Estudio, diseño y optimización de sistemas híbridos de alta concentración fotovoltaica y generación termoeléctrica

Abstract

Una estrategia para mejorar la tecnología solar fotovoltaica es producir energía extra mediante la combinación de la fotovoltaica de concentración (CPV) y la generación termoeléctrica (TEG) por aprovechamiento del flujo de calor residual. El objetivo de esta Tesis Doctoral es diseñar y fabricar un receptor solar que integra la célula solar, dispositivo termoeléctrico y el sistema de refrigeración, centrándose en alcanzar la máxima relación de concentración óptica posible. Para ello, se han estudiado previamente la capacidad de refrigeración de sistemas pasivos para niveles altos de concentración; posteriormente se han empleado diferentes modelos en 1D y en 3D, para simular, optimizar y comparar el rendimiento en la producción de energía eléctrica de sistemas híbridos respecto a los no híbridos; finalmente, se fabricó un prototipo de mono-módulo híbrido con los medios disponibles en el laboratorio y se caracterizó tanto en condiciones contraladas de laboratorio (indoor) como bajo condiciones reales de operación (outdoor). Como conclusión, podemos decir que la hibridación no parece ser energéticamente factible para niveles de concentración muy altos con la tecnología de células solares y TEG disponibles a día de hoy.

One strategy to improve photovoltaic solar technology is to produce extra energy by combining concentrated photovoltaics (CPV) and thermoelectric generation (TEG) by taking advantage of the residual heat flow. The aim of this Doctoral Thesis is to design and manufacture a solar receiver that integrates the solar cell, thermoelectric device and the cooling system, focusing on reaching the maximum possible optical concentration ratio. For this, the refrigeration capacity of passive systems for high concentration levels have been previously studied; Subsequently, different 1D and 3D models have been used to simulate, optimize and compare the performance in the production of electrical energy of hybrid systems with respect to non-hybrid ones; Finally, a hybrid mono-module prototype was manufactured with the means available in the laboratory and characterized both under controlled laboratory conditions (indoors) and under real operating conditions (outdoors). As a conclusion, we can say that hybridization does not seem to be energetically feasible for very high concentration levels with the technology of solar cells and TEG available today.