Intérieur évaluation expérimentale de l’efficacité et l’Irradiance Spot du Doublet achromatique sur verre (ADG) lentille de Fresnel pour concentrer l’énergie photovoltaïque

L’objectif global de cette méthode est d’évaluer les performances du doublet achromatique sur une lentille de Fresnel en verre en tant que nouvelle optique pour la concentration des systèmes photovoltaïques. La méthode permet de déterminer à la fois l’efficacité de transmission de l’optique et sa capacité de concentration en mesurant la taille de la tache projetée par la lentille. L’évaluation de l’optique est effectuée en mesurant sa capacité à concentrer la lumière sur des cellules solaires à jonctions multiples.

Ces dispositifs convertissent en irradiance électrique sur une large bande passante spectrale. Dans le photovoltaïque concentré, l’aberration chromatique réduit la concentration maximale possible lors de l’utilisation de l’élément primaire réfractif. Cette limitation est évitée en utilisant le doublet achromatique sur lentille de Fresnel en verre que nous avons conçu.

La conception comprend deux matériaux différents, un plastique et un élastomère, ayant une dispersion différente. C’est-à-dire que la variation de l’indice de réfraction est fonction de la longueur d’onde. Le processus de fabrication peu coûteux comprend le laminage des deux matériaux sur un substrat de verre afin d’obtenir un parquet de lentilles.

Pour chaque mesure, une lentille de Fresnel en silicone sur verre est utilisée comme référence. Le simulateur solaire pour cellules solaires à concentrateur, Helios 3030 de Solar Added Value, a été utilisé pour effectuer les mesures. Cet équipement est capable de mesurer la cellule solaire MJ sous une lumière concentrée de 1 000 soleils avec un spectre contrôlé.

Placez les isotypes de référence supérieur, central et inférieur à l’intérieur du simulateur solaire avec la cellule solaire à mesurer. Placez-les aussi près que possible les uns des autres afin de réduire les erreurs dues à un éclairage non uniforme au niveau du plan de mesure. Ensuite, ajustez la hauteur de la lampe flash afin d’atteindre le niveau de concentration souhaité.

Ajoutez les filtres nécessaires pour ajuster la distribution spectrale. Ensuite, connectez les isotypes et la pile à mesurer à la carte d’acquisition de données du simulateur solaire. Ouvrez le logiciel de contrôle et sélectionnez un niveau d’irradiance, où les isotypes supérieur et intermédiaire indiquent exactement le même niveau d’irradiance.

Il s’agit de confirmer que la cellule est mesurée sous le niveau de concentration et le spectre cibles. Ensuite, lancez le simulateur pour démarrer le test IV. Pour chaque point défini dans le fichier texte, l’équipement polarise la cellule à la tension souhaitée, déclenche le flash et mesure le courant généré par la cellule solaire.

Répétez ce processus à différents niveaux de concentration pour vérifier que le photocourant généré par la cellule change linéairement avec la concentration, confirmant ainsi la fiabilité de la cellule solaire calibrée en tant que capteur de lumière pour la caractérisation de la lentille. Montez la plate-forme de positionnement automatisée à trois axes à l’intérieur de la chambre noire du simulateur solaire pour les systèmes photovoltaïques à concentration. Ensuite, montez la cellule solaire sur le support mobile de la plate-forme de manière à ce qu’il soit possible de contrôler sa position le long des axes X, Y et Z, et connectez-la à la carte d’acquisition de données.

Ensuite, nettoyez et placez l’objectif à mesurer sur le support fixe monté sur la plate-forme de positionnement automatisée. Utilisez la plate-forme mobile pour centrer la cellule solaire par rapport à l’objectif et la placer à la distance focale optimale. Ensuite, utilisez le spectrohéliomètre contenant trois cellules isotypiques à l’intérieur des tubes de collimation pour évaluer les conditions spectrales pendant la mesure.

Fermez le rideau du simulateur pour bloquer toutes les sources de lumière externes. Ouvrez le logiciel contrôlant le simulateur solaire, et appuyez sur le bouton Impulsion lumineuse pour déclencher la lampe flash au xénon. Ensuite, déterminez le courant généré par la cellule solaire comme valeur mesurée lorsque les isotypes supérieur et intermédiaire indiquent exactement le même niveau d’irradiance.

Rédigez un fichier texte avec plusieurs distances entre l’objectif et la cellule autour de la valeur optimale et répétez la mesure pour chaque position. Répétez toutes les mesures, en remplaçant le doublet achromatique sur lentille de Fresnel en verre par la lentille de Fresnel en silicone sur verre qui servira de référence. Sur la même plate-forme de positionnement automatisé à trois axes que celle utilisée précédemment, montez la caméra CCD.

Sélectionnez la distance focale optimale. Ajustez le support pour placer le point lumineux de manière à ce qu’il soit approximativement centré sur le capteur CCD. Ensuite, ajoutez un filtre passe-court pour bloquer la lumière dont la longueur d’onde est supérieure à 650 nanomètres.

De cette manière, seule la lumière qui est convertie en électricité par la sous-cellule supérieure d’une cellule solaire à jonctions multiples sera enregistrée. Déclenchez la lampe flash au xénon et synchronisez la caméra CCD pour prendre une photo du point lumineux projeté par l’objectif. Traitez la photo pour sélectionner une zone qui inclut la tache et calculez le centroïde de la tache d’irradiance.

Calculez le diamètre du point lumineux projeté par la lentille. Il est défini comme le diamètre du cercle contenant 95 % de la lumière qui atteint le capteur de la caméra CCD. Ensuite, prenez une photo pour chaque position autour de la distance focale optimale précédemment définie.

Répétez les mesures avec le filtre passe-court pour bloquer la lumière dont la longueur d’onde est inférieure à 650 nanomètres. Dans ce cas, seule la lumière qui est convertie en électricité par la sous-cellule centrale d’une cellule solaire à jonctions multiples sera enregistrée. Les mesures précédentes peuvent être répétées en plaçant la lentille testée à l’intérieur d’une chambre thermique capable de contrôler sa température.

La paroi de la chambre doit être transparente pour toutes les longueurs d’onde d’intérêt. Les valeurs normalisées du photocourant généré par la cellule solaire, lorsqu’elle est éclairée par le doublet achromatique sur verre ou le silicium sur lentille de Fresnel en verre, sont tracées en fonction de la distance relative entre la lentille et la cellule. Grâce à sa conception, le doublet achromatique sur lentille en verre présente une tolérance plus élevée au déplacement de la lentille à partir de sa position optimale le long de l’axe optique.

L’évolution du diamètre du spot correspondant aux sous-cellules supérieures et centrales d’une cellule solaire à jonctions multiples est tracée en fonction de la distance objectif-récepteur pour les deux lentilles. Les courbes déplacées dans l’échantillon de silicone sur verre sont dues à une aberration chromatique. Étant donné que l’indice de réfraction pour les courtes longueurs d’onde est plus élevé, le point focal de la lumière bleue est plus proche de la lentille.

À l’inverse, pour la lentille achromatique, la position du spot minimum pour la lumière bleue correspond exactement au spot minimum pour la lumière rouge, prouvant le comportement achromatique de la lentille. L’agrandissement du point lumineux, dû à la variation de température pour la lentille en silicone sur verre, est plus grand que pour la lentille achromatique. Dans des conditions de fonctionnement en extérieur avec une forte excursion thermique, l’utilisation de la lentille achromatique rendrait les performances du système plus stables.

Une fois maîtrisée, cette technique permet la caractérisation complète en intérieur d’optiques pour des applications photovoltaïques concentrées, telles que les lentilles primaires ou les miroirs primaires. Les doublets achromatiques sur lentille de Fresnel en verre développés à l’Institut de l’énergie solaire ont été entièrement caractérisés à l’aide du protocole proposé. L’efficacité optique et la taille du spot ont été mesurées.

En utilisant cette méthode, nous avons pu démontrer expérimentalement le comportement achromatique de la lentille ADG, sa tolérance plus élevée à un déplacement par rapport à la distance focale optimale, et sa sensibilité plus faible à une variation de température.