UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACIÓN TESIS DOCTORAL DEVELOPMENT OF SOLAR THERMOPHOTOVOLTAIC SYSTEMS Alejandro Datas Medina Ingeniero en Electrónica 2011 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID Instituto de Energía Solar Departamento de Electrónica Física Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación TESIS DOCTORAL DESARROLLO DE SISTEMAS TERMOFOTOVOLTAICOS SOLARES AUTOR: Alejandro Datas Medina Ingeniero en Electrónica DIRECTOR: Carlos Algora del Valle Doctor en Ciencias Físicas 2011 Tribunal nombrado por el Magfco. Y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politécnica de Madrid. PRESIDENTE: VOCALES: SECRETARIO: SUPLENTES: Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis en Madrid, el día ___ de _____ de 20___. Calificación: EL PRESIDENTE LOS VOCALES EL SECRETARIO A mi padre “What„s the right way and the wrong way to report results? Disinterestedly, so that the other man is free to understand precisely what you are saying, and as nearly as possible not covering it with your desires” Richard P. Feynman Agradecimientos Trabajar en un entorno como el IES ha sido un privilegio, principalmente por la calidad humana de las personas que lo integran, de las que siempre he podido aprender algo. Elisa me ha ensenado˜ a desconfiar de todo aquello que parece facil,´ o como ella dice, a que ”los necios se sorprenden de un eclipse, los sabios de que el sol salga todos los d´ıas”. Tenerla cerca durante este tiempo ha sido una fuente constante de motivacion´ para aprender y comprender. Le debo infinidad de explicaciones, discusiones y aclaraciones sobre todo tipo de temas, que han dado como fruto no pocas de las aportaciones que se presentan en esta tesis. Gonzalo ha sido un seguro de vida para esta tesis. Cuando un problema se volv´ıa demasiado complejo e inabordable, siempre consegu´ıa hacerme ver lo importante: ¿a que´ pregunta quieres responder? Ademas,´ su ayuda en la resolucion´ de todo tipo de problemas, desde matematicos´ hasta informaticos,´ han sido claves para el buen desarrollo de esta tesis. A Pablo jamas´ he tenido que pedirle ayuda, porque siempre se ha adelantado a ofrecermela.´ De verdad, creo que es una buena persona compulsiva. Tanto dentro como fuera del IES, ha sido de los que mas´ me ha ayudado en los momentos dif´ıciles. Cesar nunca ha dudado en perder su tiempo para sacarme de infinidad de apuros con el flash y la estacion´ meteorologica,´ que suelen dejar de funcionar a pocos d´ıas de una reunion.´ A Pilar quiero agradecerle su complicidad y la confianza que siempre me ha demostrado. Su apoyo constante me ha ayudado a confiar en mi propio trabajo. Ademas´ se ha peleado para configurar las estaciones donde he lanzado mis simulaciones. Ivan´ ha estado siempre dispuesto a echarme una mano con medidas de todo tipo, con simulaciones de Spice y con el diseno˜ de mas´ de un circuito. A Jasmin y Hugo, quiero agradecerles el ser tan buenos companeros˜ de despacho y haberme hecho tan agradable el d´ıa a d´ıa en el IES, y a Manu, su correccion´ tan exhaustiva del ingles´ de mi tesis. Y a Rebeca, por todo lo que ha significado para mi durante este tiempo. Han sido muchos mas,´ en el IES, los que me han ayudado en estos cinco anos.˜ Quiero agrade- cer especialmente a mis companeros˜ de grupo (Nacho, Quique, Jesus,´ Mario, Elisa, Jose, Bea, Mateo, Carmen, Ivan´ y Pilar) con los que he compartido muchos momentos y de los que he apren- dido tanto. A Carlos, mi director de tesis, le agradezco todo el apoyo y la dedicacion´ que me ha prestado durante estos cinco anos.˜ Me ha dado todas las herramientas que he necesitado para formarme como investigador y ha sabido encontrar el balance justo entre exigencia y motivacion,´ que me ha permitido evolucionar siempre. A mis ”hermanos mayores” en el IES, Vicky y Diego, que fueron durante el primer ano˜ de tesis mi referencia. A Antonio Mart´ı, jIH ghaj ghoj vaj ’ar tlhej SoH tlho’ SoH. Al grupo ISI del IES, especialmente a Nacho y a Cesar, por haberme dado todas las facilidades y la formacion´ necesaria para usar sus equipos. A Angel,´ porque lo ha sido todo en el desarrollo experimental de mi tesis. Al principio le bajaba planos de las piezas que quer´ıa fabricar, al final me di cuenta de que era mejor bajar solo´ con un folio en blanco y un boli. Daba igual el tiempo que hubiera dedicado a pensar en los disenos,˜ que el´ siempre consegu´ıa mejorarlos. Voy a echar mucho de menos los ratos que he pasado en el taller. A Pepe, Zamorano, Miguel y Oscar, cuya ayuda ha sido imprescindible para la buena conse- cucion´ de la parte experimental de esta,´ y de muchas otras tesis en el IES. A Estrella, Rosa, Montse, Maria Helena y Ricardo, que siempre han cuidado tan bien de nosotros. A mis amigos, que han sido testigos de la evolucion´ de esta tesis y que sin su apoyo, nunca le hubiera encontrado el sentido. Especialmente quiero agradecer a Jose, el interes´ tan intenso que ha demostrado en mi trabajo y las eternas discusiones sobre ciencia, y a mis companeros˜ de piso (Cani,˜ Michi, Pablo y Ely) que me han hecho mucho mas´ llevadero el tramo final de escritura de esta tesis. Y permitidme ser escueto en lo mas importante: A mi madre, porque le debo todo, a mi hermana Madal y al resto de mi familia. A mi padre, orgulloso de su hijo y mi maestro. La persona a la que hubiera hecho mas´ feliz ver esta tesis terminada. Aknowlegements This work has been possible thanks to the collaboration of several persons working at the IES- UPM and other institutions. I am extremely grateful to my supervisor, Prof. Carlos Algora, for the time and effort that has devoted to the progress of this work. I also gratefully acknowledge the many colleagues and technical staff at IES-UPM that have made possible this work. I am also very thankful to the many institutions that have collaborated with us during the experimental development of this thesis: • Photovoltaics laboratory of Ioffe Physico-Technical Institute (St. Petersburg) They manufactured the tungsten emitters and GaSb cells that were used during this work. I also gratefully acknowledge Prof. Viacheslav M. Andreev, Prof. Valery Rumyantsev, Dr. Vladimir Khvostikov and Dr. Maxim Shvarts for their valuable advice and support concerning the design and development of the STPV system. • Materials - Solar Cells and Technologies department of Fraunhofer-ISE (Freiburg) They manufactured the Ge TPV cells that have been used in this thesis. I am very grateful to Dr. Andreas Bett, Dr. Frank Dimroth and Dr. Jara Fernandez´ for answering the many questions I had concerning the Ge cells characteristics, and for delivering as many cells as I needed. • Materials Research and Applied Optics department of Fraunhofer-ISE (Freiburg) Many thanks to Dr. Andreas Georg, who deposited the anti-reflective coatings on the tung- sten emitters and performed the reflectivity measurements, and to Dr. Benedikt Blasi,¨ who let me include those data in this thesis. I gratefully acknowledge Dr. Andreas Gombert for the very enjoyable discussions at the project meetings. • Solar cell technologies group at IMEC (Leuven) I am very grateful to Dr. Giovanni Flamand, for his hospitality during my visit to IMEC and for performing the parallel gap welding of the Ge TPV cells. • Institute for Soldier Nanotechnologies of MIT (Cambridge, MA) I am extremely grateful to Dr. Ivan Celanovic for giving me the opportunity of being a visiting student at MIT and for allowing me to get fully involved in their projects. I am also very thankful to my officemates Dr. Peter Bremel, Mr. Walker Chan, and Mr. Adrian Y.X. Yeng for the very interesting discussions and their help. • Photovoltaics and Power Technologies Branch at NASA GRS (Cleveland, OH) I am extremely grateful to Dr. Donald Chubb and Dr. David Wolford for allowing me to visit the NASA GRS installations and for their hospitality during that visit. I am indebted to them for being so supportive in many occasions. • Tecnologica´ S.A (Madrid) Many tanks to Mr. Juan Barbero for taking the X-ray images of our modules. • Instituto de Ciencia de Materiales del CSIC (Madrid) Many tanks to Prof. Carlos Prieto and Dr. Isabel Munoz˜ for performing the alumina e-beam deposition on our samples. This work has been funded by the regional government of Madrid (Consejer´ıa de educacion´ de la Comunidad de Madrid y del Fondo Social Europeo) through a pre-doctoral contract and the FULLSPECTRUM European project (ref. SES6-CT-2003-502620) funded by the European Commission. RESUMEN Esta tesis aborda el analisis,´ tanto teorico´ como experimental, de los sitemas termofotovoltaicos solares. En estos sistemas, un material (emisor) se calienta hasta la incandescencia mediante ra- diacion´ solar. La radiacion´ termica´ emitida por dicho material se dirige hacia una celula´ foto- voltaica, que convierte dicha radiacion´ en electricidad. En esta configuracion,´ se pueden emplear elementos de control espectral para lograr que los fotones no utiles´ para el proceso de conversion´ fotovoltaica´ sean devueltos al emisor. En la primera parte de la tesis (cap´ıtulos 2-4) se presentan diversos modelos anal´ıticos de sistemas termofofovoltaicos solares. En el cap´ıtulo 2 se analiza un sistema ideal con el fin de determinar la eficiencia l´ımite maxima,´ que resulta ser del 85.4%. Desafortunadamente, dicha eficiencia solo´ se logra para densidades de potencia electrica´ despreciables y bajo una serie de condiciones demasiado restrictivas. En el cap´ıtulo 3 se presenta un modelado multivariable mas´ completo, basado en la teor´ıa del balance detallado, en el que se contemplan (entre otras cosas) posibles perdidas´ opticas.´ Con dicho modelo se ha demostrado que se pueden alcanzar eficiencias y densidades de potencia electrica por encima de 30% y 50 W/cm2, repectivamente.