Híbrido alto

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 5206 (2023) Citar este artículo

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En este estudio, proponemos una nueva celda fotovoltaica de alta concentración (HCPV) al considerar tanto las características de fuga de luz de los módulos de celdas solares basados en lentes de Fresnel como los problemas de rendimiento que surgen del sombreado de nubes en el uso práctico. Utilizamos nuestros sistemas construidos por nosotros mismos para realizar mediciones de campo durante hasta medio año en diversas condiciones ambientales. De acuerdo con los resultados adquiridos, fue sorprendente saber que en el área que no sea el área de enfoque, la llamada región de fuga de luz, siempre hay una iluminancia de alrededor de 20 000 a 40 000 lx, ya sea un día soleado o un día nublado con diferentes condiciones de nubes. Un resultado tan interesante es causado por la dispersión de la luz de las nubes y la característica de fuga inherente de una lente de Fresnel. Para probar este importante hallazgo, simulamos la iluminancia de la estructura de la lente de Fresnel utilizada en la medición con aperturas de diferentes tamaños para determinar el área detectada. En el laboratorio, las placas difusas se usaron para imitar la situación de diferentes espesores de capa de nubes. La tendencia de los resultados calculados y medidos encajaba bien con las mediciones de campo. Además, los resultados experimentales y de simulación muestran que el ángulo redondo y la faceta de tiro de la lente de Fresnel fueron responsables de la fuga de luz. Este hallazgo nos llevó a proponer un módulo solar híbrido de alta concentración en el que se colocan células solares de silicio policristalino más rentables alrededor de la oblea de alta eficiencia de HCPV para capturar la fuga de luz disipada y convertirla en electricidad utilizable.

Entre los 17 objetivos de desarrollo sostenible (ODS) globales interrelacionados establecidos por la Asamblea General de las Naciones Unidas en 2015, la energía limpia y asequible es un indicador esencial de un futuro mejor y más sostenible para todos. Por lo tanto, para la generación de energía limpia y sostenible, los investigadores utilizan varios recursos naturales para obtener la llamada energía verde, incluida la energía eólica, la energía geotérmica, la hidroelectricidad, la energía de las mareas, la energía solar, etc. Entre estos, la energía solar fotovoltaica está menos limitada por el terreno o ubicación y son una fuente de energía que se puede obtener en casi cualquier parte del mundo1. Por lo tanto, convertir efectivamente la energía de la luz del sol en energía eléctrica que pueda usarse fácilmente siempre ha sido el objetivo final del desarrollo de la vida humana. Los paneles de células solares hechos de materiales semiconductores son reconocidos como el dispositivo de generación de energía solar fabricado más económico. En las últimas décadas, este dispositivo se ha explotado ampliamente para generar electricidad a partir de los rayos del sol. Se pueden encontrar en los techos de edificios públicos y casas individuales en todo el mundo. Generalmente, los materiales utilizados en los paneles solares basados en semiconductores son silicio policristalino o semiconductores compuestos III-V y II-VI, mientras que sus eficiencias de fotoconversión son del 15 % y 45 %, respectivamente2,3,4. En cuanto al precio del producto, el coste de los paneles solares fabricados con semiconductores compuestos III-V o II-VI es muy superior al de los paneles solares de polisilicio. Sin embargo, por consideraciones de eficiencia, los semiconductores III-V o II-VI todavía se usan para paneles solares en plantas de energía solar. Se utilizan en los sistemas de seguimiento solar para mejorar la eficiencia de generación de energía5. Además, podemos configurar una lente óptica sobre el panel solar compuesto basado en semiconductores para enfocar de manera efectiva la luz solar incidente casi paralela en un área limitada de estas celdas solares de alto costo6,7. Los módulos de celdas solares con esta configuración se denominan fotovoltaicos de alta concentración (HCPV)8,9, lo que significa que mediante el diseño y uso de elementos ópticos, la mayor parte de la energía solar se puede recolectar en una oblea solar de tamaño pequeño. De esta manera, no solo se pueden utilizar completamente los materiales semiconductores compuestos de alto rendimiento para el suministro de energía de las células solares, sino que también se puede reducir considerablemente el costo debido a la reducción de los materiales utilizados.

En los sistemas HCPV, la dirección de la luz solar en la lente está estrechamente relacionada con la cantidad de energía solar que puede recolectar la celda solar, por lo que necesitamos usar un sistema de seguimiento solar variable en el tiempo para obtener la mayor eficiencia de conversión. Por tanto, la estructura de la lente de enfoque también requiere un diseño particular. Además de la distancia de enfoque adecuada, nuestro objetivo es aumentar la cantidad de lentes de enfoque por unidad de área y reducir el peso de la lente tanto como sea posible. Las lentes de enfoque convencionales generalmente son difíciles de diseñar debido a la distancia focal aceptable y el tamaño de lente correspondiente, lo que dificulta lograr estos requisitos óptimos simultáneamente, lo que a su vez hace que el precio del sistema de seguimiento del sol sea más alto. Una forma eficaz de solucionar este problema es utilizar una lente de Fresnel10. Xie y Sierra et al. estudiaron la aplicación de la lente de Fresnel en alta concentración de energía solar11,12. Chen y Yamada et al. propusieron el diseño de la lente de Fresnel para mejorar la distribución de la uniformidad de la iluminancia13,14, pero no consideraron el problema de la fuga de luz de la lente de Fresnel y la eficiencia de generación de energía en condiciones climáticas de nubes densas. Aunque el sistema HCPV combinado con la lente de Fresnel utiliza efectivamente la energía de la luz solar, a medida que cambian las nubes en el cielo, la lente de Fresnel no puede recolectar los rayos del sol de manera efectiva, lo que resulta en una disminución en la eficiencia de generación de energía de HCPV. Este artículo presenta un descubrimiento novedoso de fuga de luz en un HCPV, que podría mantener un cierto nivel de iluminancia bajo diferentes condiciones de nubes, y propone un sistema de recolección de luz híbrido apropiado para diferentes condiciones climáticas, y la eficiencia de generación de energía se mantiene óptima. Los nuevos hallazgos técnicos se demostrarán mediante mediciones de campo en diversas condiciones de nubes.

Una lente de Fresnel es un tipo de lente compacta compuesta, y el diseño estructural se muestra esquemáticamente en la Fig. 1a, lo que permite la construcción de lentes de gran apertura y distancia focal corta sin la masa y el volumen de material que requeriría una lente convencional. diseño15,16,17. Por lo tanto, una lente de Fresnel puede fabricarse mucho más delgada que una lente convencional. Las lentes Fresnel están diseñadas para reducir significativamente el peso de la lente para que pueda cumplir con los requisitos de un sistema de seguimiento solar. Sin embargo, a diferencia de las lentes convencionales, las superficies de las lentes no lisas y no continuas distribuidas en múltiples segmentos pueden causar una fuga de luz significativa e inevitable debido a errores de fabricación, como los radios de curvatura y los ángulos de inclinación de las lentes de Fresnel fabricadas, como se indica en la Fig. 1b. . Los cambios sutiles en estas estructuras pueden hacer que parte de la luz solar incidente paralela no pueda enfocarse de manera efectiva en el rango de recolección de energía en el módulo de celda solar a través de la lente de Fresnel, lo que resulta en una disminución de la eficiencia de generación de energía. Utilizamos una lente de Fresnel para el cálculo de la simulación con el Programa de Análisis de Sistema Avanzado (ASAP)18, donde el radio de curvatura de los ángulos redondos (RVRA) y los ángulos de inclinación fueron alrededor de 0,1 mm y 1°, respectivamente. El ancho de la lente Fresnel fue de 129 mm y el espesor es de 1,81 mm. Los resultados del cálculo de simulación se presentan en la Fig. 1c mediante el trazado de rayos de Monte Carlo19, donde el número total de rayos de simulación fue 10 000 000. Cuando se utiliza la lente de Fresnel como lente de enfoque de HCPV, aunque la mayoría de los haces incidentes se pueden concentrar efectivamente en el área de enfoque, que puede ser equivalente al área de recolección de energía, parte de la energía de la luz se disipa fuera del área de recolección de energía. región. El tamaño del área de enfoque en la simulación fue de aproximadamente 1,1 mm × 1,1 mm, la relación de potencia de enfoque fue del 63 % y la relación de fuga de luz fuera del área de enfoque fue del 37 %.

Diagrama esquemático de la estructura de la lente de Fresnel y la propagación del haz simulado. (a) La estructura de la lente de Fresnel. (b) El boceto esquemático representa la imagen ampliada de los surcos en las lentes de Fresnel. ( c ) Simulación de trazado de rayos y un conjunto de ventiladores de rayos de la lente de Fresnel. ( d ) La distribución de flujo óptico simulado en el plano focal. La iluminancia que se muestra fuera del área de enfoque proviene de la luz de fuga.

Otro problema práctico que se presenta cuando se utilizan módulos solares HCPV es que el cielo no siempre puede estar despejado y sin nubes. Entonces, cuando una capa de nubes pasa a través de la luz solar y los módulos solares, los rayos solares se dispersan de forma múltiple por las moléculas de agua dentro de la nube, lo que provoca el cambio de la dirección de viaje de la luz que ingresa al módulo solar, que era casi paralela. El cambio en la dirección del viaje de la luz solar está relacionado con el espesor de las nubes. Cuando el espesor de la nube es delgado, la mayor parte de la dirección de avance de la luz solar no se ve afectada, por lo que la luz solar aún puede concentrarse en los módulos de células solares. Sin embargo, cuando el grosor de la capa de nubes aumenta hasta cierto grosor, los rayos del sol que pasan a través de la capa de nubes chocan con las moléculas de agua al azar, lo que da como resultado una trayectoria de dispersión aleatoria. Por lo tanto, la luz del sol ya no está colimada cuando llega a la lente de Fresnel y, por lo tanto, no puede concentrarse eficientemente en la celda solar con una lente y da como resultado una disminución de la iluminancia en la celda solar. En este caso, si se utiliza una celda solar basada en semiconductores III-V, el HCPV casi no tiene eficiencia de conversión de energía debido a su pequeña área de captación de luz.

Para obtener efectivamente la energía de luz disipada que se debe al uso de lentes de Fresnel y hacer módulos de celdas solares de alta eficiencia que puedan usarse en diversas condiciones climáticas, este trabajo de investigación primero calculó y midió la energía de luz en el área de fuga de luz de Fresnel. lentes con diferentes estructuras bajo irradiación de luz monocromática. Luego, usamos placas difusas con tasas de penetración variables para imitar las condiciones exteriores de diferentes espesores de capa de nubes y medimos la distribución de intensidad de luz lateral en el módulo de celdas solares. Finalmente, resumiendo los resultados de las mediciones de campo al aire libre, proponemos un módulo fotovoltaico solar híbrido de alta concentración, esperando que dicho sistema pueda combinar las ventajas de HCPV y los paneles solares basados en silicio policristalino simultáneamente y lograr una eficiencia de conversión de energía comparable bajo diferentes condiciones climáticas. condiciones.

En cuanto a la estructura de la lente de Fresnel, ni la faceta de tiro ni la RVRA provocada por la fabricación del molde pueden hacer que la luz incidente converja en una misma área focal. Por lo tanto, se forma un área de fuga de luz en el módulo de células HCPV. La faceta de tiro es un efecto secundario del proceso de adelgazamiento de la lente. Cuanto mayor sea la faceta de tiro, más delgada será la lente de Fresnel. Otra cosa que ocurre junto con la faceta de tiro es el ángulo redondo. El ángulo redondo se genera debido al gran ángulo de giro en la estructura de la lente de Fresnel. De manera similar, la estructura de ángulo redondo no puede concentrar la luz solar en la región central. En el proceso de fabricación de la lente de Fresnel, se requiere un ángulo de inclinación de al menos 1° durante el proceso de desmoldeo. El ángulo redondo suele tener un radio de curvatura de cientos de micras o más. Estos factores pueden empeorar aún más la situación de concentración de luz. Podemos estimar su influencia en la concentración de luz de acuerdo con la relación de área de la estructura de facetas de tiro y el ángulo redondo en la estructura de la lente de Fresnel. La fuga de luz L causada por la faceta de tiro y el ángulo redondo se puede expresar

donde AF es el área de proyección de la lente Fresnel. AG es el área de proyección general de la faceta inclinada y AR es el área de proyección ocupada por el ángulo redondo. Por lo tanto, cuando la lente de Fresnel es más delgada, la cantidad de segmentos aumentará, por lo que también aumentará la proporción de fuga de luz. Para verificar la afirmación anterior, usamos dos lentes Fresnel con áreas similares para medir el flujo luminoso, como se muestra en la Fig. 2. En el experimento, se aprovechó un rayo láser monocromático con una longitud de onda central de 532 nm para realizar experimentos de concentración de luz. Como se muestra en la Fig. 2c, la luz láser atravesó primero una lente objetivo y luego una lente de gran apertura para formar el haz de luz colimado. Utilizamos este haz colimado para imitar las características de la luz solar exterior. Las dos lentes de Fresnel se muestran en la Fig. 2, respectivamente, en la trayectoria de irradiación de luz. La lente de Fresnel #1 es una lente más delgada con más segmentos, y la lente de Fresnel #2 es una lente más gruesa con menos segmentos. Al final, se colocó un detector de luz con una apertura rectangular de 10 mm × 16 mm en su plano focal para medir el flujo luminoso del punto de enfoque. Las relaciones de fuga de luz de las dos lentes se midieron en 43% y 36%, respectivamente. Dado que la simulación que se muestra en la Fig. 1 fue para la lente de Fresnel n.º 2 más gruesa, pudimos comparar el resultado de la medición con la simulación que se muestra en la Fig. 1. La fuga de luz de la medición fue del 36 % cuando el área de enfoque era de 10 mm × 16 milímetro La simulación de la fuga de luz fue del 37 % cuando el área de enfoque se fijó en 1,1 mm × 1,1 mm, que era mucho más pequeña que la medida. La diferencia en el área de enfoque se puede explicar de la siguiente manera. Aunque los principales parámetros ópticos importantes de la lente de Fresnel se establecieron en la simulación, la lente de Fresnel simulada aún se encontraba en una condición ideal. Significa que no hubo ningún error de fabricación y que la luz incidente estaba bien colimada. Estos dos factores no fueron posibles en el experimento. Por lo tanto, el punto de enfoque en el experimento podría extenderse lateralmente o desdibujarse en comparación con el caso ideal, como en la simulación. Sin embargo, la simulación y la medición experimental mostraron que se podía observar alrededor del 36-37 % de la fuga de luz fuera del área de enfoque tanto en la simulación como en el experimento. Sin duda, el mecanismo de fuga de una lente de Fresnel quedó bien probado.

Mediciones de fuga de luz de las lentes de Fresnel en el laboratorio. (a) La lente Fresnel más delgada (lente Fresnel #1): 60 segmentos principales con un grosor de 0,56 mm. (b) La lente Fresnel más gruesa (lente Fresnel #2): 9 segmentos principales con un espesor de 1,81 mm. Las dos lentes de Fresnel tienen el mismo radio. (c) La longitud de onda de la irradiación de luz es de 532 nm y la potencia es de alrededor de 100 mW. Con la lente de colimación, el haz de luz cubre completamente las lentes de Fresnel.

Otro problema de aplicabilidad de HCPV resulta del desorden del frente de onda causado por las nubes cuando la luz del sol atraviesa la atmósfera terrestre. Cuando las ondas de luz atraviesan nubes con un grosor considerable, parte de la luz chocará con las gotas de agua, provocará la refracción o el reflejo de la luz y, finalmente, formará una dispersión aleatoria de la luz. Por lo tanto, cuando la luz ingresa a una lente de Fresnel, ya no se puede considerar como luz paralela, mientras que el haz concentrado no se enfocará en el punto central del módulo HCPV. Para probar este efecto, usamos la configuración experimental presentada en la Fig. 2 y colocamos diferentes difusores entre las lentes de colimación y Fresnel. Los tres difusores tenían diferentes transmitancias de un solo disparo, definidas como la relación entre el flujo de luz penetrante y el flujo de incidencia de un determinado difusor20. Estos difusores permiten diferentes relaciones de penetración del haz colimador, que podrían utilizarse para simular la influencia de las nubes sobre la luz solar. Los resultados del experimento se resumen en la Fig. 3. En la Fig. 3a, se pudo observar un punto claro de haz concentrado alrededor del centro del área detectada, lo que indica que la mayor parte de la energía se recolectó en una ubicación limitada. Tal resultado podría usarse para imitar los días con un cielo despejado. De la Fig. 3b–d, pudimos observar en las fotos que los patrones de fondo se volvieron cada vez más borrosos. Al mismo tiempo, la intensidad en el área central disminuyó y la iluminancia del área circundante se acercó más y más a la intensidad en el área central. Las lentes Fresnel #1 (azul) y #2 (roja) exhibieron propiedades similares.

Rendimiento de enfoque de la lente con el uso de anteojos difusores para imitar el clima en diferentes condiciones. Las transmitancias de un disparo de los difusores son (a) 100 % sin difusor para el cielo despejado, (b) 83 % para la nube ligera, (c) 65 % para la nube media y (d) 56 % para el cielo. nube pesada.

La fuente de luz utilizada en el laboratorio se derivó de un diodo láser verde y no se ajustaba a las condiciones prácticas. Para comprender el efecto óptico afectado por la estructura de la lente de Fresnel, necesitamos comparar la iluminancia por la iluminación de la luz solar y por la simulación correspondiente. Por lo tanto, medimos la iluminancia de la luz solar enfocada con la lente de Fresnel. En las mediciones, elegimos la lente de Fresnel n.° 2 para los experimentos y usamos un fotodetector (Thorlabs PM16-12) que se puede utilizar con iluminación de alta potencia para medir la potencia del punto focal. Dado que la medición se realizó bajo la luz solar en movimiento y el punto de enfoque no era un punto diminuto ideal, la iluminancia estaba relacionada con el tamaño de apertura del fotodetector. El resultado fue que la medición precisa de la luz solar de enfoque se volvió difícil. Alternativamente, cambiamos la apertura del fotodetector para recopilar más datos e intentamos encontrar la correlación entre la iluminancia y el tamaño de la apertura. Los resultados de la medición se muestran en la Fig. 4, donde el eje vertical indica la relación de iluminancia en el punto de enfoque y el suelo sin una lente de enfoque. Hay tres curvas de simulación. La curva negra es la relación de iluminancia enfocada calculada para una lente convencional con el mismo número f. Las curvas azul y rosa se obtienen utilizando lentes de Fresnel con RVRA de 0,2 mm y 0,5 mm, respectivamente. La ligera diferencia entre las tres curvas fue causada por las estructuras geométricas de la lente de Fresnel. La situación de la medida era diferente. La luz del sol en movimiento dificultaba la medición de la iluminancia a través de una pequeña abertura. Por lo tanto, decidimos cambiar el tamaño y la forma de la apertura (incluidos el círculo y el cuadrado). La medición se muestra en la Fig. 4, donde el resultado de la medición muestra una tendencia similar de la relación en función del área de apertura. Por lo tanto, la simulación de lentes de Fresnel ayudó a predecir la propiedad óptica de la luz solar.

Mediciones de rendimiento de lentes de Fresnel bajo la luz solar. Cuando se cambiaron el tamaño y la forma de la apertura, la medición se realizó bajo la luz solar clara con una lente de Fresnel n.º 1. Las tres curvas muestran las simulaciones relacionadas.

Para comprender la eficiencia de concentración y las características de fuga de luz del módulo HCPV en condiciones climáticas reales, aún seleccionamos la lente de Fresnel n.º 2 para todos los siguientes experimentos de medición de campo. Configuramos una matriz de lentes Fresnel de 2 × 2 en una caja con dos dimensiones de rotación. El conjunto de lentes de Fresnel se puede ajustar manualmente para mirar directamente hacia el sol en cualquier momento. Durante la medición, se produjeron diferentes condiciones climáticas a medida que cambiaba el espesor de la capa de nubes. Por lo tanto, pudimos observar en la parte inferior del cuadro que el brillo del área de fuga de luz variará dependiendo del cambio en el espesor de la nube. La iluminancia de esta área fue la cantidad física a medir en este experimento.

Durante el proceso de medición de medio año, podemos dividir aproximadamente las condiciones meteorológicas en tres situaciones según el grosor de las nubes. El primero es un cielo despejado, es decir, no hay nubes al mirar al cielo, y la iluminancia del suelo supera los 100.000 lx. El segundo es un cielo ligeramente nublado, es decir, el espesor de la capa de nubes es delgado y el sol aún se puede ver vagamente a través de la capa de nubes. En los días nublados, parte de la luz sigue siendo paralela, por lo que el punto de enfoque todavía se puede observar claramente. Sin embargo, la intensidad de la luz en el punto focal se ha reducido considerablemente en comparación con el cielo despejado. El tercero es un cielo nublado pesado, es decir, la capa de nubes es más gruesa y el brillo de todo el cielo es más uniforme. En este tipo de clima, se necesita trabajo para saber la posición correcta del sol. Es decir, después de que las nubes dispersan la luz del sol, su frente de onda se distribuye irregularmente. En este momento, no se puede ver ningún punto de enfoque en la parte inferior del cuadro. Después de más de seis meses de mediciones, medimos la iluminación del suelo y la fuga de luz en diferentes condiciones climáticas. Los resultados medidos y la relación entre las dos cantidades físicas se resumen en la Fig. 5. La Figura 5a–c muestra los valores de la iluminancia del suelo (barras azul claro) y la iluminancia de fuga (barras azul oscuro) para cielo despejado, ligeramente días nublados y muy nublados, respectivamente. Las curvas rojas de la figura registran los índices de ocupación de la intensidad de la luz en el área de fuga de luz bajo un cielo despejado, días ligeramente nublados y muy nublados, que fueron alrededor del 40 %, 65 % y 80 %, respectivamente. Los resultados experimentales muestran que el porcentaje de fuga de luz debajo de la lente de Fresnel fue mayor cuando la capa de nubes era más espesa. El valor de iluminación del suelo disminuyó con el aumento del espesor de la nube, lo que significa que la energía convergida por la lente de Fresnel en el punto de enfoque también se redujo.

Resultados de la medición de campo bajo diferentes condiciones climáticas. (a) cielo despejado, (b) nubes ligeras y (c) nubes pesadas. Incluso en días nublados, el área donde se disipa la luz aún puede tener casi el 80% de la luz debido a la presencia de la lente. Esto es muy útil para desarrollar la energía solar fotovoltaica y el equilibrio agroecológico al mismo tiempo.

A partir de los resultados experimentales anteriores, es importante e interesante encontrar que los valores de iluminancia del área de fuga de luz no muestran cambios significativos incluso con diferentes espesores de nubes. Esto se debe a que el porcentaje de fuga de luz es menor cuando la iluminación del suelo es mayor. El valor de iluminancia del suelo disminuye cuando aumenta el espesor de la nube, pero aumenta el porcentaje de fuga de luz. Entonces encontramos que la iluminancia del área de fuga estará cerca de un valor constante independientemente de las condiciones climáticas. La fuga de luz de HCPV es causada por dos fenómenos ópticos, incluida la dispersión de la luz solar por las nubes y la fuga de luz causada por la estructura de la lente de Fresnel. Este tipo de fuga de luz debe utilizarse adecuadamente. La primera idea es cambiar la placa base del HCPV convencional de un disipador de calor de metal a un medio transparente para que la luz del exterior del centro pueda llegar al suelo. Esta distribución de la luz solar entre 20.000 y 40.000 lx debería favorecer el crecimiento de algunas plantas en el suelo. Por lo tanto, las actividades agrícolas con iluminación media se pueden llevar a cabo cambiando a zócalos transparentes. Además, desde el punto de vista de la generación de energía, también podemos usar paneles solares de bajo costo para colocar en el área de fuga para la generación de energía, por lo que diseñamos una instalación de generación de energía que combina las ventajas de los paneles solares HCPV y policristalinos.

Se diseña y propone un sistema fotovoltaico híbrido de alta concentración colocando un panel solar III-V de alta eficiencia en el punto focal y colocando un panel solar a base de silicio policristalino alrededor, como se muestra esquemáticamente en la Fig. 6a. En el diagrama esquemático de la Fig. 6a, el haz paralelo del sol pasa a través de la lente de Fresnel y se enfoca en el panel solar de alta eficiencia. La fuga de luz de la estructura de la lente de Fresnel y la luz dispersa de la luz del sol que pasa a través de las nubes se pueden dirigir al panel solar basado en silicio policristalino (PSSP) para la generación de energía. Cuando el cielo está despejado, la luz se concentra en la celda solar de alta eficiencia, por lo que la eficiencia de generación de energía es alta. En una nube densa, la luz del sol no se puede concentrar en la celda solar de alta eficiencia, por lo que un HCPV convencional no puede generar electricidad de manera efectiva, pero este diseño aún puede generar electricidad mediante paneles solares policristalinos.

Propuesta de dispositivo híbrido fotovoltaico de alta concentración. (a) El diagrama esquemático del dispositivo fotovoltaico híbrido propuesto incluye una lente de Fresnel, un componente fotovoltaico III-V de alta calidad ubicado en el área enfocada y PSSP convencionales dispuestos alrededor. (b) Las comparaciones de la relación de generación de energía entre los tres diseños, donde las barras azules son para el escenario de cielo despejado y las barras grises son para el escenario de cielo con nubes densas a las que se hace referencia en la Fig. 5c.

Para estimar la eficiencia de generación de energía de nuestro sistema fotovoltaico híbrido de alta concentración propuesto bajo diferentes condiciones climáticas, comparamos la capacidad de generación de energía de los sistemas de generación de energía convencional, fotovoltaica de alta concentración (HCPV) e híbrido HCPV. En primer lugar, suponemos que el área de la lente de Fresnel es de unos 163,8 cm2, mientras que el área del panel solar III-V es de 0,75 cm2, por lo que el área del panel solar de silicio policristalino es de 163,05 cm2. Dado que las eficiencias de conversión de fotones son del 15 % y 45 % para los semiconductores compuestos PSSP y III-V, asumimos eficiencias de conversión de α y 3α para un panel solar PSSP y III-V, respectivamente. Con base en la suposición anterior, calcularemos la generación de energía para diferentes celdas solares bajo varias condiciones de nubes.

El primero es el escenario de cielo despejado al que se hace referencia en las condiciones de la Fig. 5a. Para simplificar, asumimos que la iluminación del suelo es de 100.000 lx. Por lo tanto, la generación de energía de un PSSP en un cielo despejado se puede calcular

La medida que se muestra en la Fig. 5a indica que la fuga de luz debajo de la lente de Fresnel es el 40 % de la iluminancia del suelo sin la lente de Fresnel. Suponemos que el flujo óptico en el área de enfoque del HCPV es el resto de la potencia transmitida a través de la lente de Fresnel donde hay un 10 % adicional de pérdida de Fresnel. La generación de energía del HCPV (PHCPV) y el HCPV híbrido (Phybrid) se pueden escribir respectivamente

Las ecuaciones (3) y (4) indican que el HCPV híbrido podría reservar el 40% de la fuga de energía bajo la luz del sol en un cielo despejado, y finalmente alcanza alrededor del doble de la generación de energía de un PSSP, como se muestra en las barras azules en la Fig. 6b.

A continuación, discutimos el caso de días de nubes pesadas referido a las condiciones de la Fig. 5c. Aquí, suponemos que la iluminancia en el suelo es el 20% de la que hay bajo el cielo despejado, es decir, 20.000 lx o 0,2PPSSP. Por lo tanto, la generación de energía del PSSP es de aproximadamente 0,2 PPSSP. En la Fig. 5c, la fuga de luz de la lente de Fresnel se establece en un 80 %, por lo que la generación de energía en el área de fuga de luz es de alrededor de 0,16 PPSSP. En tales condiciones, no hay un punto de enfoque prominente en la celda solar III-V apretada, como se muestra en la Fig. 3d, por lo que la generación de energía del HCPV se puede calcular alrededor de PPSSP/400. Significa que el HCPV sufre de la nube pesada en el cielo y no tiene ninguna función bajo tal condición. Sin embargo, el HCPV híbrido todavía puede reservar el 80 % de la luz solar debido a la fuga de luz, y la generación de energía total es de alrededor de 0,16 PPSSP, como se muestra en las barras grises de la Fig. 6b. Como resultado, el HCPV híbrido actúa mejor que un HCPV en un cielo despejado y como un PSSP en un cielo de nubes densas.

La comparación de la relación de generación de energía de diferentes dispositivos solares fotovoltaicos se resume, como se muestra en la Fig. 6b. Los resultados del cálculo muestran que un HCPV híbrido genera más electricidad que un HCPV en todos los escenarios al recolectar la luz de fuga de la lente de Fresnel, y la generación de energía es similar a la de un PSSP en días muy nublados cuando un HCPV pierde su función. El HCPV híbrido propuesto es un nuevo diseño que puede mejorar la eficiencia de generación de energía y adaptarse a diversas condiciones de la nube.

En este artículo, comenzamos con los estudios teóricos y prácticos de una lente de Fresnel y analizamos la característica inherente de fuga de luz cuando se usa una lente de Fresnel como lente de enfoque. Señalamos que la fuga de luz también es causada por la dispersión de las nubes, que es un factor inevitable para un HCPV. Luego se realizaron una serie de experimentos con los cálculos correspondientes para probar el mecanismo de fuga de luz, incluso desde la lente de Fresnel y las nubes. La medición de campo correspondiente con el uso de una lente de Fresnel para enfocar la luz solar se realizó durante seis meses para diversas condiciones de cielo nublado.

Según los resultados adquiridos, el hallazgo más valioso fue que el concentrador solar basado en la lente de Fresnel tiene una iluminancia de alrededor de 20 000 a 40 000 lx en la región de fuga de luz, ya sea un día soleado o un día nublado con diferentes espesores de nubes. Esta es una característica inherente de HCPV basada en la lente de Fresnel y las características de la luz solar nacional. Tal propiedad podría ser útil en fábricas de energía solar con beneficios agrícolas.

Este hallazgo nos llevó a proponer un módulo solar híbrido de alta concentración en el que se colocan PSSP más rentables alrededor de la oblea de alta eficiencia de HCPV para capturar la fuga de luz disipada y convertirla en electricidad utilizable. Tal sistema puede exhibir una eficiencia de conversión extremadamente alta bajo diferentes condiciones de nubes. Bajo el supuesto de que las eficiencias de conversión son del 15% y 45% de los semiconductores compuestos PSSP y III-V, respectivamente, el sistema híbrido propuesto podría alcanzar una eficiencia de generación de energía del 190% y 126% en comparación con los sistemas PSSP y HCPV, respectivamente, en el cielo limpio. Cuando hay nubes densas, el sistema HCPV casi no tiene eficiencia de generación de energía, mientras que el sistema híbrido propuesto puede mantener más del 80 % de la eficiencia de generación de energía del sistema PSSP. Por lo tanto, el nuevo sistema de energía solar propuesto es útil para alcanzar una generación de energía solar óptima bajo diferentes cielos nublados.

Todos los conjuntos de datos de este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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El autor desea agradecer a Breault Research Organisation (BRO), Inc. por patrocinar el programa de software ASAP. Además, los autores quisieran agradecer a la Escuela Secundaria Fudan (Taoyuan) por su apoyo a la medición de campo. La investigación fue patrocinada por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de Taiwán con la subvención no. MOST 111-2218-E-008-004 –MBK y MOST 111-2221-E-008 -028 -MY3.

Departamento de Fotónica, Facultad de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad Nacional Yang Ming Chiao Tung, Hsinchu, 30010, Taiwán

Chi Sun y Tsung Sheng Kao

Departamento de Óptica y Fotónica, Universidad Nacional Central, Jongli, Taoyuan, 32001, Taiwán

Chi-Shou Wu, Yong-Sheng Lin, Shuo-Ting Fang, Yao-Hsuan Chiu y Ching-Cherng Sun

Departamento de Electrofísica, Universidad Nacional Yang Ming Chiao Tung, Hsinchu, 30010, Taiwán

Sol Ching-Cherng

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El concepto y el diseño del estudio estuvieron a cargo del líder del equipo CCS; CS realizó principalmente el experimento de 4 años y la simulación correspondiente; CSW, STF, YHC realizaron la medición de campo; CSW y YSL hicieron simulación; TSK participó en la discusión y fue responsable de la preparación del manuscrito con CS, CSW y CCS

Correspondencia a Ching-Cherng Sun.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Sun, C., Wu, CS., Lin, YS. et al. Sistema fotovoltaico híbrido de alta concentración diseñado para diferentes condiciones climáticas. Informe científico 13, 5206 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32128-z

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Recibido: 27 diciembre 2022

Aceptado: 22 de marzo de 2023

Publicado: 30 de marzo de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32128-z

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