Studio e sviluppo di sistemi solari a concentrazione

The paper presents the study of concentration photovoltaic and thermal system, carried out during the three years of Phd. The first part of thesis analyzes and compares the effects of the secondary optics on the performance of a triple junction solar cell. Are set up two bench test, an indoor bench test and an outdoor one. The cells are triple junction III-V and they have a circular shape with an active area of 4.15 mm2. In addition, two different solutions for the 3J cell receiver are tested, the Insulated Metal Substrate technology (IMS) and the Direct Bonded Copper (DBC). The optics consists of a primary Fresnel lens with constant pitch, used only with outdoor bench test, and a refractive secondary optic (RTP) made of dielectric material. Maximum efficiency achieved about 30% on indoor bench, and 17% in outdoor bench, mainly due to low Fresnel lens efficiency. During the research project monitoring the performance of two 3,5 kWp CPV devices under real outdoor operating conditions, took place. The overall AC electrical efficiency has a peak of 31% and the maximum electric production is 2.7 kW. The effect of lens fouling has a much higher impact: a clean lens allows to produce about 19% more power and efficiency increases by 5%, at equal solar irradiation. The tracking mechanism has proved, in the worst case, an inaccuracy of 0.26° which is lower than the acceptance angle of the optics (0.4°). Concurrently, an extensive test campaign has been carried out of a 2.5 kWt Concentrated Solar Thermal Power system. The experimental analysis allowed to prove that the overall plant performance and the optical efficiency were high. In particular, the daily energy production and the plant efficiency reached a peak value of about 22.5 kWh and 71.71%. The plant output has also been investigated using an analytical model previously developed to support the prototype design. In general, the simulation results were in good agreement with the experimental data.

In questo lavoro, svolto durante i tre anni di dottorato, viene presentato lo studio dei sistemi fotovoltaici e termici a concentrazione. Nella prima parte della tesi, si sono messe a confronto gli effetti delle ottiche secondarie sulle prestazioni delle celle fotovoltaiche a tripla giunzione tramite un banco di prova indoor ed outdoor. Le celle fotovoltaiche utilizzate sono a tripla giunzione III-V di forma circolare con una superficie attiva di 4,15 mm2. Le celle fotovoltaiche 3J testate hanno differenti substrati, Insulated Metal Substrate (IMS) e Direct Bonded Copper (DBC). Le ottiche utilizzate sono costituite, da una lente Fresnel come ottica primaria, utilizzata solo nel banco outdoor, due ottiche secondarie rifrattive (RTP) realizzate in materiale dielettrico. La massima efficienza raggiunta durante i test è circa il 30%, nel banco indoor, e del 17% nel banco outdoor a causa della bassa efficienza della lente Fresnel. Inoltre, sono state monitorate le prestazioni di due impianti CPV da 3,5 kWp, in condizioni di funzionamento reali. Il rendimento elettrico ha fatto registrare un massimo pari al 31% ed una potenza pari a 2,7 kW. Inoltre si è valutato l’effetto dello sporco: una lente Fresnel pulita permette di produrre circa il 19% di potenza in più ed un’efficienza maggiore del 5%, a parità di DNI. Il sistema d’inseguimento, nel caso peggiore, ha commesso un errore pari a 0,26°, inferiore all’angolo di accettanza delle ottiche (0,4°). Contemporaneamente, è stata eseguita una campagna sperimentale su un sistema solare termico a concentrazione da 2,5 kWt. L’impianto ha fatto registrare una produzione massima giornaliera pari a 22,5 kWh con un’efficienza massima del 71,7%. Infine tramite un modello numerico, sviluppato per supportare la progettazione del prototipo, sono state simulate le prestazioni dell’impianto. I risultati ottenuti tramite il modello numerico sono in buono accordo con i dati ottenuti dalla campagna sperimentale.