Characterization and Diagnosis of Concentrator Photovoltaic Systems based on Image Acquisition

Concentrator Photovoltaics (CPV) is a branch of photovoltaics (PV) that makes use of optical systems for concentrating the sunlight onto small high-efficiency solar cells. The optical systems used for the light concentration may be refractive or reflexive, being the most widely used configuration a Fresnel lens as primary optical element (POE) along with an optional secondary optical element (SOE) usually attached to the solar cell (whose purpose is to enhance the light concentration and homogenise its distribution over the cell aperture). These highly efficient solar cells are usually multijunction (MJ) solar cells based on III-V semiconductors, which use a wider part of the sunlight spectrum for generating electricity. In this regard, the efficiency record of a solar cell is 47.1% achieved by the 6 Junction solar cell of the NREL. Although the actual prices of CPV in areas with high DNI (0.10-0.15€/kWh) remain higher than the prices for the conventional silicon photovoltaics (Si-PV) (0.043-0.045€/kWh), the stagnation of prices for this last and the near-future predictions for CPV make this technology attractive for some extreme-weather places and/or high-density energy requirements. The trends that are currently being followed in CPV tend to miniaturize the dimensions of the modules through the reduction of the lens and the receiver sizes, developing the known-as micro-CPV architectures. The reliance of the CPV modules on optical systems that catch the DNI and focus it on small-area receivers makes critical to guarantee a good alignment between the optics and the photovoltaic receivers. A misalignment is defined as a misplacement of the unit’s elements with respect to its ideal position, which create a divergence between its optical axis and its optimum pointing position. Then, misalignments between these parts provoke an output power reduction in the module and an efficiency loss. They can be originated by many causes such as manufacturing/assembly errors, deformations, deficient mounting on the tracker or even thermal stress due to the outdoor weather conditions. Characterizing them is a complex task that can be performed through direct or indirect methods. Direct methods measure the electrical response of the module under different angles of incidence of the light, whereas indirect methods use the luminescence inverse method (that takes profit of the module receivers’ electroluminescent behaviour as Lambertian emitters) for characterizing the alignment between the module units. Both make use of complex set-ups that in addition require from expensive items such as a collimator mirror. Moreover, these methods are not adaptable to measure misalignments in units of micrometric sizes (such as the ones composing the micro-CPV architectures) or at different levels, such as for example misalignments between modules installed in a CPV plant. This thesis presents a method for measuring misalignments in CPV devices through a characterization based on image acquisition and its processing. This method is able to measure misalignments in different CPV architectures (as the micro-CPV) and at different levels (being able to characterize the misalignments between units in a module or between modules on a tracker). The fundamentals of the method strike on measuring the relative position of the receiver magnified through the POE with respect to a given reference and transform the position in the image into an angular misalignment using a constant that can be obtained through several ways (experimental, theoretical or through simulation). Since the CPV optics are not conceived for image formation, a photograph of the receiver observed through it implies some non-idealities on the image formation of the receiver. Moreover, for having comparable information in a set of images, they must be acquired by placing the camera in the same position with respect to each unit under study. For these reasons, a methodology has been established for the obtention of a clear image of the receiver magnified through the lens, along with a characterization set-up aimed at positioning the camera precisely along and over the module aperture. Moreover, image processings have been developed in order to obtain accurately and automatically the receiver relative position in the images and the implications/effects of not having a precise control in the camera positioning have been studied. Three different works using this method have been published and comprise the results of this thesis. The first one shows the basis of the method and validates it through an experimental measurement. The translation between the information measured in the images in pixels to misalignments is done consistently through constants that are obtained through raytracing simulations or experimentally. The second one shows the suitability of the method in measuring misalignments in micro-CPV modules. For this, two measurements of the misalignments of the lens-receiver units that compose a novel module with integrated tracking are presented. The difference between the two measurements is an offset that has been introduced manually through the integrated tracking mechanism. And the third one shows a characterization of the misalignments between 48 CPV modules mounted on a tracker, for which the camera position is not controllable and some considerations regarding the misalignments extraction from the images must be done. RESUMEN La tecnología fotovoltaica de concentración (CPV) es una rama de la fotovoltaica (PV) que utiliza sistemas ópticos para concentrar la luz solar en pequeñas células solares de alta eficiencia. Los sistemas ópticos utilizados para la concentración de luz pueden ser refractivos o reflexivos, siendo la configuración más utilizada una lente de Fresnel como elemento óptico primario (POE) junto con un elemento óptico secundario opcional (SOE) generalmente adherido a la célula solar (cuyo propósito es mejorar la concentración de luz y homogeneizar su distribución sobre la apertura de la célula). Estas células solares altamente eficientes suelen ser células solares multiunión (MJ) basadas en semiconductores III-V, que utilizan una parte más amplia del espectro de la luz solar para generar electricidad. A este respecto, el récord de eficiencia de una célula solar es del 47,1%, alcanzado por la célula solar de 6 uniones del NREL. Aunque los precios reales de la CPV en zonas con alta DNI (0,10-0,15€/kWh) siguen siendo superiores a los precios de la fotovoltaica convencional de silicio (Si-PV) (0,043-0,045€/kWh), el estancamiento de los precios de esta última y las predicciones de futuro inmediato para la CPV hacen que esta tecnología sea atractiva para algunos lugares con clima extremo y/o requisitos de energía de alta densidad. Las líneas de desarrollo que se están siguiendo actualmente en la CPV tienden a miniaturizar las dimensiones de los módulos mediante la reducción del tamaño de la lente y del receptor, desarrollando arquitecturas denominadas como micro-CPV. La dependencia de los módulos CPV de sistemas ópticos que captan la DNI y la enfocan en receptores de área pequeña hace crítico garantizar un buen alineamiento entre la óptica y los receptores fotovoltaicos. Un desalineamiento se define como una mala colocación de los elementos de la unidad con respecto a su posición ideal, lo que crean una divergencia entre su eje óptico y su posición óptima de orientación. Por ello, los desalineamientos entre estas partes provocan una reducción de potencia de salida en el módulo y una pérdida de eficiencia. Pueden originarse por diversas causas como errores de fabricación/montaje, deformaciones, montaje deficiente en el seguidor o incluso estrés térmico debido a las condiciones climáticas exteriores. Su caracterización es una tarea compleja que se puede realizar a través de métodos directos o indirectos. Los métodos directos miden la respuesta eléctrica del módulo bajo diferentes ángulos de incidencia de la luz, mientras que los métodos indirectos utilizan el método de luminiscencia inverso (que aprovecha el comportamiento electroluminiscente de los receptores del módulo como emisores lambertianos) para caracterizar el alineamiento entre las unidades del módulo. Ambos hacen uso de configuraciones de medida complejas que además requieren elementos costosos como un espejo colimador. Además, estos métodos no son adaptables para medir desalineamientos en unidades de tamaño micrométrico (como las que componen las arquitecturas micro-CPV) o a diferentes niveles, como, por ejemplo, desalineaciones entre módulos instalados en una planta CPV. Esta tesis presenta un método para medir desalineamientos en dispositivos CPV a través de una caracterización basada en la adquisición de imágenes y su procesamiento. Este método es capaz de medir desalineaciones en diferentes arquitecturas CPV (como micro-CPV) y a diferentes niveles (pudiendo caracterizar las desalineaciones entre unidades de un módulo o entre módulos en un seguidor). Los fundamentos del método radican en medir la posición relativa del receptor magnificada a través del POE respecto a una referencia dada y transformar la posición en la imagen en un desalineamiento angular utilizando una constante que se puede obtener de varias formas (experimental, teórica o mediante simulación). Dado que la óptica CPV no está concebida para la formación de imágenes, una fotografía del receptor observado a través de ella implica algunas no idealidades en la formación de la imagen del receptor. Además, para tener información comparable en un conjunto de imágenes, éstas deben adquirirse colocando la cámara en la misma posición con respecto a cada unidad bajo estudio. Por estas razones, se ha establecido una metodología para la obtención de una imagen nítida del receptor magnificado a través de la lente, junto con un montaje experimental de caracterización destinado a posicionar la cámara con precisión a lo largo y sobre la apertura del módulo. Además, se han desarrollado procesamientos de imagen para obtener de forma precisa y automática la posición relativa del receptor en las imágenes y se han estudiado las implicaciones/efectos de no tener un control preciso en el posicionamiento de la cámara. Tres trabajos diferentes que utilizan este método han sido publicados y comprenden los resultados de esta tesis. El primero muestra las bases del método y lo valida a través de una medición experimental. La traducción entre la información medida en las imágenes en píxeles a desalineaciones se realiza de manera consistente a través de constantes obtenidas mediante simulaciones de trazado de rayos o experimentalmente. El segundo trabajo muestra la idoneidad del método en la medición de desalineaciones en módulos micro-CPV. Para ello, se presentan dos medidas de los desalineamientos de las unidades lente-receptor que componen un novedoso módulo con seguimiento integrado. La diferencia entre las dos medidas es un desplazamiento que se ha introducido manualmente a través del mecanismo de seguimiento integrado. Y el tercero muestra una caracterización de las desalineaciones entre 48 módulos CPV montados en un seguidor, para lo cual la posición de la cámara no es controlable y se deben hacer algunas consideraciones respecto a la extracción de desalineaciones de las imágenes