Kurşad Melih GULEREN, Nevsan SENGIL, Uluc SENGIL

OPERATINGTEMPERATURESOFTHESOLARCELLSUSED INTHECONCENTRATOR SYSTEM WITH RADIATING PLATES

Dünya çevresinde yörüngede dönen uyduların enerji ihtiyacını karşılamak için bir yoğunlaşmalı güneş hücresi sistemi önerilmiştir. Cassegrain tipi bir yansıtıcı kullanılarak 124 defa yoğunlaştırılan güneş ışığı sistemde yer alan güneş hücrelerine yönlendirilmektedir. Artık ısı enerjisini uzaya aktarmak için güneş hücreleri bir radyasyon levhasına yapıştırılmaktadır. Radyasyon levhası yüzeyindeki sıcaklık dağılımını hesaplamak için yeni bir FAS çözücü geliştirilmiştir. Bu yeni FAS çözücü Newton yöntemi ile yapılan bir çözüm ile doğrulanmıştır. İlaveten, FAS çözücünün Newton yöntemine nazaran 92 kez daha hızlı çalıştığı gösterilmiştir. Takiben, radyasyon levhasının ısı transferi verimliliği hesaplanmıştır. Verimliliğin hücre sıcaklığına bağlı olarak 0.1 ile 0.02 arasında değiştiği görülmüştür. Daha sonra, güneş hücrelerinin çalışma sıcaklığını hesaplamak için bir enerji denge denklemi oluşturulmuştur. Enerji denge denklemi ve FAS çözücüsünü birlikte ardışık çalıştırarak, güneş hücresi çalışma sıcaklıkları farklı radyasyon levha kalınlıkları ve güneş hücresi verimlilikleri için başarı ile hesaplanmıştır. Güneş hücresi çalışma sıcaklıklarının 500 K ile 1000 K arasında değiştiği görüldü. Bu çalışmada, yoğunlaşma sistemlerinde yüksek verimli ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı güneş hücrelerinin kullanılması gerektiği belirlenmiştir. Örneğin 750 K çalışma sıcaklığı ve 3 mm kalınlığında bir radyasyon levhası için hücre verimliliğinin 70% olması gerekmektedir. Yüksek yoğunlukta ve yüksek sıcaklıkta çalışabilen güneş hücresi geliştirme projelerinden görülmektedir ki, gelecek nesil uydularda güneş hücresi yoğunlaştırma sistemlerinin kullanılması mümkün olacaktır

RADYASYON PANELLİ YOĞUNLAŞMA SİSTEMLERİNDE KULLANILAN GÜNEŞ HÜCRELERİNİNÇALIŞMA SICAKLIKLARI

A solar cell concentrator system is offered to satisfy the energy requirement of the satellites orbited around the Earth. The solar cells coupled to the system are exposed to sunlight concentrated 124 times with a Cassegrain type reflector system. To dissipate the waste heat to the space, the cells are bonded on a radiating plate. To calculate the temperature distribution on the surface of the radiating plate, a new FAS (Full Approximation Scheme) solver is developed. This new FAS solver is validated with the Newton method. Additionally, the FAS solver is shown to be 92 times more efficient computationally than the Newton method. Afterwards, radiating plate efficiencies are calculated. These efficiency figures change between 0.1 and 0.02 for different cell temperatures. Next, an energy balance equation is constructed in order to calculate the theoretical operating temperatures of the solar cells. Using energy balance equation and the FAS solver iteratively, solar cell operating temperatures are calculated successfully for different radiating plate thicknesses and solar cell conversion efficiencies. Solar cell operating temperatures are found between 500 K and 1000 K. The present study points out that concentrator systems require highly efficient solar cells operating in the very high temperatures. For instance, in order to operate the cell temperature at 750 K for a 3 mm radiating plate thickness, the cell conversion efficiency should be 70%. Ongoing projects which aim to develop solar cells capable of operating in high intensity-high temperature environments are believed to make it possible to embed solar cell concentrator systems on the next generation satellites

PDF

___

Baig H., Heasman K. C., Mallick T. K., 2012, Non- uniform illumination in concentrating solar cells, Renew. Sust. Energ. Rev., 16, 5890-5909.
Bailey S. G., Flood D. J., 1998, Space photovoltaics, Prog. Photovoltaics, 6, 1-14.
Briggs W. L., Henson, W. E., McCormick, S. F., 2000, A Multigrid Tutorial, SIAM, Philadelphia.
Chemisana D., 2011, Building Integrated Concentrating Photovoltaics: A review, Renew. Sust. Energ. Rev., 15, 611.
Chong K-K., Lau S-L.,Yew T-K., Tam, P. C-L., 2013, Design and development in optics of concentrator photovoltaic system, Renew. Sust. Energ. Rev., 19, 598- 612
Fernandez E. F., Rodrigo P., Almonacid F., Perez- Higueras P., 2014, A method for estimating cell temperature at the maximum power point of a HCPV module under actual operating conditions, Sol. Energ. Mat. Sol. C., 124, 159-165.
Granet C., 1988, Designing axially symmetric Cassegrain or Gregorian dual-reflector antennas from combinations of prescribed geometric parameters, IEEE Antennas Propag., 40 (2), 76-82.
Green M. A., Emery K., Hishikawa Y., Warta W., Dunlop, E. D., 2015, Solar cell efficiency tables (Version 45), Prog. Photovoltaics, 23, 1-9.
Ho T., Samuel S. M., Greif R., 2011, The impact of cooling on cell temperature and the practical solar concentration limits for photovoltaics, Int. J. Energ. Res., 35, 1250-1257.
Howell J. R., Siegel R., Menguc, M. P., 2002, Thermal Radiation Heat Transfer, Taylor & Francis, New York.
Iles P.A., 2001, Evolution of space solar cells, Sol. Energ. Mat. Sol. C., 2001, 68, 1-13.
Internet, 2014,Arpa-e, Dual-Junction Solar Cells for High-Efficiency at Elevated Temperature, http://www.arpa-e.energy.gov
Kaushika N. D.,Reeta, 2011, Simulation Model for High Efficiency of Solar Cells, Energy Science and Technology, 2 (1),57-61.
KelleyC.T.,1987, Solving Nonlinear Equations with Newton's Method (Fundamentals of Algorithms), SIAM, Philadelphia.
KhamooshiM., SalatiH., Egelioglu F., FaghiriA.H., Tarabishi, J., Babadi S.,2014, A Review of Solar Photovoltaic Concentrators, Int. J. Photoenergy, 958521.
King R.R., Bhusari D., Larrabee D., et al.,2012, Solar cell generations over 40% efficiency, Prog. Photovoltaics, 20, 801-815.
LandisG.A., Jenkins, P., Scheiman, D., Rafaelle, R.,2004, Extended Temperature Solar Cell Technology Development,Proc. of AIAA 2ndInternational Energy Conversion Engineering Conference, Providence, RI.
LandisG.A.,2008, Solar Power for Near-Sun; High-Temperature Missions, Proc. of IEEE Photovoltaic Specialist Conference, San Diego, CA, 1-5, 4922857.
Min C., Nuo-Fu C., Jin-XiangD.,2012, Thermal modeling and optimized design of metal plate coolingsystem for single concentrator solar cells, Chinese Phys. B, 21 (3), 034216.
NaumannR.J.,2004, Optimizing the Design of Space Radiators, Int. J. Thermophys., 25, 1929-1941.
NunezN., Gonzales J.R., Vazquez, M., Algora, C., Espinet, P., 2013, Evaluation of the reliability of high concentrator GaAs solar cells by means of temperature accelerated aging tests, Prog. Photovoltaics, 21, 1104-1113.
PereiraA., Dargent L., Lorin G, et al.,2014, Electro-optical study of a x1024 concentrator photovoltaic system, Prog. Photovoltaics, 22, 383-393.
Reed B., Iles P., KrogenJ.,1991, High temperature contact for GaAs solar cells, Proc. of IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Las Vegas, NV, 450-454.
Royne A., DeyC.J., MillsD.R.,2005, Cooling of photovoltaic cells under concentrated illumination: a critical review, Sol. Energ. Mat. Sol. C., 86, 451-483.
Trottenberg U., OosterleeC.W., SchullerA.,2000, Multigrid,Academic Press, London.
ZimmermannC.G., NömayrC., KolbM., Rucki A.,2013, A mechanism of solar cell degradation in high intensity,high temperature space missions, Prog. Photovoltaic, 21, 420-35.