Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10451/9620
Título: Development of photovoltaic systems with concentration
Autor: Reis, Filipa, 1985-
Orientador: Brito, Miguel Centeno
Sorasio, Gianfranco
Palavras-chave: Sistemas fotovoltaicos
Energia solar
Teses de doutoramento - 2013
Data de Defesa: 2013
Resumo: The concept of Concentration Photovoltaic (CPV) systems appeared as an attempt to reduce the cost of Photovoltaic (PV) technology. In these systems, savings are achieved by the reduction of the area of the expensive PV cell which is compensated by the increase in the light intensity on the device through less expensive optical elements. This thesis focus on two main CPV systems: i) the DoubleSun® technology, a low CPV system, already commercialized; and ii) a new medium CPV system, the HSun technology. Regarding the DoubleSun®, the on-field performance and ageing tests are addressed, highlighting the main challenges that a CPV system has to face under outdoor exposure. Such results were relevant for the development of a new CPV system concept, the HSun, whose main target is to achieve grid parity. A Levelized Cost of Electricity (LCoE) analysis was performed showing that this objective can only be achieved with a concentration factor between 15-20 suns and integrating high efficiency silicon solar cells. Within the HSun project, this thesis focuses on the CPV receiver whose design, development, assembly, validation and optimization are discussed in detail. The analysis of its thermal behaviour is addressed through CFD-FEA in a model implemented in SolidWorks which determines the temperature profile across the solar cells showing that its integration on the HSun could be optimized to decrease the average temperature of the cell by about 60°C. Since both illumination and temperature profiles are spatially inhomogeneous, a distributed solar cell electric model is developed in order to understand and fully describe the behaviour of solar cells under such operating conditions. The model was experimentally validated and then applied to the optimization of the front grid of the solar cells on the HSun showing the efficiency may be increased by 1.5% if front grid design integrates more 21 fingers.O conceito de sistemas de Concentração Fotovoltaica (CPV) surgiu na tentativa de reduzir o custo da tecnologia Fotovoltaica (PV).
Nestes sistemas, a área das células solares, elemento caro, é reduzida e compensada pelo aumento da intensidade da radiação no dispositivo através de elementos ópticos, menos caros. Esta tese foca-se em dois sistemas CPV: i) a tecnologia DoubleSun®, um sistema de baixa concentração, em comercialização; e ii) um novo sistema de média concentração, a tecnologia HSun. Relativamente ao sistema DoubleSun®, este foi estudado em termos de desempenho em terreno e de testes de envelhecimento, destacando-se os maiores desafios que um sistema CPV enfrenta quando instalado no exterior. Tais resultados foram relevantes para o desenvolvimento de um novo conceito de sistema CPV, o HSun, cujo objectivo principal é atingir a paridade de rede. Uma análise de Custo Nivelado da Electricidade mostrou que tal meta é apenas alcançável com um factor de concentração entre 15-20 sóis e integrando células de silício de elevada eficiência. No âmbito do projecto HSun, esta tese foca-se no receptor CPV cujo desenho, desenvolvimento, integração, validação e optimização são discutidos em detalhe. A análise do seu comportamento térmico foi abordada através de CFD-FEA num modelo implementado em Solidworks. Este modelo determina o perfil de temperatura nas células e mostrou que a sua integração no HSun pode ser optimizada reduzindo a temperatura média das células em 60°C. Uma vez que tanto o perfil de iluminação como o de temperatura são espacialmente não uniformes, desenvolveu-se um modelo eléctrico distribuído da célula solar para perceber e descrever integralmente o comportamento desta quando em funcionamento em tais condições. O modelo foi experimentalmente validado e posteriormente aplicado à optimização dos contactos frontais das células solares que integram o HSun demonstrando que a eficiência das células pode subir 1,5% se forem adicionados 21 contactos frontais.
Descrição: Tese de doutoramento, Sistemas Sustentáveis de Energia, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2013
URI: http://hdl.handle.net/10451/9620
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