Simulador solar de espectro variable para caracterización de sistemas fotovoltaicos.

Permite obtener un espectro ajustado al espectro solar, tanto si éste es un espectro estándar o un espectro real ajustado a unas condiciones locales de irradiación. También permite la reproducción de las características espacio-angulares del sol. Comprende una fuente luminosa de amplio espectro cuyo flujo sale a través de una apertura, un sistema óptico que colima dicha fuente primaria, un sistema que dispersa el haz cromáticamente, un sistema óptico que forma imagen de la fuente primaria dispersada en una cierta posición, dónde se coloca, una máscara espacial que permite filtrar espectralmente la irradiancia recibida, un sistema óptico que captura el espectro filtrado y lo reconduce, mezcla y concentra en una fuente secundaria con las características espectrales, angulares y espaciales buscadas, un sistema óptico que colima dicha fuente secundaria de forma que reproduzca las características angulares del sol y un sistema de control

Simulador solar de espectro variable.

Sector de la técnica

La invención se encuadra dentro del campo de los simuladores solares, más concretamente el sistema sirve para generar una fuente de laboratorio con las características del sol, reproduciendo su espectro y sus propiedades angulares o de colimación. Tanto el espectro como la colimación pueden ser modulados a voluntad.

Estado de la técnica

La creciente necesidad de energías renovables y sostenibles ha dado un nuevo impulso a la conversión fotovoltaica de la energía solar. La tecnología fotovoltaica se basa en el efecto fotoeléctrico. Cuando ciertos materiales llamados semiconductores son expuestos a los rayos solares, los electrones de la banda de valencia pueden ser excitados a la banda de conducción. Cuando este fenómeno ocurre, la estructura física de los semiconductores crea un campo eléctrico que establece una trayectoria de los electrones de manera que se genera una corriente eléctrica. Este efecto fotoeléctrico tiene lugar en las células fotovoltaicas.

La caracterización de la respuesta de las células fotovoltaicas se realiza a través de sistemas que en esencia reproducen un espectro similar al solar. El espectro AM1.5G es el patrón de referencia que se emplea para la caracterización de sistemas y células fotovoltaicas de tecnología de módulo plano (atendiendo a la norma IEC 61904-1). Para poder llevar a cabo caracterización de dichos sistemas en el interior, es necesaria una fuente de luz de laboratorio capaz de reproducir ese espectro. Son los \hbox{denominados simuladores solares, que en esencia reproducen un espectro similar al solar.}

En este sentido, los simuladores convencionales hacen uso de una fuente primaria (lámparas de xenón y halógenas) que reproducen un espectro bastante parecido al AM1.5G. Estas lámparas presentan una serie de picos en el infrarrojo cercano (800 a 1.000 nm) que suelen eliminarse mediante el uso de filtros dicroicos. La óptica se configura para obtener una irradiancia uniforme y lo más próxima posible a la irradiancia solar. Esta configuración es útil en tecnologías fotovoltaicas convencionales de módulo plano e incluso en aquellas que trabajan a baja concentración como con las células de silicio y células fotovoltaicas de homo-unión.

En el caso de sistemas de alta concentración, en los que se hace uso de un sistema óptico para concentrar la luz solar por encima de 200 veces sobre una célula de alta eficiencia, la situación es distinta. A día de hoy no existe ningún estándar de referencia para caracterización de este tipo de sistemas. No obstante, el uso lámparas de xenón con filtros espectrales no proporciona datos tan fiables como en el caso de módulo plano ya que las células fotovoltaicas usadas, típicamente multi-unión organizadas en tándem, como por ejemplo las basadas en semiconductores III-V, necesitan de un acoplo en serie de la corriente eléctrica que atraviesa la célula. Cada unión p-n genera una cierta cantidad de foto-electrones en su banda de absorción y que debe ser la misma cantidad en las otras uniones p-n acopladas en serie para que el rendimiento sea óptimo. Este diseño hace que las células fotovoltaicas tengan una gran sensibilidad a la distribución espectral de la fuente solar, lo cual obliga a un diseño cuidadoso que debe considerar el espectro de radiación que nominalmente va a recibir la célula.

Por tanto, la caracterización de su respuesta no es posible realizarla con los simuladores solares conocidos, pues la similitud con el espectro solares pobre, está fijada de antemano y está limitada por diseño, ya que los filtros dicroicos no permiten ajustar el espectro de una manera fina sin aumentar el coste del simulador de forma prohibitiva. Es por ello necesario un sistema de menor coste que permita generar espectros variables y mucho más próximos a la distribución espectral de energía solar.

Por otro lado, el hecho de usar una óptica de alta concentración provoca la necesidad de alinear estrictamente el sistema hacia el sol. Los simuladores solares habituales tampoco están pensados para cubrir la necesidad de una fuente simulada que tenga las mismas características de distribución angular que el sol y con ello poder reproducir fielmente las condiciones de operación real del dispositivo fotovoltaico.

El estado de la técnica actual muestra multitud de variantes de simuladores solares. En lo que respecta a caracterización de células solares convencionales, tal y como se comentó previamente, en la norma IEC 61904-1 se especifican las condiciones mínimas que debe cumplir la fuente de iluminación. Dichos requisitos suelen cumplirse mediante el uso de una lámpara de xenón seguida de un filtro AM1.5. No obstante, continuamente han aparecido mejoras orientadas a aplicaciones concretas.

Centrando el análisis en simuladores cuyas propuestas de mejora coincidan con las de la invención, principalmente la capacidad de reproducir de forma muy precisa la distribución espectral solar, se pueden encontrar en el estado de la técnica diversas aproximaciones.

Por ejemplo, en US 4641227 el sistema propuesto es bastante simple y en consecuencia poco versátil. Se plantea el uso de una lámpara de xenón en combinación con una lámpara de filamento incandescente. La suma de ambas reproduce con cierta exactitud el espectro AM1.5, no obstante, no se dispone de la posibilidad de reproducir distintas distribuciones espectrales. Además, para caracterización de sistemas de concentración el grado de aproximación al espectro solar es aún insuficiente.

Por su parte en US 4789989 y US005217285 A, se plantean sistemas que hacen uso de una serie de lámparas y guías de ondas para obtener distintas fuentes de radiación en determinados rangos espectrales. Controlando el tipo y el número de lámparas y la intensidad de radiación de cada una se puede controlar el espectro de salida.

Finalmente, en US6590149B2 la fuente de luz consiste en una única lámpara. Se hace uso de uno o varios filtros distintos dotados de un sistema de accionamiento que permite moverlo dejando pasar la cantidad de luz necesaria por cada uno de ellos para reproducir en el receptor el espectro deseado.

En lo que respecta a simuladores solares diseñados específicamente para sistemas de concentración, la mayoría de las propuestas se orientan a la caracterización de células de triple unión. Son escasas las aportaciones al estado de la técnica en las que el objeto final de la invención es el de la caracterización de sistemas completos o de ópticas de concentración. Además, en aquellos casos en los que es éste el objetivo fundamental, se observan una serie de carencias que inducirán diferencias significativas frente a los resultados obtenidos ante condiciones reales de radiación solar. La principal carencia identificada es la incapacidad para reproducir el espectro solar dentro de ciertos márgenes de error.

Descripción detallada de la invención

La presente invención describe un simulador solar de espectro variable para caracterización de sistemas fotovoltaicos o componentes del mismo. En ella se solucionan los problemas existentes en el Estado de la Técnica descritos anteriormente, ya que permite obtener un espectro ajustado al espectro solar, tanto si éste es un espectro estándar o un espectro real ajustado a unas condiciones locales de irradiación así como también permite la reproducción de las características espacio-angulares del sol. Básicamente comprende:

1. Simulador solar de espectro variable caracterizado porque comprende: