Concentrated photovoltaics : optimization of the second stage
Photovoltaïque à concentration : optimisation de l'étage secondaire
Résumé
Concentrating Photovoltaics (CPV) is one of the most promising ways to generate clean energy at potentially reduced costs. The main idea is to use optical elements to concentrate the solar rays on a multi-junction solar cells to take advantage of their high efficiencies. Concentrators for CPV can have very different architectures and optical elements, resulting in a wide variety of possible designs. A typical optical architecture for a CPV concentrator is formed by: a first optical element called the primary optical element (POE) which collects the direct rays of the sun, it can be either refractive or reflective. And a secondary optical element (SOE) that receives light from the primary and sends it to the cell. The main role of this element in a CPV unit is to broaden the angle of acceptance and to homogenize the irradiance distribution on the solar cell. Our research thematic deals with this kind of solar concentrators, it concerns the design, testing and optimization of two-stage CPV units, that use a Fresnel lens as POE. After a detailed bibliographic study, we carried out a comparative study of four solar concentrators dedicated to high concentration photovoltaic systems. These four concentrators are formed from the same Fresnel lens associated to four secondaries: a compound parabolic concentrator (CPC), a crossed compound parabolic concentrator (CCPC), a pyramid and a cone. Four materials with different refractive indices were considered. The Fresnel lens has a diameter d = 350mm and a focal length f = 265mm. Our simulations are performed using the TracePro ray tracing software. The results showed that the pyramid was the best performing SOE. For the experimental test we designed small size prototypes, a parametric analysis was carried out to highlight the main performances of the secondary element, as it is the most critical element in the CPV unit. Experimental set ups have been realized for the indoor and outdoor measurements and characterization of the prototypes. The results show that the measured optical efficiencies and acceptance angles of the CPV units were very close to those obtained by optical simulations. The pyramid gives the best optical efficiency and the widest angle of acceptance. Electrical measurements also confirmed that the best solution for the secondary optic is the pyramid because it shows the higher electrical power and the efficiency. The optical and electrical efficiencies reach respectively 80,81% and 30.77%, these results correspond to the best efficiencies recorded in the literature.
Le Photovoltaïque à concentration (CPV) est l’un des moyens les plus prometteurs de générer l’énergie propre à des coûts potentiellement très réduits. Son idée consiste principalement à utiliser des éléments optiques pour concentrer les rayons solaires sur des cellules multi-jonctions de petites tailles pour profiter de leurs rendements élevés. Une architecture optique typique pour un concentrateur CPV est formée par : un premier élément optique appelé élément optique primaire qui recueille les rayons directs du soleil, il peut être soit réfractif ou réfléchissant. Et un élément optique secondaire qui reçoit la lumière du primaire et la renvoie à la cellule, l’ajout de cet élément dans un système CPV aide à élargir l’angle d’acceptance et à homogénéiser la distribution de l’irradiance sur la cellule. C’est dans ce contexte que s’inscrit notre travail de recherche qui porte sur le CPV à deux étages à base des lentilles de Fresnel comme POE et de différentes formes géométriques comme secondaire. Nous avons réalisé une étude comparative de quatre concentrateurs à base de la lentille de Fresnel, dédiés aux systèmes photovoltaïques à haute concentration. Ces quatre concentrateurs sont formés de la même lentille de Fresnel comme élément optique primaire et quatre secondaires : CPC, CCPC, pyramide et cône. Quatre matériaux avec des indices de réfraction différents ont été considérés. La lentille a un diamètre d = 350mm et une distance focale f = 265mm. Nos simulations sont effectuées à l’aide du logiciel de traçage de rayons TracePro. Les résultats ont montré que la pyramide était le SOE le plus performant. Pour les tests expérimentaux nous avons conçu des prototypes de petites tailles, une analyse paramétrique a été réalisée pour mettre en évidence les principales performances de l’élément secondaire. Des bancs de mesure ont été montés pour comparer les efficacités optiques et électriques des différents prototypes. Les résultats montrent que les rendements optiques mesurés et les angles d’acceptance des unités CPV étaient très proches de ceux des simulations optiques. La pyramide offre la meilleure efficacité optique (80,81%) et le plus grand angle d’acceptance (2,03°). Les mesures électriques ont également confirmé que la meilleure solution pour l’optique secondaire est la pyramide car elle accorde une puissance et un rendement électriques plus élevés. Les efficacité optique et électrique obtenues sont respectivement 80,81% et 31%, ces résultats correspondent aux meilleures efficacités enregistrées dans la littérature.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)