CARATTERIZZAZIONE OTTICA DI CONCENTRATORI SOLARI FOTOVOLTAICI PhoCUS

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1 CARATTERIZZAZIONE OTTICA DI CONCENTRATORI SOLARI FOTOVOLTAICI PhoCUS Francesco Aldegheri 1,2,Antonio Parretta 1,3 1 Università degli studi di Ferrara, Dipartimento di Fisica, Ferrara 2 Khatod Optoelectronic, Cisello Balsamo, Milano 3 ENEA C.R. E. Clementel, Bologna 1

2 Concentrazione Solare per applicazioni di tipo fotovoltaico (CPV Concentrazione solare = aumento della densità di flusso della radiazione solare cidente su un ricevitore Scopi: Riduzione superficie di materiale convertitore (es. silicio impiegata, sostituendola con più economico materiale concentratore (lenti, specchi Aumento dell efficienza del concentratore solare Esistono concentratori riflettivi o rifrattivi, leari (2D o 3D, di tipo imagg (IO e non-imagg (NIO. 2

3 La concentrazione solare ha come scopo l aumento dell efficienza di una cella fotovoltaica crementando di un fattore C l irradianza cidente su quest ultima No concentrazione (1 sole Fattore di Concentrazione C Corrente corto circuito Isc I sc (1 I ( C = C sc I sc Tensione di circuito aperto Voc V oc (1 V oc ( C = V (1 + oc kt e lnc Efficienza η (1 kt η( C =η(1 (1 + lnc ev oc 3

4 Rapporto di concentrazione Geometrico C geo : rapporto tra area di gresso e area di uscita della luce un concentratore Rapporto di concentrazione Ottico Copt: rapporto tra irradianza uscita e irradianza gresso di un concentratore C = geo A A out C = Il rapporto di concentrazione ottico è legato a quello geometrico dall efficienza di trasmissione η(θ,φ: opt E E out C = η( θ, φ C opt geo θ e φ dicano l clazione del fascio rispetto l asse ottico del sistema. η è un numero adimensionale che può variare nell tervallo [0,1]. 4

5 Metodi di caratterizzazione: Metodo diretto collimato Viene viato un fascio collimato con clazioni θ e φ rispetto l asse del concentratore. A tale scopo viene impiegato uno specchio parabolico per ridirezionare la luce all gresso del concentratore. All uscita del concentratore grazie ad un sistema di lettura verrà registrata la corrente prodotta da un sensore (ad esempio un fotodiodo, una cella fotovoltaica, una sfera tegratrice con sensore schermato da baffle ecc. Il concentratore viene ruotato modo da formare angoli differenti con il fascio collimato e misurare l efficienza di trasmissione a varie clazioni 5

6 Metodi di caratterizzazione: Metodo diretto collimato L efficienza di trasmissione del concentratore per defizione è pari a: η dir ( θ, ϕ = Φ Φ out ( θ ( θ, ϕ, ϕ = E Φ dir out A ( θ ( θ, ϕ, ϕ Nel caso particolare di simmetrie particolari rispetto l asse ottico tale formulazione può essere semplificata. In particolare, nel caso di simmetria cildrica, può essere elimata la dipendenza dall angolo di rotazione azimutale rispetto l asse ottico e avremo: η dir ( θ = E Φ dir out A ( θ ( θ 6

7 Metodi di caratterizzazione: Metodo diretto collimato (DCM All apertura di uscita del concentratore, misurando la corrente I prodotta dal sensore impiegato (direttamente proporzionale al flusso Φ cidente su di esso, è possibile ricavare l efficienza di trasmissione relativa del concentratore η rel dir ( θ = I rel ( θ cosθ dove I rel = I out (θ/i out (0 e θ dica l clazione tra il fascio cidente e l asse ottico del sistema. Il prodotto dell efficienza di trasmissione relativa e dell efficienza di trasmissione assoluta a 0 (quando il fascio è parallelo all asse del concentratore caratterizza l efficienza di trasmissione assoluta del sistema: ass rel η( θ = η (0 η ( θ 7

8 Metodi di caratterizzazione: Metodo verso (ILM Viene posta all apertura di uscita Aout del concentratore una sorgente lambertiana (radianza dipendente dalla direzione Si studia la radianza uscita dal concentratore analizzando l immage che la luce versa forma su uno schermo lambertiano, quanto si dimostra che: rel v rel dir L ( θ, ϕ = η ( θ, ϕ 8

9 Il concentratore Phocus 9

10 Il concentratore Phocus Concentratore 3D di tipo rifrattivo progettato dall Enea. Utilizza come elemento di prima concentrazione una lente, che può essere di due tipi: 1. Lente prismatica ; 2. Lente ibrida. Le lenti sono quadrate (15,6 cm di lato e polimetilmetacrilato (PMMA. La cella fotovoltaica per il quale è stato studiato è una cella piana quadrata (lato 11 mm silicio marca SunPower. Lente prismatica Lente ibrida Il rapporto di concentrazione geometrico è pari a: Phocus C geo = Concentratore PhoCus 10

11 Il concentratore Phocus Lente prismatica composta da un array di prismi squadrati aventi dimensioni di 7.8x7.8mm nella sezione centrale della lente e 3.9x3.9 mm nelle zone periferiche L clazione dei prismi è stata calcolata al fe di direzionare la luce su un ricevitore (cella fotovoltaica. La concentrazione viene ottenuta sommando la luce proveniente da ciascun prisma 11

12 Il concentratore Phocus Nella lente prismatica l efficienza di trasmissione dei prismi più piccoli nelle zone periferiche risulta feriore a quelli della zona centrale. Al fe di crementare l efficienza anche quelle regioni della lente è stata sviluppata una lente Ibrida La lente ibrida risulta identica alla lente prismatica nella zona centrale. Nelle zone laterali i prismi di dimensioni feriori sono stati sostituiti da grooves circolari simili a quelli di una lente di Fresnel In tale modo, oltre a facilitare il processo di produzione della lente tramite processo di stampaggio per iezione, si è crementata l efficienza di trasmissione delle zone periferiche della lente. 12

13 Il concentratore Phocus Per aumentare l efficienza del sistema e ridurre i problemi di disalleamento, è stato serito nel Phocus un elemento ottico secondario (SOE, un concentratore riflettivo 3D La superficie riflettente del SOE è ad alta riflettività (>95% e formata dalla combazione di un substrato di allumio e un film polimerico prodotto dalla 3M. A lato riflettività del SOE (dati Enea. In blu è dicata la riflettività globale, giallo quella speculare e violetto quella diffusa 13

14 DCM sperimentale: curve di efficienza Confronto risultati ottenuti per il concentratore Phocus sia con lente ibrida che prismatica 14

15 ILM sperimentale: curve di efficienza Distanza schermo analisi immage e concentratore schermo pari a 7.5 m Valori degli angoli di accettanza accordo con risultati teorici e DCM 15

16 ILM sperimentale: determazione efficienza assoluta a 0 Valori delle efficienze di trasmissione assolute a 0 ricavati con metodo verso η η ass prism ass ibr (0 = 0,89 ± 0,01 (0 = 0,90 ± 0,01 Efficienza di trasmissione assoluta del concentratore Phocus 16

17 Confronto angoli di accettanza ottenuti Risultati sperimentali Phocus con lente Prismatica Phocus con lente Ibrida Metodo Diretto Collimato (DCM Angolo 50% Angolo 90% Sfera 2 2 Cella Sfera Cella Metodo Inverso (ILM Angolo 50% Angolo 90%

18 Grazie per la cortese attenzione 18