Design, Construction and Characterization of Holographic Optical Elements for Building-Integrated Concentrating Photovoltaics

Abstract

El principal objectiu d'aquesta tesi és el disseny, construcció i caracterització d'un sistema de concentració solar format per dues lents cilíndriques hologràfiques i una cèl•lula fotovoltaica de silici per integració arquitectònica en façanes. L'ús d'Elements Òptics Hologràfics (EOHs) en lloc d'elements refractius o miralls suposa avantatges com la selectivitat cromàtica i la facilitat d'integració en façanes. D'altra banda, cal fer seguiment en una direcció.

Els EOHs han estat dissenyats de manera que s'acobla l'espectre solar amb la resposta espectral de la cèl•lula per obtenir una concentració òptica màxima en el rang espectral desitjat i per tant, corrent elèctrica màxima. S'ha desenvolupat un algoritme de traçat de raigs basat en la Teoria d'Ones Acoblades per analitzar local i globalment EOHs i sistemes hologràfics. Les simulacions han estat validades amb resultats experimentals de EOHs registrats a fotopolímer Bayfol HX. També s'han estudiat EOHs que operen en el règim de transició entre el règim de Bragg i el de Raman-Nath, observant els avantatges que ofereix per a aplicacions d'il•luminació amb espectre ample.

El principal objetivo de esta tesis es el diseño, construcción y caracterización de un sistema de concentración solar formado por dos lentes cilíndricas holográficas y una célula fotovoltaica de Silicio para integración arquitectónica en fachada. El uso de Elementos Ópticos Holográficos (EOHs) en lugar de elementos refractivos o espejos supone ventajas como la selectividad cromática y la facilidad de integración en fachada. Por otro lado, es necesario realizar seguimiento en una dirección.

Los EOHs han sido diseñados de forma que se acopla el espectro solar con la respuesta espectral de la célula para obtener una concentración óptica máxima en el rango espectral deseado y por lo tanto, corriente eléctrica máxima. Se ha desarrollado un algoritmo de trazado de rayos basado en la Teoría de Ondas Acopladas para analizar local y globalmente EOHs y sistemas holográficos. Las simulaciones han sido validadas con resultados experimentales de EOHs registrados en fotopolímero Bayfol HX. También se han estudiado EOHs que operan en el régimen de transición entre el régimen de Bragg y el de Raman-Nath, observándose las ventajas que ofrece para aplicaciones de iluminación con espectro ancho.

The main objective of this thesis is the design, construction and characterization of a solar concentrating system formed by two cylindrical holographic lenses and a Silicon PV cell for the scope of façade building integration. The use of Holographic Optical Elements (HOEs) instead of refractive or reflective elements implies advantages such as chromatic selectivity and ease of integration on a façade. On the other hand, tracking is necessary in one direction.

The HOEs have been designed to couple the solar spectrum with the spectral response of the PV cell in order to provide maximal optical concentration on the target spectral range and therefore maximal electrical current. A ray-tracing algorithm based on Coupled Wave Theory has been developed to locally and globally analyze HOEs and holographic systems. Simulations have been validated with experimental results of HOEs recorded on Bayfol HX photopolymer. HOEs operating in the transition regime between the Bragg regime and Raman-Nath regime have also been studied, showing the promising advantages it offers for broadband spectrum illumination applications.