Name: 玻璃 (ADG) 菲涅耳透镜对聚光光伏的效率和辐照点的室内实验评价 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-10-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: 了解玻璃菲涅耳透镜在聚光光伏系统中的性能评估方法。本研究通过测量透射效率和光斑尺寸，评估ADG透镜的消色差特性及其对多结太阳能电池的光集中能力。

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本工作部分得到了西班牙经济与竞争力部Acromalens项目（ENE2013-45229-P）的支持，并获得了欧盟“地平线2020”科研与创新计划下CPV Match项目（资助协议编号640873）的资助。

1. 使用光线追踪模拟进行透镜建模
<ol>
	<li>模型准备
	<ol>
		<li>将ADG菲涅耳透镜的几何结构导入光线追踪仿真软件，并设置材料属性，如透射率和折射率。 
		注意：ADG菲涅耳透镜设计由太阳能研究所开发，其核心是一套基于费马原理和斯涅尔定律等基本光学原理的计算机代码。该设计方法在开发过程中使用了构成透镜材料的色散曲线。设计方法的详细描述见其他文献4。</li>
		<li>设置具有太阳实际特性的光源，如角孔径和光谱分布。</li>
		<li>在距离透镜等于标称焦距的位置放置接收器。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="光学系统示意图：太阳电池将光线通过弹性体和双菲涅耳透镜聚焦到玻璃基板上。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56269/56269fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图1"> 
图1. 光线追踪仿真模型的截图。图中可见光源、ADG菲涅耳透镜（包含玻璃基板、弹性体和塑料双菲涅耳透镜）以及用于测量透镜孔径处辐照度（透镜接收器）和出口处辐照度（太阳电池接收器）的接收装置。<a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56269/56269fig1large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<ol start="2">
	<li>运行模拟并计算所需结果，例如可达到的最大聚光倍数和透镜光学效率。可达到的聚光倍数定义为透镜光学孔径与光斑投射区域接收器面积之比。光学效率定义为接收器处的光功率与透镜光学孔径处的入射光功率之比10。 
	注：接收器的面积远大于透镜投射的光斑，以确保接收器收集到透镜传输的所有光线。通过这种方式，所计算的光学效率包含了材料吸收、反射以及制造限制（如倒角角度和拐角及沟槽处的尖端圆角）所导致的损耗。</li>
	<li>重复步骤 1.1 和 1.2，模拟使用传统的玻璃上硅胶（SoG）菲涅耳透镜代替 ADG 菲涅耳透镜，作为基准对比。</li>
</ol>
2. 太阳能电池表征
<img alt="采用氙灯、闪光控制器、用于光激发和分析的DAQ的光谱学装置。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56269/56269fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图2"> 
图2. 用于聚光型太阳能电池的太阳模拟器。该太阳模拟器用于在高辐照度条件下表征太阳能电池。在图的上方，可以看到光源灯，其位置决定了聚光水平。在图的下方，显示了包含参考用标准太阳能电池和待测器件（DUT）的测量平面。在照片左侧，可以看到用于完成表征工作的电子设备（电源和数据采集系统DAQ）以及计算机。<a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56269/56269fig2large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<ol>
	<li>用于太阳电池表征的太阳模拟器校准
	<ol>
		<li>将参考标准电池（顶部、中部和底部），也称为同型电池（isotypes），以及待测器件（DUT），即待测量的太阳电池，放置于太阳模拟器内部。 
		注意：应将参考电池与待测器件尽可能紧密地放置在一起，以减少由于测量平面照度不均匀而可能引起的误差。</li>
		<li>调节闪光灯的位置（高度），以达到所需的聚光水平。灯与测量平面之间的距离越远，所实现的聚光强度越低。
		<ol>
			<li>光谱分布取决于灯的位置和闪光强度。添加必要的滤光片以调节光谱分布。获得与参考光谱相似分布的操作步骤详见第2.2.1步。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>将同型电池和待测器件连接至太阳模拟器的数据采集（DAQ）板。</li>
		<li>使用文本编辑器创建一个文本文件，其中包含用于电池电流-电压（IV）曲线测量的偏压值。该文本文件每一行对应一个电压点。电压点越多，曲线分辨率越高。由于所有涉及的太阳电池均为多结（MJ）太阳电池，因此偏压值范围介于0 V至3.1 V之间。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>测量
	<ol>
		<li>在整个闪光衰减过程中，光强呈现初始峰值，随后开始下降（图3）。闪光脉冲期间，光的光谱分布也会发生变化。传统的多结（MJ）太阳电池由三个具有不同带隙并通过串联连接的子电池组成。每个子电池可在太阳光谱的不同区域转换电能。因此，多结太阳电池产生的电流始终受限于产生最小电流的子电池。为了进行准确测量，应选择一个辐照度水平，使得对应于顶部和中部子电池的两个同型电池指示的辐照度完全相同。这表明电池是在目标聚光水平和光谱条件下进行测量的。底部子电池指示的辐照度不一致的情况可以忽略，因为商用的锗基多结太阳电池从不会受该子电池的电流限制。图3对该过程提供了图示说明。</li>
		<li>一旦确定了所需的测量辐照度水平，即可开始IV测试。模拟器从第2.1.4步中定义的文本文件读取偏压点；对于每个点，设备将电池偏置至目标电压，触发闪光，并测量太阳电池产生的电流。电流与电压的对应数据对，即IV曲线，将显示在计算机屏幕上。 
		注意：从IV曲线中可提取短路电流（Isc）、开路电压（Voc）、填充因子（FF）以及待测器件的效率（尽管在后续章节中仅使用短路电流）。</li>
		<li>在不同聚光水平下重复第2.2.2步，以验证太阳电池的光电流是否与聚光水平呈线性关系（见图4），从而确认已校准的电池可用作光传感器，以确定透镜焦平面处的辐照度。在每一聚光水平下，使用适当的滤光片调节闪光灯光谱分布，确保测量时顶部和中部子电池对应的两个同型电池指示相同的辐照度水平，具体操作如第2.2.1步所述。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="闪光衰减示意图；浓度随时间变化，光子衰减分析，电流测量。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56269/56269fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图3"> 
图3. 闪光衰减过程中各测量量随时间的变化。图中已标出等效电池（即上层和中层子电池）测得相同辐照度水平的时刻。沿从上层与中层子电池曲线交点引出的黑色虚线向下延伸，可确定待测器件（DUT）的电流值（黑色圆点），即在上层与中层参考子电池接收到相同辐照度水平的瞬间所测得的电流值。<a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56269/56269fig3large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<img alt="太阳能电池光学激发装置；包含CCD相机、积分球的示意图和设备。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56269/56269fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图4"> 
图4. (A) 用于开展实验测试的装置示意图。(B) 实验装置及其组件的照片（带积分球的光源、透镜样品、CCD相机以及用作光传感器的太阳能电池）。抛物面反射镜和滤光片在此照片中不可见。<a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56269/56269fig4large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
3. 透镜表征。
<img alt="光电流与浓度关系图；线性拟合分析；光子学研究结果。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56269/56269fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图5"> 
图5. 多结太阳能电池产生的光电流随光强浓度变化的关系图。如预期所示，二者呈线性依赖关系。<a href="//cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56269/56269fig5large.jpg" target="_blank">请点击此处查看该图的放大版本。</a>
<ol>
	<li>准备工作
	<ol>
		<li>安装三轴自动定位平台：该平台为计算机辅助移动平台，能够精确控制已校准的太阳能电池/CCD相机与待测透镜之间的相对位置。
		<ol>
			<li>使用气泡水平仪检查三轴自动定位平台是否完全水平。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>将太阳能电池/CCD相机支架安装在平台的移动夹具上，使其能够沿x、y和z轴方向精确调节位置。</li>
		<li>将透镜支架安装在平台上，位于步骤3.1.2所述移动夹具的前方。通过在x轴和y轴方向上调节移动夹具，可将透镜相对于太阳能电池/CCD相机的物镜精确对中；通过沿z轴方向移动夹具，可将太阳能电池/CCD相机的物镜置于透镜的最佳焦点位置（最小光斑尺寸），并沿其光轴方向移动。</li>
		<li>将所有设备（自动定位平台、用于测量电池光电流的DAQ板、CCD相机和氙灯）连接至用于执行整个实验测试的计算机。</li>
		<li>测试所有连接设备的连接状态与运行情况。
		<ol>
			<li>打开控制CPV用太阳模拟器的软件，点击“闪光脉冲”按钮以触发一次闪光。如果闪光衰减曲线与图3相似，则表明DAQ板、氙灯、同型子电池和待测器件（DUT）均正常工作。</li>
			<li>打开控制CCD相机的软件，检查相机是否正常工作。</li>
			<li>打开控制计算机辅助移动平台的软件，并使用该软件沿三个轴方向移动移动夹具。具体操作为：在软件窗口左上角列出的轴中选择一个轴，然后在“绝对移动”位置栏中输入目标坐标，点击“运行”按钮。若移动夹具按预期移动，则表明移动平台工作正常。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>清洁待测透镜，并将其放置在安装于自动定位平台上的固定支架上。</li>
		<li>在传感器前方放置热反射镜（短通滤光片，阻隔波长大于700 nm的光）或冷反射镜（长通滤光片，阻隔波长小于700 nm的光）。 
		注：步骤3.1.7仅在使用CCD相机进行测量时需要。</li>
		<li>使用移动夹具将太阳能电池/CCD相机相对于透镜进行对中，并将其置于最佳焦点位置。</li>
		<li>使用任意文本编辑器创建一个文本文件，每一行包含一个测量点的坐标（即特定的透镜-接收器距离），起始位置为比最佳焦距近5 mm处的电池/CCD相机位置，终止位置为比最佳焦距远5 mm处。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>测量阶段
	<ol>
		<li>太阳能电池测量 
		注：与前文所述用于普通太阳能电池的太阳模拟器类似，CPV用太阳模拟器的光强和光谱分布也会随闪光衰减过程而变化。闪光衰减的图形表示与步骤2.2.1中描述的聚光电池太阳模拟器所获得的结果相似，如图3所示，表现为一个初始峰值后逐渐衰减。在整个闪光衰减过程中，光源的光谱分布会发生变化。测量在上下两个同型子电池（分别对应顶层和中层子电池）显示相同辐照度水平的时刻进行。 
		注：与普通太阳能电池太阳模拟器不同，本系统中对辐照度水平的唯一控制手段是调节闪光强度和使用中性滤光片。
		<ol>
			<li>确定最佳辐照度水平后，即可开始测试。对步骤3.1.9中定义的每一个位置，触发闪光光源。模拟器将生成一个文本文件，记录闪光衰减过程中的数据信号，由此可推导出透镜聚光条件下太阳能电池的电流产生情况。</li>
			<li>对每一个待测透镜，重复执行步骤3.1.7至3.2.1.3。</li>
		</ol>
		</li>
		<li>CCD相机测量
		<ol>
			<li>对步骤3.1.9中定义的每一个位置，使用CCD相机拍摄所生成光斑的图像。 
			注：配备热反射镜或冷反射镜的CCD传感器，其光谱响应分别与顶层和中层子电池相似（见图6）。此外，为获得具有实用信息的图像，需采取一些预防措施。首先，必须调节闪光光源的强度，以获得良好的信噪比，同时避免CCD传感器饱和；可通过直接调节闪光强度或使用中性滤光片来达到所需的辐照度水平。其次，必须确保模拟器腔室完全黑暗，以避免外部光源对测量结果造成干扰。</li>
			<li>温度测量
			<ol>
				<li>将待测透镜放置于用于控制测试过程中透镜温度的温控腔室内。</li>
				<li>使用温控腔室将透镜温度从10 °C调节至50 °C，步长为10 °C。具体操作为将透镜置于带有透明前盖的温控腔室内。</li>
				<li>按照3.2.2.1中所述方法，使用CCD相机对不同温度条件下的透镜进行测量。 
				注：待测透镜的温度通过附着在其表面的热电偶直接测量，透镜表面的温差小于2 °C。</li>
			</ol>
			</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="CCD相机光谱响应与子电池波长分析及光学滤光片示意图" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56269/56269fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图6"> 
图6. 经冷镜或热玻璃滤光后CCD相机硅传感器的光谱响应（SR）（空心点），用于模拟三结晶格匹配太阳能电池中中间和上部子电池的光谱响应（实心点）。本图改编自10。
<ol start="3">
	<li>太阳能电池测量结果的处理
	<ol>
		<li>使用校准的同型细胞组件作为参考，确定用作光传感器的太阳能电池在每个位置时顶部和中部子电池产生的光电流（有关如何从闪光衰减期间记录的信号估算顶部和中部光电流的详细讨论，请参见11).</li>
		<li>绘制一张图表，表示顶部和中部子电池的近似光电流随透镜到接收器距离变化的函数关系。</li>
		<li>比较使用ADG消色差菲涅耳透镜与SoG菲涅耳透镜所获得的结果。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用CCD相机测量获得的处理结果。
	<ol>
		<li>使用CCD相机拍摄的照片中确定光的质心。 
		注：辐照度分布图的“光重心”是指该分布图中辐照度水平高于最大辐照度90%的区域的中心。</li>
		<li>确定光斑质心后，定义若干个可能的半径值，并对每个半径计算该圆内包含的光强占整张照片总辐照度的百分比。</li>
		<li>计算光斑半径。该半径定义为包含总辐照度95%的区域半径。 
		注意：选择95%的阈值是为了避免因外部光源引起的噪声而导致斑点被人为放大。 即， 氙灯的直射光或周围环境的光线。</li>
		<li>重复执行3.4.1至3.4.3的处理步骤，以进行热镜和冷镜的测量。</li>
		<li>绘制一张图表，表示蓝光和红光（分别为热反射镜和冷反射镜测量）在相对于最佳位置（最小光斑尺寸）时，光斑直径随透镜到接收器距离的变化关系。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E. D. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pip.2855/abstract">Solar cell efficiency tables (version 49).</a> Prog. Photovolt. Res. Appl. 25, 3-13 (2016).</li>
<li>Lorenzo, E., Sala, G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLorenzo%2C+E+%22Sun+II%22">Sun II</a>. , 536-539 (1979).</li>
<li>Victoria, M. <a target="_blank" href="http://oa.upm.es/30443/">New Concepts and Techniques for the Development of High-Efficiency Concentrating Photovoltaic Modules</a>. , E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). (2014).</li>
<li>Vallerotto, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+modeling+of+a+cost-effective+achromatic+Fresnel+lens+for+concentrating+photovoltaics%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Design and modeling of a cost-effective achromatic Fresnel lens for concentrating photovoltaics.</a> Opt. Express. 24, A1245(2016).</li>
<li>Victoria, M., Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparative+analysis+of+different+secondary+optical+elements+for+aspheric+primary+lenses%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Comparative analysis of different secondary optical elements for aspheric primary lenses.</a> Optics Express. 17, 6487-6492 (2009).</li>
<li>Languy, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flat+Fresnel+doublets+made+of+PMMA+and+PC%3A+combining+low+cost+production+and+very+high+concentration+ratio+for+CPV%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Flat Fresnel doublets made of PMMA and PC: combining low cost production and very high concentration ratio for CPV.</a> Opt. Express. 19, Suppl 3. A280(2011).</li>
<li>Hecht, E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHecht%2C+E+%22Optics%2C+Third+Edition%22">Optics, Third Edition</a>. , Addison Wesley Longman, Inc. (1998).</li>
<li>Vallerotto, G., Askins, S., Victoria, M., Antón, I., Sala, G. A novel achromatic Fresnel lens for high concentrating photovoltaic systems. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aVallerotto%2C+G+%22AIP+Conf.+Proc%22">AIP Conf. Proc</a>. , AIP Publishing. 050007(2016).</li>
<li>Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solar+simulator+for+concentrator+photovoltaic+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Solar simulator for concentrator photovoltaic systems.</a> Opt. Express. 16, 14894(2008).</li>
<li>Victoria, M., Askins, S., Herrero, R., Antón, I., Sala, G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X16301104">Assessment of the optical efficiency of a primary lens to be used in a CPV system.</a> Solar Energy. 134, 406-415 (2016).</li>
<li>Domínguez, C., Antón, I., Sala, G., Askins, S. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pip.2227/abstract">Current-matching estimation for multijunction cells within a CPV module by means of component cells: Current-matching estimation for MJ cells within a concentrator.</a> Prog. Photovolt. Res. Appl. 21, 1478(2013).</li>
<li>Askins, S., Victoria, M., Herrero, R., Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. Effects of Temperature on Hybrid Lens Performance. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAskins%2C+S+%22AIP+Conf.+Proc%22">AIP Conf. Proc</a>. , AIP Publishing. 57-60 (2011).</li>
<li>Vallerotto, G., Askins, S., Victoria, M., Antón, I., Sala, G. Experimental Characterization of Achromatic Doublet on Glass (ADG) Fresnel Lenses. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aVallerotto%2C+G+%22AIP+Conf.+Proc%22">AIP Conf. Proc</a>. , AIP Publishing. (2017).</li>
</ol>

我们没有需要披露的内容。

用于表征ADG菲涅耳透镜的方法包含两种不同流程：第一种使用太阳能电池作为光传感器，而第二种则基于CCD相机。
采用基于太阳能电池的方法，利用不同菲涅耳透镜作为聚光器，测量了多结（MJ）太阳能电池产生的光电流。如实验方案所述，聚光光伏（CPV）太阳能模拟器采用氙气闪光灯作为光源，其发出的光经抛物面反射镜反射后形成准直光束，照射至测量平面（与透镜孔径重合）。由于反射镜制造公差及表面粗糙度的影响，测量平面上的准直光分布并不均匀。这种由太阳能模拟器产生的辐照度不均匀性，是本实验测量中误差的主要来源10。由于大尺寸透镜会在较大面积上对测量平面上的辐照度进行积分，因此由不均匀性引起的误差与透镜尺寸相关。西班牙太阳能研究所使用的CPV系统太阳能模拟器，在3×3 cm光学元件条件下可实现优于±5%的均匀性9。对于本研究中测试的ADG菲涅耳透镜（其光学孔径为40×40 mm），辐照度不均匀性对测量结果的影响可能尤为显著。为降低此类不确定性，在每次实验前需重新测量参考透镜。此外，在进行测量时，必须特别注意电池与透镜的对准过程。实际上，太阳能电池必须精确地位于透镜投射光斑的中心，以避免错位；若初始定位不当，则因失焦导致的光电流下降将被改变。另一种可能产生的误差来源于前表面金属化栅线的遮光效应差异（用作传感器的多结太阳能电池是在均匀辐照条件下校准的，但在测量过程中，透镜会在其表面投射出高斯分布的光强轮廓）。为确保金属化栅线不影响实验结果，建议通过移动透镜位置，从而在接收平面上改变光斑位置，并进行多次测量。若轻微移动光斑位置即导致测得的光电流发生显著变化，则表明金属化栅线正在影响测量结果。
还有其他方法可用于测量主透镜的光学效率，例如，使用热辐射传感器（如热电堆）10。该方法的主要缺点是，热传感器的响应速度对于任何闪光光源而言都过慢，因此仅适用于户外测量（而户外测量对辐射的光谱分布及其他气象条件非常敏感）。采用本文提出的方法可避免这一局限性。
此外，利用基于太阳能电池的方法，还可以获得透镜投射光斑的尺寸。为此，需要测量若干个类型相同但尺寸不同且相近的多结（MJ）太阳能电池所产生的光电流。对于尺寸小于透镜投射光斑的电池，由于部分光线会溢出电池表面，测得的光电流会随着电池表面积的减小而降低；相反，当多结太阳能电池的尺寸大于光斑时，无论电池表面积如何，透镜传输的所有光线均能到达电池表面，因此光电流保持不变。因此，光斑的尺寸等于能够达到最大效率的最小电池的尺寸。该方法中，所使用的太阳能电池数量越多，分辨率越高。
由于并非总能获得一组适合进行所述测量的太阳能电池，因此提出了使用CCD相机的方法来测量光斑尺寸。得益于CCD传感器宽广的动态范围，通过相机拍摄的光斑图像，可以精确比较峰值与谷值。为了计算辐照度的绝对值，有必要对整个装置（包括滤光片和CCD相机）进行校准。然而，通过图像可以将图像中的照明区域与暗区区分开，从而估算光斑尺寸。该技术的主要缺点在于CCD传感器与多结（MJ）太阳能电池之间的光谱失配，以及由太阳模拟器产生的准直光束以外的其他光源所引起的噪声。针对第一个问题，通过在CCD相机上添加热镜或冷镜，可以获得与顶部和中部子电池非常相似的光谱响应（见图6）。此外，为了限制背景噪声，必须将CPV模拟器的腔室完全遮暗。由于几乎无法完全避免外部光源的影响，图像处理显得尤为重要，必须进行良好的程序设计。最关键的步骤是消除背景噪声。噪声滤除可部分实现自动化，但由于其对外部因素的高度依赖性且这些因素难以准确预测，每一张处理后的图像都必须经过人工目视检查。
通过在系统中增加一个放置透镜的温控腔室，ccd 方法可用于获取光斑尺寸随透镜温度变化的演化过程。在这种情况下，除了前述的误差来源外，透镜温度测量还会引入不确定性。用于控制的热电偶（即直接连接到计算机的热电偶）并不能代表透镜的实际温度，因为该传感器位于温控腔室内靠近透镜但并未直接接触透镜的位置。因此，该热电偶测得的温度仅反映透镜周围环境的平均温度，不一定等于透镜的真实温度。正因如此，建议将每个透镜单独连接至独立的热电偶。然而，透镜不同位置之间仍可能存在温度梯度。为了量化这一不确定性，在温控腔室达到设定温度后、进行任何测量之前，最好等待15至20分钟，以使系统温度尽可能均匀。

聚光光伏（CPV）是一种有前景的技术，可降低基于太阳能发电的成本，因为该技术能够利用先进多结（MJ）太阳能电池效率的快速持续提升。这些器件由多个子电池组成（通常分为顶层、中层和底层），每个子电池由不同的半导体化合物制成。每个子电池具有不同的带隙，从而产生不同的光谱响应，使其能够将太阳光谱的不同部分转化为电能。通过这种方式，多结太阳能电池能够利用较宽范围的太阳光谱（通常为 300 - 1800 nm），在聚光条件下实现超过 46% 的效率值1。为了弥补此类光伏器件的高成本，通常采用光学系统将其表面的辐照度进行聚焦，从而降低整个系统的最终成本。目前，大多数 commercially available 高倍聚光光伏（HCPV）系统均基于玻璃上硅（SoG）混合菲涅耳透镜2。在所有折射光学系统中，色差是严重影响透镜性能（即最大可实现聚光倍数）的最主要因素3（即 最小光斑面积）。通过使用消色差透镜，也就是色差被极大降低的透镜，可以在无需任何附加光学元件（称为次级光学元件4,5）的情况下显著提高最大可实现的聚光倍数。
消色差透镜的设计（通常被称为消色差双合透镜，因为它们由两种具有不同色散特性的材料组合而成）自18世纪以来已广为人知。传统的消色差双合透镜由两种不同的玻璃组成：第一种称为冕牌玻璃，具有低色散特性；第二种称为火石玻璃，具有高色散特性。然而，这类玻璃材料及其加工的总体成本使得它们在高聚光光伏（HCPV）系统中难以负担。Languy 及其合作者提出了一种用于聚光光伏（CPV）的消色差双合透镜，该透镜由两种塑料构成：聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和聚碳酸酯（PC）6。在他们的文章中，对不同结构配置及其优势进行了比较分析，但未涉及其在大规模生产中的可制造性和可扩展性问题。
本文提出的ADG菲涅耳透镜经过特殊设计，使得特定短波长（&#34;蓝&#34;光）和特定长波长（&#34;红&#34;光）的光线具有完全相同的焦距。标准消色差双合透镜的设计方法细节可参见其他文献7。已开展多项光线追迹模拟，以验证采用ADG菲涅耳透镜相较于传统SoG菲涅耳透镜所获得的性能提升。相关结果的详细报告见文献4。最重要的结果是，当用ADG菲涅耳透镜替代传统的SoG菲涅耳透镜时，在保持相同光学效率的前提下，可实现的聚光能力提高约三倍。此外，由于制造ADG透镜所设想的工艺8与用于制造SoG透镜的工艺非常相似，因此聚光能力的提升不会显著增加成本。
本文介绍了一种对包含折射主透镜的聚光器进行综合表征的实验方案，并将该方案应用于一种传统的玻璃-塑料（SoG）菲涅耳透镜（作为基准）以及多种模塑玻璃-塑料（ADG）菲涅耳透镜原型。实验中使用了用于聚光型光伏（CPV）的太阳模拟器。该模拟器及其所有组件的详细描述、工作原理已在其他文献中报道9。

<table><tbody><tr><td>HELIOS 3030 太阳光模拟器</td><td>SAV</td><td></td><td></td></tr><tr><td>HELIOS 3030 软件</td><td>SAV</td><td></td><td></td></tr><tr><td>HELIOS 3198 CPV 太阳光模拟器</td><td>SAV</td><td></td><td></td></tr><tr><td>HELIOS 3198 软件</td><td>SAV</td><td></td><td></td></tr><tr><td>三轴自动定位平台</td><td>Zaber tech.</td><td>T-LSR75A</td><td>目录编号对应于在 xyz 控制的一个轴上高精度控制透镜移动的设备。</td></tr><tr><td>三轴自动定位平台</td><td>Zaber tech.</td><td>T-LSM200A</td><td>目录编号对应于在 xyz 控制的一个轴上高精度控制透镜移动的设备。</td></tr><tr><td>三轴自动定位平台</td><td>Zaber tech.</td><td>T-LSM200A</td><td>目录编号对应于在 xyz 控制的一个轴上高精度控制透镜移动的设备。</td></tr><tr><td>Zaber Console 1.4.7</td><td>Zaber tech.</td><td></td><td>Zaber tech. 提供的软件，可通过计算机控制自动定位平台</td></tr><tr><td>二向色滤光片</td><td>Edmund optics</td><td></td><td>热镜和冷镜</td></tr><tr><td>中性滤光片</td><td>Edmund optics</td><td></td><td></td></tr><tr><td>玻璃基底硅胶菲涅耳透镜</td><td></td><td></td><td>由弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer ISE）制造</td></tr><tr><td>玻璃基底消色差双合透镜菲涅耳透镜</td><td></td><td></td><td>由太阳能研究所（Solar Energy Institute）制造</td></tr><tr><td>多结太阳能电池</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>电荷耦合器件相机</td><td>Qimaging</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Qcapture，CCD 相机控制软件</td><td>Qimaging</td><td></td><td></td></tr><tr><td>热控室</td><td></td><td></td><td>由 IES 设计并制造</td></tr><tr><td>TC-720，热控室控制软件</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

用于聚光光伏的玻璃消色差双合透镜菲涅耳透镜效率及辐照光斑的室内实验评估

Indoor Experimental Assessment of the Efficiency and Irradiance Spot of the Achromatic Doublet on Glass (ADG) Fresnel Lens for Concentrating Photovoltaics

我们提出了一种用于表征适用于光伏应用的消色差菲涅耳透镜的方法。玻璃基消色差双合透镜（ADG）菲涅耳透镜由两种材料构成：一种塑料和一种弹性体，二者具有不同的色散特性（即折射率随波长的变化）。我们首先设计了透镜的几何结构，然后基于蒙特卡洛方法进行光线追迹模拟，从光学效率和可达到的最大聚光比两个方面分析其性能。随后，采用一种简单且可靠的方法制造了ADG菲涅耳透镜的原型样品。该方法包括先注射成型塑料部件，再依次与弹性体及玻璃基板进行层压，从而制备出ADG菲涅耳透镜的拼接阵列。利用光学显微镜检测所制造透镜轮廓的精度，同时使用适用于聚光型光伏系统的太阳模拟器评估其光学性能。该模拟器采用氙气闪光灯作为光源，其发出的光经抛物面反射镜反射后形成准直光束，其光谱分布和角孔径均与真实太阳光相近。我们通过使用电荷耦合器件（CCD）相机拍摄透镜投射的辐照度光斑图像，并测量多种已预先在聚光型太阳能电池模拟器上完成表征的多结（MJ）太阳能电池所产生的光电流，从而评估ADG菲涅耳透镜的光学性能。实验结果验证了ADG菲涅耳透镜的消色差特性，同时也证明了所采用的建模与制造方法的可行性与适用性。

从前述实验测试中获得的最重要结果如下： 
- 已通过 CCD 相机测量证实了 ADG 菲涅耳透镜的消色差特性（图7）。 
- ADG 菲涅耳透镜的光学效率（与用作光传感器的 MJ 电池所测得的电流成正比）在将电池从最佳焦距位置沿焦轴移动时表现出较大的容差（图8）。 
- ADG 透镜投射光斑的尺寸在不同温度下均表现出较大的容差（图9）。
两种透镜（传统的玻璃模压（SoG）菲涅尔透镜和ADG菲涅尔透镜）的光斑直径随透镜到接收器距离的变化情况如图7所示。通过两个二向色滤光片分别分析了上层和中层子电池，其中一个热反射镜滤除波长大于700 nm的光，另一个冷反射镜滤除波长小于700 nm的光。在图7a中可以看出，两条曲线的最小值位置发生偏移。这是由于色差引起的：由于短波长的折射率较高，蓝光的焦点更靠近透镜。因此，蓝光的最小光斑向左（朝向透镜方向）偏移，而红光的最小光斑向右（朝向无穷远方向）偏移。相反，在图7b中可以观察到，对于ADG菲涅尔透镜，蓝光的最小光斑位置与红光的最小光斑位置完全重合，证明该透镜具有消色差特性。
归一化光电流随相对电池-透镜距离变化的演化曲线，如图所示，该数据来自被聚光透镜照射的多结太阳能电池 图8ADG菲涅耳透镜曲线的较宽特性意味着，得益于其消色差设计，相较于传统的SoG菲涅耳透镜，它在光学轴向上偏离最佳位置时具有更高的容差。因此，ADG透镜对装配误差或任何改变焦距的现象具有更强的容忍性。 例如温度变化
最后，图9展示了透镜投射光斑随透镜温度变化的情况。通过二向色滤光片（热镜和冷镜）分别对顶区和中区子电池进行了分析。透镜被置于带有透明盖板的温控腔内以调节其温度12。图9中的曲线表明，与参考的SoG菲涅耳透镜相比，ADG菲涅耳透镜受温度变化的影响更小。事实上，对于参考SoG透镜，当温度升高20 °C时，光斑尺寸的扩展十分显著：顶区子电池的光斑直径约增大30%，中区子电池则高达60%。相反，对于ADG透镜，即使在最不利的情况下，其增长幅度也低于20%。这意味着即使在具有较大热波动的户外运行条件下，使用ADG透镜仍可使系统性能更加稳定。
<img alt="菲涅耳透镜对比图表；光学精度下光斑直径与透镜到接收器距离的关系" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56269/56269fig7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图7"> 
图7测量光斑直径随透镜到接收器距离的变化关系。光斑直径定义为包含95%能量的范围。红色虚线代表较长波长的光斑直径（这些波长通常由多结太阳能电池中的中间子电池转换）， 即，650–900 nm）处的连续线表示较短波长的光斑直径（通常由顶部子电池覆盖的波长范围）， 即，350-650 nm）。a）SOG 菲涅耳透镜，（bADG 菲涅耳透镜。该图已由原始版本修改而来8. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56269/56269fig7large.jpg" target="_blank">请点击此处以查看此图的放大版本。</a>
<img alt="3 mm 太阳能电池，相对电池-透镜距离与归一化光电流关系图，显示 SoG 和 ADG 数据。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56269/56269fig8v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="图 8"> 
图 8. 直径为 3 mm 的多结（MJ）太阳能电池在不同相对电池-透镜距离下产生的归一化光电流。每条曲线均已除以其最大值。三条曲线的 x 轴零点表示最佳焦距（光斑最小处）。背景曲线表示由顶层（圆形标记）和中层（三角形标记）子电池产生的归一化光电流。ADG_v2 是一种改进的 ADG 菲涅耳透镜设计。为清晰起见，已特别标出多结太阳能电池产生的归一化电流（顶层与中层光电流中的较小值）。本图改编自13。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56269/56269fig8large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>
<img alt="SoG、ADG在顶部、中部子电池中相对直径与温度关系的图表。" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56269/56269fig9.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Figure 9"> 
图9. 相对光斑尺寸随透镜温度的变化关系。（A）与顶部子电池相关的结果（使用二向色性热镜滤光片进行测量）。（B）与中部子电池相关的结果（使用二向色性冷镜滤光片进行测量）。相对光斑尺寸通过将各透镜测得的光斑尺寸除以其最小测量值获得。本图改编自13。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56269/56269fig9large.jpg" target="_blank">请点击此处查看此图的放大版本。</a>

玻璃非球面双合透镜（ADG）菲涅耳透镜利用两种色散特性不同的材料，以减小色差并提高可实现的聚光能力。本文介绍了一种对ADG菲涅耳透镜进行全面表征的实验方案。

我们提出了一种用于表征适用于光伏应用的消色差菲涅耳透镜的方法。玻璃基消色差双合透镜（ADG）菲涅耳透镜是……

该方法的总体目标是评估消色差双合透镜作为聚光光伏系统新型光学元件在玻璃菲涅耳透镜上的性能。该方法通过测量透镜投射光斑的尺寸，来确定光学元件的透射效率及其聚光能力。通过检测光学元件在多结太阳能电池上聚集光线的效果，对其性能进行评估。这些装置可将宽光谱范围内的辐照度转化为电能。在聚光光伏系统中，使用折射型主元件时，色差会降低可达到的最大聚光倍数。通过使用我们设计的玻璃菲涅耳消色差双合透镜，可避免这一限制。该设计包含两种不同的材料，一种塑料和一种弹性体，具有不同的色散特性。也就是说，折射率随波长而变化。这种低成本的制造工艺包括将两种材料层压在玻璃基板上，以获得马赛克透镜阵列。每次测量均使用玻璃基硅 Fresnel 透镜作为基准。测量采用 Solar Added Value 公司的 Helios 3030 型聚光太阳能电池用太阳模拟器完成。该设备可在光谱可控的条件下，对多结太阳能电池进行 1,000 倍聚光光照下的测试。将顶部、中部和底部的参考异构体与待测太阳能电池一同置于太阳模拟器内。应尽可能使它们彼此靠近，以减少测量平面照度不均匀所导致的误差。随后，调节闪光灯的高度，以达到所需的聚光水平。添加必要的滤光片以调节光谱分布。然后，将标准电池和待测电池连接到太阳光模拟器的数据采集板上。打开控制软件，并选择一个辐照度水平，使顶部和中部的标准电池显示完全相同的辐照度值。这是为了确认在目标浓度水平和光谱条件下对电池进行测量。然后运行模拟器以开始进行 IV 测试。对于文本文件中定义的每个点，设备将电池极化至目标电压，触发闪光，并测量太阳能电池产生的电流。在不同浓度水平下重复此过程，以检查电池产生的光电流是否随浓度呈线性变化，从而验证校准后的太阳能电池作为聚光光伏系统透镜表征用光传感器的可靠性。将三轴自动定位平台安装在太阳能模拟器的暗室内部。然后将太阳能电池安装在平台的移动支架上，使其能够沿 X、Y 和 Z 轴方向精确控制位置，并将其连接至数据采集板。接下来，清洁待测透镜并将其放置在安装于自动定位平台上的固定支架上。利用移动平台将太阳能电池相对于透镜居中，并调整至最佳焦距位置。然后，使用包含三个同型电池的准直管式太阳光谱辐照度计，评估测量过程中的光谱条件。关闭模拟器遮光帘以屏蔽所有外部光源。打开控制太阳光模拟器的软件，按下“光脉冲”按钮以触发氙闪光灯。随后，当顶部和中部同位素指示器显示的辐照度完全相同时，测定太阳能电池产生的电流作为测量值。编写一个文本文件，其中包含若干个接近最优值的透镜到细胞的距离，并对每个位置重复测量。用将作为参考的硅胶镀玻璃菲涅耳透镜替换原有的玻璃消色差双合透镜，重复所有测量。在之前使用的同一三轴自动定位平台上安装CCD相机。选择最佳焦距。调节支架，使光斑大致位于CCD传感器的中心位置。然后，添加一个短通滤光片，以阻断波长大于650纳米的光。通过这种方式，仅记录多结太阳能电池中顶部子电池转换为电能的光。触发氙气闪光灯，并同步CCD相机拍摄镜头投射的光斑图像。处理该图像以选取包含光斑的区域，并计算辐照光斑的质心位置。计算透镜投射的光斑直径。该直径定义为包含到达CCD相机传感器的95%光强的圆形区域的直径。接下来，在先前确定的最优焦距周围的每个位置各拍摄一张照片。使用短通滤光片重复测量，以阻挡波长小于650纳米的光。在这种情况下，仅记录被多结太阳能电池中间子电池转换为电能的光。可通过将待测透镜置于能够控制温度的热循环箱内，重复上述测量。腔室壁需要对所有目标波长具有透明性。当使用玻璃基消色差双合透镜或玻璃基硅胶菲涅耳透镜照射时，太阳能电池产生的光电流归一化值随透镜与电池相对距离的变化关系被绘制出来。由于其设计特点，玻璃基消色差双合透镜在沿光轴方向偏离其最佳位置时表现出更高的位移容忍度。针对两种透镜，多结太阳能电池中顶部和中部子电池对应的光斑直径随透镜到接收器距离的变化关系被绘制出来。硅胶在玻璃样品中出现的偏移曲线是由于色差引起的。由于短波长的折射率较高，蓝光的焦点更靠近透镜。相反，对于消色差透镜，蓝光的最小光斑位置与红光的最小光斑位置完全重合，证明了该透镜具有消色差特性。由于温度变化导致的硅胶-玻璃透镜的光斑扩大程度大于消色差透镜。在具有显著热变化的户外工作条件下，使用消色差透镜可使系统性能更加稳定。掌握该技术后，即可在室内全面表征用于聚光光伏的光学元件，例如一次透镜或一次反射镜。西班牙太阳能研究所研制的玻璃基阿贝折射棱镜已通过本方案所述协议完成了全面表征，其光学效率和光斑尺寸均已被测量。利用该方法，我们已通过实验验证了ADG透镜的消色差特性、相对于最佳焦距位移的更高容忍度，以及对温度变化的更低敏感性。

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