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

El objetivo general de este método es evaluar el rendimiento del doblete acromático en una lente de Fresnel de vidrio como nueva óptica para sistemas fotovoltaicos de concentración. El método permite determinar tanto la eficiencia de transmisión de la óptica como su capacidad de concentración midiendo el tamaño del punto proyectado por la lente. La evaluación de la óptica se lleva a cabo midiendo qué tan bien concentra la luz en las células solares multiunión.

Estos dispositivos convierten en electricidad la irradiancia en un amplio ancho de banda espectral. En la energía fotovoltaica concentrada, la aberración cromática reduce la concentración máxima alcanzable cuando se utiliza el elemento primario refractivo. Esta limitación se evita mediante el uso del doblete acromático sobre lente Fresnel de vidrio que hemos diseñado.

El diseño incluye dos materiales diferentes, un plástico y un elastómero, que tienen diferente dispersión. Es decir, la variación del índice de refracción es una función de la longitud de onda. El económico proceso de fabricación incluye la laminación de ambos materiales sobre un sustrato de vidrio con el fin de obtener un parquet de lentes.

Para cada medición, se utiliza una lente Fresnel de silicona sobre vidrio como referencia. Para realizar las mediciones se ha utilizado el simulador solar para células solares concentradoras, Helios 3030 de Solar Added Value. Este equipo es capaz de medir células solares MJ bajo luz concentrada de 1.000 soles con espectro controlado.

Coloque los isotipos de referencia superior, medio e inferior dentro del simulador solar junto con la célula solar que se va a medir. Colóquelos lo más cerca posible para reducir los errores debidos a una iluminación no uniforme en el plano de medición. A continuación, ajuste la altura de la lámpara de flash para alcanzar el nivel de concentración deseado.

Agregue los filtros necesarios para ajustar la distribución espectral. A continuación, conecte los isotipos y la célula a medir a la placa de adquisición de datos del simulador solar. Abra el software de control y seleccione un nivel de irradiancia, donde los isotipos superior e intermedio indican exactamente el mismo nivel de irradiancia.

Esto es para confirmar que la celda se mide bajo el nivel de concentración y el espectro objetivo. A continuación, ejecute el simulador para iniciar la prueba IV. Para cada punto definido en el archivo de texto, el equipo polariza la celda al voltaje deseado, activa el destello y mide la corriente generada por la celda solar.

Repita este proceso a diferentes niveles de concentración para comprobar que la fotocorriente generada por la célula cambia linealmente con la concentración, confirmando la fiabilidad de la célula solar calibrada como sensor de luz para la caracterización de la lente. Monte la plataforma de posicionamiento automatizado de tres ejes dentro de la cámara oscura del simulador solar para sistemas fotovoltaicos concentradores. A continuación, monte la célula solar en el soporte móvil de la plataforma de tal manera que sea posible controlar su posición a lo largo de los ejes X, Y y Z, y conectarla a la placa de adquisición de datos.

A continuación, limpie y coloque la lente a medir en el soporte fijo montado en la plataforma de posicionamiento automatizado. Utilice la plataforma móvil para centrar la célula solar con respecto a la lente y colocarla a la distancia focal óptima. A continuación, utilice el espectroheliómetro que contiene tres células de isotipo dentro de tubos de colimación para evaluar las condiciones espectrales durante la medición.

Cierre la cortina del simulador para bloquear todas las fuentes de luz externas. Abra el software que controla el simulador solar y presione el botón Pulso de luz para activar la lámpara de destello de xenón. A continuación, determine la corriente generada por la célula solar como el valor medido cuando los isotipos superior e intermedio indican exactamente el mismo nivel de irradiancia.

Escriba un archivo de texto con varias distancias de lente a celda alrededor del valor óptimo y repita la medición para cada posición. Repita todas las mediciones, sustituyendo el doblete acromático sobre lente de Fresnel de vidrio por la lente de Fresnel de silicona sobre vidrio que se utilizará como referencia. En la misma plataforma de posicionamiento automatizado de tres ejes que se utilizaba anteriormente, monte la cámara CCD.

Seleccione la distancia focal óptima. Ajuste el soporte para colocar el punto de luz de modo que quede aproximadamente centrado en el sensor CCD. A continuación, añade un filtro de paso corto para bloquear la luz cuya longitud de onda sea superior a 650 nanómetros.

De esta manera, solo se registrará la luz que es convertida en electricidad por la subcelda superior dentro de una celda solar multiunión. Encienda la lámpara de flash de xenón y sincronice la cámara CCD para tomar una fotografía del punto de luz proyectado por la lente. Procese la fotografía para seleccionar un área que incluya la mancha y calcule el centroide de la mancha de irradiancia.

Calcula el diámetro del punto de luz proyectado por la lente. Se define como el diámetro del círculo que contiene el 95% de la luz que llega al sensor de la cámara CCD. A continuación, tome una fotografía para cada posición alrededor de la distancia focal óptima que se definió previamente.

Repita las mediciones con el filtro de paso corto para bloquear la luz cuya longitud de onda sea inferior a 650 nanómetros. En este caso, solo se registrará la luz que es convertida en electricidad por la subcelda central dentro de una celda solar multiunión. Las mediciones anteriores se pueden repetir colocando la lente bajo prueba dentro de una cámara térmica capaz de controlar su temperatura.

La pared de la cámara debe ser transparente para todas las longitudes de onda de interés. Los valores normalizados de la fotocorriente generada por la célula solar, cuando está iluminada por el doblete acromático sobre vidrio o la lente de Fresnel de silicona sobre vidrio, se representan en función de la distancia relativa entre la lente y la célula. El doblete acromático sobre lente de vidrio muestra una mayor tolerancia al desplazamiento de la lente desde su posición óptima a lo largo del eje óptico, gracias a su diseño.

La evolución del diámetro del punto correspondiente a las subcélulas superior y media dentro de una célula solar multiunión se representa gráficamente en función de la distancia entre la lente y el receptor para ambas lentes. Las curvas desplazadas en la muestra de silicona sobre vidrio se deben a la aberración cromática. Dado que el índice de refracción para longitudes de onda cortas es más alto, el punto focal para la luz azul está más cerca de la lente.

Por el contrario, para la lente acromática, la posición del punto mínimo para la luz azul se corresponde exactamente con el punto mínimo para la luz roja, lo que demuestra el comportamiento acromático de la lente. El aumento del punto de luz, debido a la variación de temperatura de la lente de silicona en vidrio, es mayor que el de la lente acromática. En condiciones de funcionamiento al aire libre con una fuerte excursión térmica, el uso de la lente acromática haría que el rendimiento del sistema fuera más estable.

Una vez dominada, esta técnica permite la caracterización completa en interiores de ópticas para aplicación fotovoltaica concentrada, como lentes primarias o espejos primarios. El doblete acromático sobre lente Fresnel de vidrio desarrollado en el Instituto de Energía Solar ha sido completamente caracterizado utilizando el protocolo propuesto. Se ha medido tanto la eficiencia óptica como el tamaño del punto.

Utilizando este método, hemos podido demostrar experimentalmente el comportamiento acromático de la lente ADG, su mayor tolerancia a un desplazamiento con respecto a la distancia focal óptima, y la menor sensibilidad a una variación de temperatura.