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Interior Evaluación Experimental de la eficiencia y el punto de irradiación de la doblete acromático en vidrio (ADG) lente de Fresnel para concentrar la energía solar fotovoltaica

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DOI:

10.3791/56269

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27 de octubre de 2017

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1Instituto de Energía Solar, Universidad Politécnica de Madrid

En este artículo

Resumen

El doblete acromático en vidrio (ADG) Fresnel lente hace uso de dos materiales con diferente dispersión para reducir la aberración cromática y aumentar la concentración alcanzable. En este trabajo se presenta un protocolo para la caracterización completa de la lente de Fresnel de ADG.

Resumen

Se presenta un método para caracterizar acromáticas lentes de Fresnel para aplicaciones fotovoltaicas. El doblete acromático en lente de Fresnel de vidrio (ADG) se compone de dos materiales, un plástico y un elastómero, cuyas características de dispersión (variación del índice de refracción con longitud de onda) son diferentes. Primero diseñamos la geometría de la lente y entonces utiliza trazado de simulación, basado en el método de Monte Carlo, para analizar su rendimiento desde el punto de vista de la eficiencia óptica y la concentración máxima alcanzable. Luego, prototipos de lente de Fresnel de la GDP fueron fabricadas usando un método simple y confiable. Consiste en una inyección previa de piezas de plástico y una laminación consecutiva, junto con el elastómero y un sustrato de vidrio para fabricar parquet de lentes de Fresnel de ADG. La exactitud del perfil de lente fabricado se examina usando un microscopio óptico, mientras que su rendimiento óptico es evaluada usando un simulador solar para instalaciones fotovoltaicas de concentrador. El simulador se compone de una lámpara de flash de xenón cuya luz emitida es reflejada por un espejo parabólico. La luz colimada tiene una distribución espectral y una abertura angular similar a la real del sol. Hemos sido capaces de evaluar el rendimiento óptico de las lentes de Fresnel de ADG por tomar fotografías de la irradiancia punto de la lente usando una cámara de dispositivo de carga acoplada (CCD) y medir el photocurrent generada por varios tipos de ensambladura multi (MJ) solar células, que han sido previamente caracterizadas en un simulador solar de concentrador de células solares. Estas medidas han demostrado el comportamiento acromático de lentes de Fresnel de ADG y, como consecuencia, la idoneidad de la modelización y métodos de fabricación.

Introducción

Fotovoltaica de concentrador (CPV) es una tecnología prometedora para reducir el costo de la electricidad solar, ya que esta tecnología puede tomar ventaja de la rápida mejora incremental en la eficiencia de avanzada multi celdas solares de unión (MJ). Estos dispositivos se componen de varias células secundarias (generalmente tres nombrado como superior, medio e inferior) cada uno de ellos está hecho de un semiconductor diferente compuesto. Cada célula sub tiene un bandgap diferentes dando lugar a una respuesta espectral diferente, que permite a cada uno convertir una parte distinta del espectro solar en electricidad. De esta manera, las células solares MJ son capaces de explotar una amplia gama del espectro solar (normalmente 300-1800 nm) alcanzando valores de eficacia superiores al 46% bajo luz concentrada1. Para compensar el alto costo de estos equipos fotovoltaicos, sistemas ópticos se utilizan para concentrar la radiación, que reduce el costo final del sistema. Actualmente, la mayoría de los disponibles en el mercado de alta concentración fotovoltaica (HCPV) sistemas se basa en híbrido (SoG) de silicona en vidrio de las lentes de Fresnel2. En todos los sistemas ópticos de refracción, aberración cromática es el factor más gravemente disminuyendo el rendimiento del objetivo en términos de la concentración alcanzable máxima3 (es decir, luz spot área mínima). Haciendo uso de una lente acromática, es decir, una lente con muy reducida aberración cromática, es posible aumentar significativamente la concentración máxima alcanzable sin necesidad de ningún elemento óptico adicional (denominados elementos ópticos secundarios 4 , 5).

El diseño de lentes acromáticas (llamado comúnmente dobletes acromáticos, ya que se fabrican acoplamiento dos materiales con características de dispersión diferentes) ha sido conocido desde el siglo XVIII. El doblete acromático convencional se compone de dos lentes diferentes: el primero es llamado la corona y tiene baja dispersión, mientras que la segunda se llama el pedernal y tiene alta dispersión. Sin embargo, el coste global de este tipo de gafas y su proceso hace inasequible para sistemas HCPV. Languy y autores propusieron un doblete acromático para CPV se compone de dos plásticos: poly(methyl methacrylate) (PMMA) y policarbonato (PC)6. En su artículo, un análisis comparativo sobre las diferentes configuraciones y sus ventajas es presentado sin abordar su escalabilidad en alta producción y fabricación.

La lente de Fresnel de ADG aquí propuesta ha sido diseñada de tal manera que la luz en una cierta longitud de onda corta (luz "azul") y cierta larga longitud de onda (luz "roja") tiene exactamente la misma distancia focal. Detalles del método de diseño para dobletes acromáticos estándar pueden encontrarse en otra parte7. Ha realizado varias simulaciones de trazado de rayos para demostrar las mejoras obtenidas usando una lente de Fresnel de ADG en lugar de una lente de Fresnel de la SoG convencional. Se presentó un informe detallado sobre los resultados obtenidos en4. El resultado más importante es que al sustituir una lente de Fresnel de la SoG convencional con una lente de Fresnel de GDP, la concentración alcanzable aumenta cerca de tres veces, manteniendo la misma eficiencia óptica. Además, desde el proceso de fabricación8 previstas para obtener el ADG es muy similar a la empleada para fabricar lentes de SoG, el aumento en la concentración se obtiene sin aumentar significativamente el costo.

Aquí presentamos un protocolo para llevar a cabo una completa caracterización de concentradores que comprende una lente refractiva primaria y aplicar este protocolo a un lente de Fresnel de la SoG convencional (utilizado como punto de referencia) y varios prototipos de lente de Fresnel de ADG. Para ello, se ha utilizado un simulador solar de CPV. Una descripción detallada del simulador y todos sus componentes, así como sus principios de funcionamiento, se ha presentado en otra parte9.

Protocolo

1. lente de modelización mediante simulación de Ray-Tracing

  1. preparación de modelo
    1. importación ADG Fresnel lente geometría en software de simulación de ray-tracing y configurar propiedades de los materiales tales como transmitancia y Índice de refracción.
      Nota: El diseño de Fresnel del GDP ha sido desarrollado en el Instituto de energía Solar y se compone de código de computadora basado en los principios básicos de la óptica como Fermat ' principio s y Snell ' Ley s. Curvas de dispersión de los materiales que componen el objetivo se han utilizado para desarrollar el método de diseño. Una descripción detallada del método de diseño se presenta en otros lugares 4.
    2. Configurar una fuente de luz con propiedades de real del sol como apertura angular y distribución espectral.
    3. Colocar un receptor a una distancia de la lente igual a la distancia focal nominal.

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figura 1. Captura de pantalla del modelo de simulación de trazado de rayos. Es posible observar la fuente de luz, la lente de Fresnel de GDP (que comprende el substrato de cristal, el elastómero y la lente de Fresnel bi plástico) y los receptores usados para medir la irradiancia en la apertura del objetivo (receptor de la lente) y la irradiancia en la salida (solar receptor de la célula). haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. ejecutar la simulación y calcular resultados deseados como la posible concentración y lente óptica eficiencia máxima. Concentración alcanzable se define como la relación entre la apertura óptica de la lente y el área del receptor donde se proyecta el lugar. Eficiencia óptica se define como el cociente entre la potencia en el receptor y la potencia en la lente abertura óptica 10.
    Nota: El área del receptor es mucho mayor que el punto de luz emitidos por la lente para garantizar que el receptor recoge cada rayo transmitida por la lente. De esta manera, la eficiencia óptica calculada tiene en las pérdidas de la cuenta debido a la absorción de materiales, la reflexión y la fabricación de restricciones (proyecto ángulos y punta de redondeo de la esquina y valles).
  2. Repetir los pasos 1.1. y 1.2. simulando una silicona en vidrio convencional (SoG) Fresnel en lugar de una lente de Fresnel de ADG para ser utilizado como punto de referencia.

2. Caracterización de células solares

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figura 2. Simulador solar de concentrador de células solares. Fotografía del simulador solar utilizado para caracterizar las células solares bajo irradiación concentrada. En la parte superior de la figura, es posible observar la lámpara cuya posición determina el nivel de concentración. En la parte inferior, se muestra el plano de medición con referencia componente de células solares y el DUT. A la izquierda de la fotografía, es posible apreciar el equipo electrónico (DAQ y fuente de alimentación) y el equipo utilizado para realizar la caracterización. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Calibración del simulador solar para caracterización de células solares
    1. lugar en el simulador solar las células del componente referencia (superior, medio e inferior), también conocidas como isotipos, que fueron calibrados bajo una referencia espectro y el dispositivo bajo prueba (DUT), es decir, la célula solar se mide.
      Nota: Coloque las celdas de referencia y DUT tan juntos como sea posible con el fin de reducir posibles errores debido a iluminación no uniforme en el plano mide.
    2. Ajustar la lámpara de flash posicionamiento (altura) para alcanzar el nivel de concentración deseado. Cuanto más la lámpara es de medición plano, menor será la concentración alcanzada.
      1. La distribución espectral depende de la posición de la lámpara y la intensidad del flash. Añadir los filtros necesarios para ajustar la distribución espectral. El procedimiento para obtener una distribución similar al espectro de referencia se describe en el paso 2.2.1.
    3. Conectar los isotipos y DUT a la tarjeta de adquisición de datos (DAQ) del simulador solar.
    4. Con un editor de texto crear un archivo de texto que contiene los valores de polarización para ser utilizado en la medición de curva de célula corriente-voltaje (IV). El archivo de texto contiene una línea por cada punto de tensión. Más puntos de tensión resultan en mayor definición de la curva. Puesto que todas las células solares implicadas son células solares MJ, los valores de polarización se componen de valores entre 0 V y 3.1 V.
  2. Medidas
    1. la intensidad de la luz a lo largo de la decadencia de flash tiene un pico inicial y luego empieza a disminuir ( figura 3). La distribución espectral de la luz también se modifica a lo largo del pulso del flash. Una célula convencional de solar MJ está compuesto por tres sub-células con bandgaps diferentes que están conectados en serie. Cada celda secundario puede convertir energía eléctrica en una parte diferente del espectro solar. Por lo tanto, la corriente generada por la célula solar MJ siempre está limitada por la sub célula produciendo menos actual. Para realizar una medición precisa, seleccione un nivel de irradiancia donde ambos isotipos, correspondiente a la parte superior y medianas sub células, indican exactamente el mismo nivel de irradiancia. Esto confirma que la célula se mide bajo el nivel de concentración y espectro. Se puede descuidar el hecho de que el nivel de irradiancia indicado la celda secundario inferior no es coincidente. Esto es porque comercial de células solares basados en Ge MJ nunca actual limitada por este celular sub. figura 3 muestra una explicación gráfica de ello.
    2. Una vez el nivel de radiación deseado para la medida es identificada, iniciar la prueba IV. El simulador Lee puntos de polarización desde el archivo de texto definido en el paso 2.1.4.; para cada punto, el equipo polariza la célula en el voltaje deseado, dispara el flash y mide la corriente generada por la célula solar. El par de valores de corriente y voltaje, que es la curva IV, se muestra en la pantalla del ordenador.
      Nota: Desde la curva IV, es posible obtener la corriente de cortocircuito (I sc), abierto el voltaje del circuito (V oc), factor de llenado (FF) y la eficiencia de la DUT (aunque en las siguientes secciones, se utiliza sólo la corriente de corto circuito).
    3. Repetir paso 2.2.2. a niveles de concentración diferentes para comprobar que la fotocorriente de célula solar depende linealmente de la concentración de nivel (ver figura 4) y, por lo tanto, la célula calibrada puede ser utilizada como un sensor de luz para determinar la radiación en el plano focal de la lente. Para cada nivel de concentración, ajustar la distribución espectral de la luz del flash utilizando filtros adecuados para realizar mediciones cuando ambos isotipos, tapa y medianas sub células, indican el mismo nivel de irradiación, como se explica en el paso 2.2.1.

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figura 3. Tiempo de evolución de las magnitudes medidas durante el decaimiento de flash. En el gráfico se ha marcado el instante cuando las células del isotipo, correspondiente a la parte superior y medianas sub células, medir el mismo nivel de irradiancia. Siguiendo la línea punteada negra que empieza desde la intersección de las curvas correspondientes a la parte superior y mediados subcells, es posible identificar el valor actual del DUT (círculo negro) como la corriente medida en el momento preciso en que referencia superior y medio las células ven el mismo nivel de irradiancia. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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figura 4. (A) esquema de la configuración utilizada para llevar a cabo pruebas experimentales. (B) fotografía de la instalación experimental y sus componentes (fuente de luz con integración de esfera, muestra de lente, cámara CCD y células solares utilizadas como sensores de luz). El espejo parabólico y los filtros no son visibles en esta fotografía. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

3. Caracterización de la lente.

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figura 5. Gráfico que representa la evolución de photocurrent generada por una célula solar MJ en función de la concentración. Como era de esperar hay una dependencia lineal. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

  1. Preparación de la configuración.
    1. 3-ejes de montaje automatizado posicionamiento plataforma: una plataforma móvil asistida de la computadora capaz de controlar con precisión la posición relativa entre la célula solar calibrada/CCD cámara y el objetivo a ser medido.
      1. Compruebe que la plataforma de posicionamiento automatizado de 3-ejes es perfectamente horizontal utilizando un nivel de burbuja.
    2. La célula solar/CCD cámara con soporte de montaje en la plataforma ' s mover el soporte de tal manera que es posible controlar su posición a lo largo de x, y y z ejes.
    3. Montar el soporte de la lente en la plataforma de delante el soporte móvil descrito en el paso 3.1.2. Utilizando el soporte móvil en x e y ejes, es posible centrar perfectamente el objetivo en relación con el objetivo de la cámara de célula solar/CCD. Mover el soporte a lo largo del eje z, es posible colocar el objetivo de la cámara de célula solar/CCD en el óptimo punto focal de la lente (tamaño de punto mínimo) y moverlo a lo largo de su eje óptico.
    4. Conecte todos los dispositivos (plataforma de posicionamiento automático, tablero DAQ para medir la fotocorriente de celular, cámara CCD y lámpara de xenón) a la computadora utilizada para realizar la prueba experimental todo.
    5. Prueba de la conexión y operación de todos los dispositivos conectados.
      1. Abra el software que controla el simulador solar de CPV y presione el botón de " pulso de luz " para disparar un flash. Si la gráfica de decaimiento flash es similar a la figura 3, significa que junta DAQ, lámpara de xenón, subcells de isotipo y DUT funcionan correctamente.
      2. Abra el software de control de la cámara para comprobar que la cámara está trabajando correctamente.
      3. Abra el software de control de la plataforma móvil asistida por computadora y utilizarla para mover el soporte móvil a lo largo de los tres ejes. Hacerlo así, seleccionar un eje entre los ejes enumerados en la parte superior izquierda de la ventana del software, a continuación introduzca una posición en " absoluto de movimiento " y pulso " ejecutar ". Si el soporte móvil se mueve como se esperaba, significa que la plataforma móvil está trabajando correctamente.
    6. Limpio y lugar de la lente a medir en el soporte fijo montado en la plataforma de posicionamiento automatizada.
    7. En frente del sensor, coloque un espejo bien caliente (corto-pass filtro bloqueo luz cuya longitud de onda es superior a 700 nm) o un espejo frío (pase largo luz bloqueo del filtro cuya longitud de onda es inferior a 700 nm).
      Nota: Paso 3.1.7. es necesario sólo para mediciones utilizando la cámara del CCD.
    8. Use el soporte móvil al centro de la célula solar/CCD cámara con respecto a la lente y colóquelo en el punto focal óptima.
    9. Con cualquier editor de texto, cree un archivo de texto que contiene en cada línea las coordenadas correspondientes a un punto de medida (una lente-receptor distancia) a partir de una posición de la celda/cámara 5 mm más cercano a la lente que la distancia focal óptima y hasta una posición más de 5 mm.
  2. Fase de medición
    1. célula Solar medidas
      Nota: en la misma forma que el simulador solar para las células solares se describe en la sección anterior, la intensidad de la luz y la distribución espectral del simulador solar para CPV cambios a lo largo de la decadencia de flash. La representación gráfica del decaimiento flash es similar a la obtenida con el simulador solar de concentrador de oxígeno las células que se describe en el paso 2.2.1. y representado en la figura 3. Hay un pico inicial y luego disminuye. Los cambios de la distribución espectral de la luz a lo largo de la decadencia de flash. La medición se realiza en el momento donde ambos isotipos, correspondiente a la parte superior y medianas sub células, indican el mismo nivel de irradiancia.
      Nota: Al contrario el caso del simulador solar para las células solares en este caso el único control que tenemos sobre el nivel de radiación es la intensidad de la luz flash y filtros neutrales
      1. una vez que se ha identificado el nivel de radiación óptima, es posible comenzar la prueba. Para cada posición definida en el paso 3.1.9., activar la luz del flash. El simulador genera un archivo de texto que contiene las señales de datos a lo largo de la decadencia de flash de la que es posible deducir célula solar generación actual bajo luz concentrada por el objetivo.
      2. Repetir los pasos de 3.1.7. a 3.2.1.3. para cada objetivo a ser medido.
    2. Medición de cámara CCD
      1. para cada posición definida en 3.1.9., mediante la cámara CCD, tomar una fotografía de la luz generada lugar.
        Nota: El sensor de CCD de la cámara junto con un espejo frío o caliente tiene una respuesta espectral similar a la parte superior y media celda secundario, respectivamente (ver figura 6). Además, para obtener fotografías con información útil, es necesario tomar algunas precauciones. En primer lugar, se debe ajustar la intensidad de la luz del flash para obtener una buena relación señal a ruido y, al mismo tiempo, no sature el sensor CCD. Para ello, es posible modificar directamente la intensidad del flash o usar filtros neutros para obtener el nivel deseado de la irradiación. En segundo lugar, es importante que la cámara del simulador está completamente a oscuras para evitar la influencia externas de fuentes de luz en las mediciones.
      2. Medidas de la temperatura
        1. Coloque la lente para ser medida insIDE la cámara térmica utilizada para controlar la temperatura de la lente durante el test.
        2. Uso de la cámara térmica, variar la temperatura de la lente de 10 ° C a 50 ° C con pasos iguales a 10 ° C. Para ello, coloque las lentes en una cámara térmica con una tapa frontal transparente.
        3. Realizar medición de diferentes temperaturas, utilizando la cámara del CCD de la misma manera descrita en 3.2.2.1.
          Nota: La temperatura de la lente de prueba se mide directamente a través de termopares que conectados a él. La diferencia de temperatura entre la superficie de las lentes es menor que 2 ° C.

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figura 6. Respuesta espectral (SR) del sensor CCD cámara silicio filtrado por un frío espejo o un vidrio de calor (puntos vacíos) para simular el SR de las células sub centrales y superiores de una 3 J emparejado por el enrejado de la célula solar (sólidos puntos). Esta figura se ha modificado de 10.

  1. procesamiento de resultados obtenidos con la celda solar medida.
    1. Calibrado usando componentes de la célula de isotipo para la referencia, determinar el photocurrent generada por las células de secundario superior y medianas de la célula solar que se utiliza como un sensor de luz para cada posición (para una discusión detallada sobre cómo calcular la parte superior y media photocurrents de las señales registradas durante el decaimiento de flash consulte 11).
    2. Dibujar un gráfico que representa la fotocorriente aproximada en función de la distancia de la lente-receptor para la tapa y medianas células sub.
    3. Comparar los resultados obtenidos con la lente de Fresnel acromática ADG de la lente de SoG Fresnel.
  2. Procesamiento de resultados obtenidos con la medición de la cámara de CCD.
    1. Identificar el centroide de la luz en las fotografías tomadas con la cámara CCD.
      Nota: El " centroide de luz " de un mapa de irradiancia distribución es el centro de la zona cuyo nivel de radiación está por encima de 90% de la irradiancia máxima del mapa.
    2. Una vez se identifica el punto centroide, definir una serie de radios posibles y, para cada uno, calcular el porcentaje de luz contenido dentro del círculo con respecto a la radiación total contenida en la fotografía.
    3. Calcular el radio de la mancha. Se define como el radio que contiene 95% de la irradiación total.
      Nota: Se ha elegido un valor de 95% para evitar una mancha artificial grande debido al ruido causado por la luz procedente de fuentes externas, es decir, directo de la lámpara de xenón de luz o desde el entorno.
    4. Repita los pasos del procesamiento de 3.4.1. a 3.4.3. para las medidas con un espejo frío y caliente.
    5. Una gráfica que representa el diámetro de punto de luz en función de la distancia del lente al receptor respecto a la posición óptima (mínimo tamaño del punto) para la luz azul y roja (caliente espejo y medidas espejo frío, respectivamente).

Resultados

Los resultados más importantes obtenidos de pruebas experimentales previamente descritas son los siguientes:
-Comportamiento acromático de lente de Fresnel del GDP ha demostrado utilizando mediciones de la cámara de CCD (figura 7).
-La eficiencia óptica (proporcional a la corriente medida por la célula MJ utilizada como un sensor de luz) de la ADG Fresnel lente muestra una gran tolerancia cuando la célula se mueve de la distancia focal óptima y en el eje de distancia focal (figura 8).
-El tamaño del molde punto por la lente ADG muestra una gran tolerancia a diferentes temperaturas (figura 9).

La evolución del diámetro del punto como una función de la distancia de la lente-receptor se muestra en la figura 7 para lentes, una lente de Fresnel de la SoG convencional y la lente de Fresnel de ADG. La parte superior y media las células han sido analizadas por separado por medio de dos filtros dicroicos, uno caliente espejo filtra luz con una longitud de onda superior a 700 nm y un espejo frío filtrado de luz cuya longitud de onda es inferior a 700 nm. En la Figura 7a, puede verse que los mínimos de las dos curvas son desplazados. Esto es debido a la aberración cromática: puesto que el índice de refracción para longitudes de onda cortas es más alto, el punto focal para la luz azul es más cercano a la lente. Luego, el punto mínimo de la luz azul se desplaza a la izquierda (hacia el objetivo) y el mínimo punto de luz roja es desplazado hacia la derecha (hacia el infinito). Por el contrario, en la figura 7b, se observa que, para la lente de Fresnel de GDP, la posición del punto mínimo de la luz azul corresponde exactamente con el mínimo punto de luz roja, demostrando que la lente exhibe comportamiento acromático.

La evolución de la fotocorriente normalizado generado por una célula solar MJ iluminada por una lente de concentración como función de la distancia relativa de la célula-lente se muestra en la figura 8. El aspecto más amplio de la curva de la lente de Fresnel de ADG significa que, gracias al diseño acromático, tiene una tolerancia mayor a una dislocación de la lente de su posición óptima a lo largo del eje óptico de una lente de Fresnel de la SoG convencional. Como consecuencia, ADG lentes son más tolerantes a errores de montaje o cualquier fenómeno que cambia la distancia focal, por ejemplo, una variación de temperatura.

Por último, la variación de la luz spot emitidos por la lente en función de la temperatura de la lente se muestran en la figura 9. La parte superior y media las células han sido analizadas por separado mediante filtros dicroicos (espejos fríos y calientes). Las lentes se han puesto dentro de una cámara térmica con un vidrio de tapa transparente para controlar su temperatura12. Los gráficos en la figura 9 muestran cómo la variación de la temperatura tiene un impacto menor en la lente de Fresnel de GDP que en la referencia de lente de SoG Fresnel. De hecho, para este último, para un incremento de temperatura de 20 ° C, la expansión de la luz tamaño de punto es significativa: el diámetro es cerca de 30% más grande para la celda secundario superior y hasta un 60% más grande de la media celda sub. Por el contrario, para la lente de la ADG, incluso en el peor de los casos el incremento es inferior al 20%. Eso significa que incluso en condiciones de funcionamiento al aire libre con excursión térmica fuerte, usando la lente ADG haría que el rendimiento del sistema más estable.

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Figura 7. Diámetro del punto medido en función de la distancia del lente al receptor. Diámetro de punto se define como la incluye el 95% de la energía. Rojo líneas punteadas representan el lugares diámetros para longitudes de onda más larga (típicamente los convirtieron por la célula de los media en las células solares MJ, es decir., 650-900 nm) y azul líneas continuas representan diámetros spot para longitudes de onda más cortas (ésos típicamente cubiertos por el subcell superior, es decir, 350-650 nm). (un) SOG Fresnel lente, (b) Fresnel de ADG. Esta figura ha sido modificada desde8. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 8. Normalizado photocurrent generada por una célula solar MJ cuyo diámetro es de 3 mm en función de la distancia relativa de la lente de celular. Cada curva se ha dividido por su valor máximo. El cero en el eje x para tres lentes representa la distancia focal óptima (donde el punto reduce al mínimo). Curvas de fondo representan los photocurrents normalizados generados por la parte superior (marcadores circulares) y la media de células secundarias (marcadores triangulares). ADG_v2 es un mejor diseño de lente de Fresnel de ADG. La corriente normalizada producida por la célula solar MJ (el valor mínimo entre la parte superior y mediados photocurrents) ha sido comentada por motivos de claridad. Esta cifra ha sido modificada desde el 13. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Figura 9. Tamaño de punto relativo en función de la temperatura de la lente. (A) resultados relacionados con la celda secundario superior (medición realizada con un filtro dicroico espejo caliente). (B) resultados relacionados con el medio celular sub (medición realizada con un filtro de espejo frío dicroico). El tamaño del punto relativo se obtiene dividiendo el tamaño del punto por el valor mínimo medido para cada lente. Esta cifra ha sido modificada desde el13. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discusión

El método propuesto para la caracterización de las lentes de Fresnel de ADG incluye dos procedimientos diferentes: el primero de ellos utiliza células solares como sensores de luz, mientras que el segundo se basa en una cámara CCD.

Aplicar la célula solar basado en el procedimiento, el photocurrent generada por una célula solar MJ se ha medido utilizando diferentes lentes de Fresnel como concentradores. Como se describe en el protocolo, el simulador solar de CPV hace uso de una lámpara de flash de xenón emiten luz que se refleja en un espejo parabólico. Tal espejo genera un haz de luz colimado en el plano de medición (coincidente con la apertura del objetivo). Debido a las tolerancias de fabricación de espejo y rugosidad de la superficie, la luz colimada no es uniforme en el plano de medición. La no uniformidad de la radiación creada por el simulador solar es la principal fuente de error en nuestras medidas experimentales10. Desde lentes gran integran la irradiancia en el plano de medición sobre un área grande, el error debido a la falta de uniformidad depende del tamaño de la lente. El simulador solar para sistemas de CPV en el Instituto de energía Solar logra una uniformidad mejor que ± 5% para la óptica de 3 x 3 cm9. Para la lente de Fresnel de ADG probada aquí, cuya abertura óptica es 40 x 40 mm, el efecto de la falta de uniformidad en la medición puede ser crítico. Para reducir esta incertidumbre, un objetivo de referencia es volver a medida antes de realizar cualquier experimento. Por otra parte, al realizar estas mediciones, es fundamental para tener especial cuidado durante la alineación de la celda y la lente. De hecho, la célula solar debe colocarse exactamente centrada con el punto de luz emitidos por la lente para evitar desalineamiento, porque si se utiliza una mala colocación inicial, se modifica la reducción de la fotocorriente debido al desenfoque. Otro error que puede ocurrir es causado por factores diferentes matices de la rejilla de metalización frontal (la célula solar MJ utilizada como un sensor se calibra utilizando irradiación uniforme pero las lentes fundición un perfil gaussiano de la forma en durante las mediciones). Para asegurar que la metalización no afecta a los resultados experimentales, es útil realizar varias mediciones de desplazamiento de la lente y, como consecuencia, el punto de luz en el plano receptor. Si la fotocorriente medida varía significativamente un poco mover el punto de luz, significa que la red de metalización está afectando las mediciones.

Hay otros métodos adecuados para medir la eficiencia óptica de una lente primaria, por ejemplo, usando sensores de irradiancia térmica como Termopilas10. El principal inconveniente de este enfoque es que la respuesta de un sensor térmico es demasiado lenta para cualquier fuente de luz de flash. Por lo tanto, sólo puede ser aplicado a las mediciones al aire libre (que son muy sensibles a la distribución espectral de irradiancia y otras condiciones del tiempo). Con el método propuesto, se evita esta limitación.

Además, con la célula solar base de procedimiento, también sería posible obtener el tamaño del molde punto luz por una lente. Para ello, los photocurrents generados por varias células solares MJ del mismo tipo y diferentes pero similares tamaños necesitan ser medido. Para las células cuyo tamaño es más pequeño que el molde punto luz por la lente, la fotocorriente medida disminuye como las disminuciones de superficie celular debido a la luz se derrame fuera de la célula. Por el contrario, la fotocorriente es constante para las células solares de la MJ cuyo tamaño es más grande que el punto ligero, ya que independientemente de la superficie de la célula, toda la luz transmitida por el objetivo llega a la célula solar. Por lo tanto, el tamaño de la mancha de luz es igual al tamaño de la célula más pequeña que logra la máxima eficiencia. Para este método, cuanto mayor sea el número de células solares utiliza, cuanto mayor sea la resolución.

Un conjunto de células solares adecuados para llevar a cabo las medidas descritas no siempre está disponible, se ha propuesto el procedimiento de cámara CCD para medir el tamaño de punto ligero. Gracias al amplio rango dinámico del sensor CCD, utilizando fotografías del punto ligero tomado con la cámara, es posible una comparación precisa entre los valores pico y Valle. Para calcular el valor absoluto de la irradiancia, una calibración de la configuración entera, incluyendo los filtros y cámara CCD, sería necesaria. Sin embargo, las fotografías, es posible separar la zona iluminada de la zona oscura sobre una imagen y, así, estimar el tamaño del spot luz. Los principales inconvenientes de esta técnica son el desajuste espectral entre el sensor CCD y una célula solar MJ y el ruido producido por fuentes de luz diferentes del haz colimado generado por el simulador solar. Respecto al primer problema, añadiendo un espejo caliente o frío a la cámara, es posible obtener una respuesta espectral muy similar a la de la parte superior y media las células (ver figura 6). Además, para limitar el ruido de fondo, es necesario oscurecer totalmente la cámara del simulador CPV. Puesto que es casi imposible evitar completamente las fuentes de luz externas, el proceso de imagen es muy importante y tiene que estar bien programado. El paso más crítico es la eliminación de ruido de fondo. Filtrado de ruido puede ser parcialmente automatizado, sin embargo, debido a la fuerte dependencia con factores externos que son apenas predecible, cada imagen procesada somete a un examen visual.

El procedimiento de CCD puede utilizarse para obtener la evolución de la luz tamaño del punto como una función de la temperatura de la lente mediante la adición al sistema de una cámara térmica donde se colocan los lentes. En este caso, además de las fuentes de error antes descrito, surge la incertidumbre de las mediciones de temperatura de la lente. El termopar de control (uno conectado directamente a la computadora) no representa la temperatura real de la lente porque el sensor es colocado en un punto de la cámara térmica cerca pero no directamente relacionado con los objetivos a medir. Por lo tanto, la temperatura medida con un termopar de tal es una temperatura media del ambiente que rodea las lentes y no necesariamente corresponde a la temperatura real de la lente. Por esta razón se recomienda la conexión de cada lente a un termopar independiente. Sin embargo, probablemente hay un gradiente de temperatura entre distintos puntos de la lente. Para cuantificar esta incertidumbre, una vez que la cámara térmica alcanza la temperatura deseada, y antes de realizar cualquier medición, es mejor esperar 15-20 minutos para permitir que la temperatura del sistema llegan a ser tan uniformes como sea posible.

Divulgaciones

No tenemos nada que revelar.

Agradecimientos

Este trabajo ha sido parcialmente financiado por el Ministerio de economía y competitividad bajo el proyecto Acromalens (ENE2013-45229-P) y ha recibido financiación de investigación horizonte 2020 de la Unión Europea y el programa de innovación dentro del proyecto CPV Fósforo bajo concesión contrato No 640873.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
HELIOS 3030 SIMULADOR SOLARSAV
HELIOS 3030 SOFTWARESAV
HELIOS 3198 CPV SIMULADOR SOLARSAV
HELIOS 3198 SOFTWARESAV
PLATAFORMA DE POSICIONAMIENTO AUTOMATIZADO DE 3 EJESZaber tech.El número de catálogo T-LSR75Acorresponde al dispositivo que controla los movimientos de la lente con alta precisión en un eje del control xyz.
PLATAFORMA DE POSICIONAMIENTO AUTOMATIZADO DE 3 EJESZaber tech.El número de catálogo T-LSM200Acorresponde al dispositivo que controla los movimientos de la lente con alta precisión en un eje del control xyz.
PLATAFORMA DE POSICIONAMIENTO AUTOMATIZADO DE 3 EJESZaber tech.El número de catálogo T-LSM200Acorresponde al dispositivo que controla los movimientos de la lente con alta precisión en un eje del control xyz.
Consola Zaber 1.4.7.Tecnología Zaber.Software proporcionado por Zaber tech. capaz de controlar la posición automática de la plataforma desde el ordenador
Filtros dicroicosÓpticaEdmund espejos fríos y calientes
Filtros neutrosÓptica Edmund
Silicona sobre vidrio LenteFabricado por Fraunhofer ISE.
Doblete acromático sobre vidrio LenteFabricado en el Instituto de Energía
Solar Células
Dispositivo acoplado cargado CámaraQimaging
Qcapture, software de control de cámara CCD
Diseñado y fabricado en el IES
TC-720, software
Fresnel de Fresnel solares multiunión Cámara térmica Qimaging de control de cámara térmica

Referencias

  1. Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E. D. Solar cell efficiency tables (version 49). Prog. Photovolt. Res. Appl. 25, 3-13 (2016).
  2. Lorenzo, E., Sala, G. Sun II. , 536-539 (1979).
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  4. Vallerotto, G., et al. Design and modeling of a cost-effective achromatic Fresnel lens for concentrating photovoltaics. Opt. Express. 24, A1245(2016).
  5. Victoria, M., Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. Comparative analysis of different secondary optical elements for aspheric primary lenses. Optics Express. 17, 6487-6492 (2009).
  6. Languy, F., et al. Flat Fresnel doublets made of PMMA and PC: combining low cost production and very high concentration ratio for CPV. Opt. Express. 19, Suppl 3. A280(2011).
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  8. Vallerotto, G., Askins, S., Victoria, M., Antón, I., Sala, G. A novel achromatic Fresnel lens for high concentrating photovoltaic systems. AIP Conf. Proc. , AIP Publishing. 050007(2016).
  9. Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. Solar simulator for concentrator photovoltaic systems. Opt. Express. 16, 14894(2008).
  10. Victoria, M., Askins, S., Herrero, R., Antón, I., Sala, G. Assessment of the optical efficiency of a primary lens to be used in a CPV system. Solar Energy. 134, 406-415 (2016).
  11. Domínguez, C., Antón, I., Sala, G., Askins, S. Current-matching estimation for multijunction cells within a CPV module by means of component cells: Current-matching estimation for MJ cells within a concentrator. Prog. Photovolt. Res. Appl. 21, 1478(2013).
  12. Askins, S., Victoria, M., Herrero, R., Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. Effects of Temperature on Hybrid Lens Performance. AIP Conf. Proc. , AIP Publishing. 57-60 (2011).
  13. Vallerotto, G., Askins, S., Victoria, M., Antón, I., Sala, G. Experimental Characterization of Achromatic Doublet on Glass (ADG) Fresnel Lenses. AIP Conf. Proc. , AIP Publishing. (2017).

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