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Caracterización y optimización de parámetros de dispositivos fotovoltaicos. Aplicación a la industria

  • Autores: Eduardo Forniés García
  • Directores de la Tesis: María del Carmen Alonso García (dir. tes.), Fernando Bernabé Naranjo Vega (codir. tes.)
  • Lectura: En la Universidad de Alcalá ( España ) en 2015
  • Idioma: español
  • Tribunal Calificador de la Tesis: Nieves Vela Barrionuevo (presid.), Óscar Esteban Martínez (secret.), Julio Amador Guerra (voc.), Pablo Ramos Sáinz (voc.), José Lorenzo Balenzategui Manzanares (voc.)
  • Materias:
  • Enlaces
  • Resumen
    • español

      La optimización y caracterización de parámetros de dispositivos fotovoltaicos (FV) engloba un amplio número de aspectos. Esta tesis se ha centrado en tres aspectos fundamentales:

      1. ESTUDIO DE LA RESISTENCIA PARALELO (Rp) Y SU DETERMINACIÓN EN CÉLULAS Y MÓDULOS. Se presenta un nuevo método para medir la resistencia paralelo, Rp, de un módulo FV en condiciones de polarización inversa y oscuridad, por medio de la utilización de una resistencia externa en paralelo. Para comprobar este método, se han fabricado dos módulos, MA y MB (con el mismo tipo de células y la misma eficiencia, pero con resistencia paralelo diferente). La Rp de ambos módulos ha sido determinada con el método propuesto y los resultados han sido comparados con los obtenidos a partir de las medidas de curvas I-V en simuladores solares comerciales y otros procedimientos estándar. Por otro lado, los módulos MA y MB, han sido medidos a distintas irradiancias para relacionar la resistencia paralelo, Rp, con la eficiencia del módulo a distintas irradiancias. Por último, se han realizado, con el programa PVsyst, varias simulaciones de instalaciones hechas con los módulos MA y MB, obteniéndose así la Energía Anual Acumulada.

      2. ESTUDIO DE LA INFLUENCIA DE LA DISPERSIÓN EN CÉLULAS SOLARES SOBRE LA PÉRDIDA RELATIVA DE POTENCIA DE MÓDULOS FOTOVOLTAICOS. En este apartado se presenta un estudio de las pérdidas de potencia por mismatch cuando las células son conectadas en serie para formar módulos FV. En este experimento se han utilizado células monocristalinas y multicristalinas, las cuales fueron medidas y clasificadas en grupos de acuerdo a sus parámetros eléctricos. Posteriormente, se fabricaron módulos FV con células provenientes de cada grupo. Las células monocristalinas mostraron una Pérdida de Potencia Relativa (o Relative Power Loss, RPL) inferior a los límites de detección de los sistemas de medida empleados. Debido a esto, se amplió el estudio a una selección de células multicristalinas. En esta segunda selección, las células multicristalinas mostraban una dispersión mayor de parámetros eléctricos. En este caso, los resultados obtenidos sí mostraron una relación entre el RPL y la desviación estándar de los parámetros eléctricos. En esta tesis se propone una ecuación de RPL estadística y novedosa, que es relevante para las necesidades crecientes del sector FV, y la cual relaciona los parámetros que habitualmente están disponibles para un fabricante de módulos. Dicha expresión ha sido validada mediante su comparación con los resultados de Bucciarelli (1979). La expresión propuesta ha sido utilizada en este estudio obteniéndose así una relación empírica entre la desviación estándar de los parámetros eléctricos de las células solares y el RPL.

      3. ESTUDIO DE LA CALIDAD DE LA TEXTURA SUFERFICIAL DE CÉLULAS MONOCRISTALINAS Y SU CARACTERIZACIÓN. En este tercer objetivo, se ha realizado un proceso químico de texturizado de células solares en laboratorio, y se ha comparado con el llevado a cado en una línea industrial. De esta manera, se ha estudiado la influencia de algunos parámetros del proceso, tales como calidad de la oblea y tiempo de proceso.Se ha desarrollado un método novedoso para la medida de la textura superficial en obleas de silicio monocristalino texturizadas. Este se basa en hacer incidir un haz láser perpendicularmente a la superficie de las mismas. El patrón de reflexión obtenido de este modo, posee una simetría de orden cuatro, es decir, con cuatro máximos de intensidad. En este estudio se ha establecido una relación entre las características de la geometría de la textura y el mencionado patrón espacial de la luz reflejada. Además se ha desarrollado y probado un dispositivo y un método de medida que relaciona las intensidades de la luz reflejada con el grado de textura (o factor de textura). El método desarrollado permite su aplicación en entornos industriales, al ser fácilmente reproducible, fiable y de bajo coste.

    • English

      The optimization and characterization of parameters of photovoltaic (PV) devices involves a wide number of aspects all of them aimed to the improvement of the efficiency of PV Energy. For that purpose, this thesis has focused in three fundamental subjects:

      1. STUDY OF PARALELL RESISTANCE (RP) AND ITS CHARACTERIZATION IN SOLAR CELLS AND PV MODULES. A new method to measure the module shunt resistance (Rp) by measuring the module at reverse bias and dark conditions connected to an external parallel resistance is presented. For the purpose of proving this method, two modules, MA and MB, (with the same type of cells and the same efficiency, but different shunt resistance) were manufactured. The module Rp has been determined with the proposed method and results have been compared with I-V curve measurements obtained with commercial Solar simulators and other standard procedures. Additionally, modules MA and MB were measured at different irradiance levels to relate the Rp with the module performance at low irradiance conditions. Finally, in order to evaluate the relative importance of a correct determination of the module Rp, a simulation of Annual Energy Yield obtained with an installation made with modules MA compared with modules MB have been carried out by means of PVsyst program.

      2. ESTUDY OF THE INFLUENCE OF MISMATCH OF SOLAR CELLS ON RELATIVE POWER LOSS OF PHOTOVOLTAIC MODULES. This work presents a study of mismatch losses when solar cells are associated in series to form photovoltaic (PV) modules. In this experiment, more than 10,000 single-crystal and multi-crystal cells were measured and sorted in groups, according to cell maximum power (Pm), maximum power point current (Imp) and short circuit current (Isc). Afterwards, PV modules were manufactured and measured with cells from each group. A selection of single-crystal cells with an efficiency rate of 17,75 % was studied with results showing low relative power loss (RPL) rates. This was the case even when artificially increasing the scattering of mentioned electrical parameters. Due to these results, a second choice was made to perform a similar comparative study of multicrystal cells. In the second study, the multi-crystal cells showed a greater scattering of electrical parameters in groups of a 14,57% efficiency rate and of a 14,23% rate. In that case, results obtained for both groups showed a relation between RPL and standard deviation of electrical parameters. Despite there already being a widely recognized definition of RPL, due to the increased volume of cells in production environments, which is where this study was performed, the need was found for more effective and practical expression of RPL due to the large quantity of samples. Consequently, this study proposes an innovative statistical equation of RPL relevant for the growing needs in this sector which can handle the parameters usually available to a module manufacturer. This equation is theoretically validated by comparison with Bucciarelli´s results (1979). The proposed expression of RPL has been applied to this study and an empirical relation between RPL and standard deviation of solar cell parameters has been obtained.

      3. ESTUDY OF THE QUALITY OF THE TEXTURE OF SINGLE-CRYSTAL SOLAR CELLS AND ITS CHARACTERIZATION. In this third aim, the chemical process for solar cell texturing has been carried out in the laboratory and compared with the one carried out in a manufacturing line. Different process parameters, such as wafer quality and time, have been changed to optimize the process. A new method for measuring the surface texture of single-crystal wafers has been developed. This is based on an incident laser beam directed towards the surface at a normal angle. They light reflected pattern so obtained exhibits 4-fold symmetry with intensity maxima at well-defined off centre angular positions. The relation between the spatial light pattern and the geometrical features of the texture is discussed. A method and device that relate the reflected intensities with the texture degree is developed and tested. The developed method permits its implementation in industrial environments due to its reproducibility, reliability and low cost.


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