Indoor experimentelle Bewertung der Effizienz und der Bestrahlungsstärke vor Ort von der achromatischen Doublet auf Glas (ADG) Fresnel-Linse für die Konzentration Photovoltaik

Das übergeordnete Ziel dieser Methode besteht darin, die Leistung eines achromatischen Doppellinsensystems auf einer Glas-Fresnel-Linse als neue Optik für konzentrierende Photovoltaiksysteme zu bewerten. Die Methode ermöglicht es, sowohl die Transmissions­effizienz der Optik als auch ihre Konzentrations­fähigkeit zu bestimmen, indem die Größe des von der Linse erzeugten Lichtflecks gemessen wird. Die Bewertung der Optik erfolgt durch die Messung ihrer Fähigkeit, Licht auf Mehrfach­schicht-Solarzellen zu konzentrieren.

Diese Vorrichtungen wandeln Bestrahlungsstärke über ein breites Spektralband in elektrische Energie um. Bei konzentrierter Photovoltaik verringert die chromatische Aberration die maximal erreichbare Konzentration, wenn man das brechende Primärelement verwendet. Diese Einschränkung wird vermieden, indem man das von uns entworfene achromatische Doppellinsen-System auf Basis einer Fresnel-Linse aus Glas nutzt.

Das Design umfasst zwei verschiedene Materialien, einen Kunststoff und ein Elastomer, die unterschiedliche Dispersion aufweisen. Das bedeutet, dass die Variation des Brechungsindex eine Funktion der Wellenlänge ist. Das kostengünstige Herstellungsverfahren beinhaltet das Laminieren beider Materialien auf einem Glas-Substrat, um ein Parkett aus Linsen zu erhalten.

Für jede Messung dient eine Silikon-auf-Glas-Fresnel-Linse als Referenz. Zur Durchführung der Messungen wurde der Solarsimulator für Konzentrator-Solarzellen Helios 3030 von Solar Added Value verwendet. Diese Vorrichtung ermöglicht es, Mehrfachübergang-Solarzellen unter konzentriertem Licht von 1.000 Sonnen mit gesteuertem Spektrum zu messen.

Platzieren Sie die oberen, mittleren und unteren Referenzisotypen zusammen mit der zu messenden Solarzelle im Sonnensimulator. Stellen Sie sie so nah wie möglich beieinander, um Fehler aufgrund einer nicht gleichmäßigen Beleuchtung in der Messfläche zu reduzieren. Anschließend stellen Sie die Höhe der Blitzlampe ein, um das gewünschte Konzentrationsniveau zu erreichen.

Fügen Sie die erforderlichen Filter hinzu, um die spektrale Verteilung anzupassen. Anschließend schließen Sie die Isotypen und die zu messende Zelle an die Datenerfassungskarte des Sonnensimulators an. Öffnen Sie die Steuersoftware, und wählen Sie eine Bestrahlungsstärke, bei der sowohl der obere als auch der mittlere Isotyp genau denselben Bestrahlungsstärkewert anzeigen.

Dies dient der Bestätigung, dass die Zelle unter dem Zielkonzentrationsniveau und Spektrum gemessen wird. Anschließend führen Sie die Simulation durch, um den IV-Test zu starten. Für jeden im Textdatei definierten Punkt polarisiert das Gerät die Zelle auf die gewünschte Spannung, löst den Lichtblitz aus und misst den von der Solarzelle erzeugten Strom.

Wiederholen Sie diesen Vorgang auf verschiedenen Konzentrationsstufen, um zu überprüfen, ob der von der Zelle erzeugte Photostrom linear mit der Konzentration variiert, und bestätigen Sie damit die Zuverlässigkeit der kalibrierten Solarzelle als Lichtsensor zur Charakterisierung von Linsen. Bringen Sie die automatisierte Positionierplattform mit drei Achsen in der Dunkelkammer des Solar-Simulators für konzentrierende Photovoltaik-Systeme an. Anschließend montieren Sie die Solarzelle auf dem beweglichen Halter der Plattform, sodass ihre Position entlang der X-, Y- und Z-Achse gesteuert werden kann, und schließen Sie sie an die Datenerfassungskarte an.

Als Nächstes reinigen und platzieren Sie die zu vermessende Linse auf der festen Halterung, die auf der automatisierten Positionierplattform montiert ist. Nutzen Sie die bewegliche Plattform, um die Solarzelle bezüglich der Linse zu zentrieren und im optimalen Brennabstand zu positionieren. Anschließend verwenden Sie das Spektroheliometer, das drei gleichartige Zellen in kollimierenden Röhren enthält, um die spektralen Bedingungen während der Messung zu bewerten.

Schließen Sie den Simulatorvorhang, um alle externen Lichtquellen auszublenden. Öffnen Sie die Software zur Steuerung des Sonnensimulators, und drücken Sie die Taste Lichtimpuls, um die Xenon-Blitzlampe auszulösen. Bestimmen Sie anschließend den vom Solarzelle erzeugten Strom als Messwert, wenn die oberen und mittleren Isotypen exakt denselben Bestrahlungsstärkewert anzeigen.

Verfassen Sie eine Textdatei mit mehreren Abständen zwischen Linse und Zelle in der Nähe des optimalen Werts, und wiederholen Sie die Messung für jede Position. Wiederholen Sie alle Messungen, wobei Sie die Achromatik-Doppellinse auf Glas-Fresnel-Linse durch die Silikon-auf-Glas-Fresnel-Linse ersetzen, die als Referenz verwendet wird. Befestigen Sie auf der zuvor verwendeten automatisierten Positionierplattform mit drei Achsen die CCD-Kamera.

Wählen Sie den optimalen Fokusabstand aus. Stellen Sie den Halter so ein, dass der Lichtfleck annähernd mittig auf dem CCD-Sensor liegt. Fügen Sie anschließend einen Kurzpassfilter hinzu, um Licht mit einer Wellenlänge über 650 Nanometer zu blockieren.

Auf diese Weise wird nur das Licht erfasst, das von der oberen Teilzelle innerhalb einer Mehrfachübergangs-Solarzelle in elektrische Energie umgewandelt wird. Zünden Sie die Xenon-Blitzlampe und synchronisieren Sie die CCD-Kamera, um ein Bild des vom Objektiv projizierten Lichtflecks aufzunehmen. Bearbeiten Sie das Bild, um einen Bereich auszuwählen, der den Fleck enthält, und berechnen Sie das Zentrum des Bestrahlungsflecks.

Berechnen Sie den Durchmesser des vom Objektiv projizierten Lichtflecks. Dieser ist definiert als der Durchmesser des Kreises, der 95 % des Lichts enthält, das den CCD-Kamerasensor erreicht. Nehmen Sie anschließend ein Foto für jede Position um die zuvor bestimmte optimale Fokusdistanz auf.

Wiederholen Sie die Messungen mit dem Kurzpassfilter, um Licht zu blockieren, dessen Wellenlänge kürzer als 650 Nanometer ist. In diesem Fall wird nur das Licht erfasst, das von der mittleren Teilzelle innerhalb einer Mehrfachübergang-Solarzelle in Elektrizität umgewandelt wird. Die vorherigen Messungen können wiederholt werden, indem die zu prüfende Linse in eine temperaturgesteuerte Wärmekammer eingebracht wird, die in der Lage ist, ihre Temperatur zu regulieren.

Die Kammerwand muss für alle Wellenlängen von Interesse durchlässig sein. Die normalisierten Werte des von der Solarzelle erzeugten Photostroms, wenn sie durch die Achromat-Doppellinse auf Glas oder die Silikon-auf-Glas-Fresnel-Linse beleuchtet wird, werden als Funktion des relativen Abstands zwischen Linse und Zelle dargestellt. Die Achromat-Doppellinse auf Glas zeigt eine höhere Toleranz gegenüber einer Verschiebung der Linse aus ihrer optimalen Position entlang der optischen Achse, bedingt durch ihr Design.

Die Entwicklung des Fleckdurchmessers, der den oberen und mittleren Teilzellen einer Mehrfachübergangssolarzelle entspricht, wird in Abhängigkeit vom Abstand Linse-zu-Empfänger für beide Linsen dargestellt. Die verschobenen Kurven bei der Silikon-auf-Glas-Probe resultieren aus chromatischer Aberration. Da der Brechungsindex für kurze Wellenlängen höher ist, liegt der Brennpunkt für blaues Licht näher an der Linse.

Umgekehrt entspricht bei der achromatischen Linse die Position des minimalen Flecks für blaues Licht genau der des minimalen Flecks für rotes Licht, was das achromatische Verhalten der Linse belegt. Die Vergrößerung des Lichtflecks infolge von Temperaturschwankungen ist bei der Silikon-auf-Glas-Linse größer als bei der achromatischen Linse. Unter Außenbetriebsbedingungen mit starken thermischen Schwankungen würde die Verwendung der achromatischen Linse die Systemleistung stabiler machen.

Wenn diese Technik einmal beherrscht ist, ermöglicht sie die vollständige Innenraum-Charakterisierung von optischen Elementen für konzentrierende photovoltaische Anwendungen, wie z. B. von Primärlinsen oder Primärspiegeln. Das am Institut für Solarenergie entwickelte achromatische Doppellinsen-Fresnel-Linsensystem auf Glas wurde vollständig mit dem vorgeschlagenen Protokoll charakterisiert. Sowohl die optische Effizienz als auch die Fleckgröße wurden gemessen.

Mit dieser Methode konnten wir experimentell das achromatische Verhalten der ADG-Linse, ihre höhere Toleranz gegenüber einer Verschiebung bezüglich der optimalen Fokusdistanz sowie ihre geringere Empfindlichkeit gegenüber Temperaturschwankungen nachweisen.