed balance theory, which contemplates (among other things) possible optical losses. The model shows that efficiencies above 30% and electric power densities above 50 W/cm2 are achievable. This requires high solar concentration (above 1000 suns) and a method to enhance the energy transfer from the emitter to the cells (typically, by increasing the emitter area to the solar absorber area ratio). Finally, chapter 4 presents a more realistic model of a system with cylindrical geometry. With this configuration it was demonstrated that efficiencies of 10-15 % and electric power densities of 1-5 W/cm2 can be achieved using currently available components (Germanium cells with back-side reflectors and tungsten emitters coated with anti-reflective coatings). Chapters 5-8 present the development and characterization of a complete solar thermophotovoltaic system, consisting of a refractive solar concentrator, a cylindrical tungsten emitter coated with HfO2 and an array of germanium cells. In this thesis, special attention is paid to the characterization of the concentrator system and the emitters (chapter 6), to the manufacturing processes of the cell-modules (chapter 7) and to the characterization of the complete system under real operating conditions (chapter 8). This system has provided cell short-circuit current densities of 0.95 A/cm2, electric power densities of 120-140 mW/cm2 and a conversion efficiency of 0.8 %. The estimated temperature of the emitter is in the range of 1300-1500_C. The low efficiency is mainly due to overheating of the cells (up to 120oC) and to optical losses in the concentrator, which prevent the achievement of the optimum emitter temperature. It has been estimated that an improvement in both of these aspects would allow the achievement of efficiencies above 5%. The improvement of the photon recycling process between the emitter and the cells could lead to efficiencies close to 10%.