Valutazione interna sperimentale dell'efficienza e dell'irraggiamento Spot del doppietto acromatico su vetro (ADG) lente di Fresnel per fotovoltaico a concentrazione

L'obiettivo generale di questo metodo è valutare le prestazioni di un doppietto acromatico su una lente di Fresnel in vetro come nuova ottica per sistemi fotovoltaici a concentrazione. Il metodo permette di determinare sia l'efficienza di trasmissione dell'ottica sia la sua capacità di concentrazione misurando le dimensioni del fascio proiettato dalla lente. La valutazione dell'ottica viene effettuata misurando quanto efficacemente concentra la luce su celle solari a giunzione multipla.

Questi dispositivi convertono in elettricità l'irradianza su una larga banda spettrale. Nella fotovoltaica a concentrazione, l'aberrazione cromatica riduce la concentrazione massima ottenibile quando si utilizza l'elemento primario rifrattivo. Tale limitazione viene evitata impiegando il doppietto acromatico su lente di Fresnel in vetro da noi progettato.

Il design comprende due materiali diversi, una plastica e un elastomero, con differente dispersione. Cioè, la variazione dell'indice di rifrazione è una funzione della lunghezza d'onda. Il processo di produzione economico include la laminazione di entrambi i materiali su un substrato di vetro al fine di ottenere un parquet di lenti.

Per ogni misurazione, viene utilizzata come riferimento una lente di Fresnel in silicone su vetro. Per eseguire le misurazioni è stato impiegato il simulatore solare per celle solari a concentrazione, Helios 3030 di Solar Added Value. Questa apparecchiatura è in grado di misurare celle solari MJ sotto luce concentrata pari a 1.000 soli con spettro controllato.

Posizionare gli isotipi di riferimento superiore, centrale e inferiore all'interno del simulatore solare insieme alla cella solare da misurare. Posizionarli il più vicino possibile tra loro per ridurre gli errori dovuti a un'illuminazione non uniforme nel piano di misurazione. Successivamente, regolare l'altezza della lampada al flash per raggiungere il livello desiderato di concentrazione.

Aggiungere i filtri necessari per regolare la distribuzione spettrale. Successivamente, collegare gli isotipi e la cella da misurare alla scheda di acquisizione dati del simulatore solare. Aprire il software di controllo e selezionare un livello di irraggiamento in cui sia l'isotipo superiore che quello centrale indichino esattamente lo stesso livello di irraggiamento.

Questo conferma che la cellula viene misurata al livello di concentrazione e spettro desiderati. Successivamente, eseguire il simulatore per avviare il test IV. Per ogni punto definito nel file di testo, l'apparecchiatura polarizza la cellula alla tensione desiderata, attiva l'impulso luminoso e misura la corrente generata dalla cellula solare.

Ripetere questo processo a diversi livelli di concentrazione per verificare che la corrente fotoelettrica generata dalla cella vari linearmente con la concentrazione, confermando l'affidabilità della cella solare calibrata come sensore di luce per la caratterizzazione delle lenti. Montare la piattaforma motorizzata a tre assi all'interno della camera oscura del simulatore solare per sistemi fotovoltaici a concentrazione. Successivamente, montare la cella solare sul supporto mobile della piattaforma in modo da poterne controllare la posizione lungo gli assi X, Y e Z, e collegarla alla scheda di acquisizione dati.

Successivamente, pulire e posizionare la lente da misurare sul supporto fisso montato sulla piattaforma di posizionamento automatico. Utilizzare la piattaforma mobile per centrare la cella solare rispetto alla lente e posizionarla alla distanza focale ottimale. Quindi, utilizzare lo spettroeliometro contenente tre celle di tipo isomero all'interno di tubi collimatori per valutare le condizioni spettrali durante la misurazione.

Chiudere la tenda del simulatore per bloccare tutte le sorgenti luminose esterne. Aprire il software di controllo del simulatore solare e premere il pulsante Impulso luminoso per attivare la lampada al xenon a lampo. Successivamente, determinare la corrente generata dalla cella solare come valore misurato quando gli isotypi superiore e centrale indicano esattamente lo stesso livello di irraggiamento.

Scrivere un file di testo con diverse distanze tra lente e cella intorno al valore ottimale e ripetere la misurazione per ogni posizione. Ripetere tutte le misurazioni, sostituendo la lente di Fresnel acromatica su vetro con la lente di Fresnel in silicone su vetro che verrà utilizzata come riferimento. Sulla stessa piattaforma motorizzata a tre assi precedentemente utilizzata, montare la telecamera CCD.

Selezionare la distanza focale ottimale. Regolare il supporto in modo da posizionare il punto di luce approssimativamente al centro del sensore CCD. Successivamente, aggiungere un filtro passa-basso per bloccare la luce con lunghezza d'onda superiore a 650 nanometri.

In questo modo, verrà registrata soltanto la luce convertita in elettricità dalla sottocella superiore all'interno di una cella solare a giunzione multipla. Attivare la lampada al xenon a lampo e sincronizzare la fotocamera CCD per scattare una fotografia del punto luminoso proiettato dall'obiettivo. Elaborare la fotografia per selezionare un'area che comprenda il punto e calcolare il baricentro del fascio di irradiazione.

Calcolare il diametro del punto luminoso proiettato dall'obiettivo. È definito come il diametro del cerchio che contiene il 95% della luce che raggiunge il sensore della fotocamera CCD. Successivamente, scattare una fotografia per ogni posizione intorno alla distanza focale ottimale precedentemente definita.

Ripetere le misurazioni utilizzando il filtro passa-basso per bloccare la luce con lunghezza d'onda inferiore a 650 nanometri. In questo caso, verrà registrata soltanto la luce convertita in elettricità dalla sottocella intermedia all'interno di una cella solare a giunzione multipla. Le misurazioni precedenti possono essere ripetute posizionando la lente in esame all'interno di una camera termica in grado di controllarne la temperatura.

La parete della camera deve essere trasparente a tutte le lunghezze d'onda di interesse. I valori normalizzati della corrente fotoelettrica generata dalla cella solare, quando illuminata dal doppietto acromatico su vetro o dalla lente di Fresnel in silicone su vetro, sono riportati in funzione della distanza relativa tra lente e cella. La lente doppietto acromatico su vetro mostra una maggiore tolleranza allo spostamento della lente dalla sua posizione ottimale lungo l'asse ottico, grazie al suo design.

L'evoluzione del diametro del punto corrispondente alle sottocelle superiore e centrale all'interno di una cella solare a giunzione multipla è riportata in funzione della distanza tra lente e ricevitore per entrambe le lenti. Le curve spostate nel campione in silicone su vetro sono dovute all'aberrazione cromatica. Poiché l'indice di rifrazione per le lunghezze d'onda corte è più elevato, il punto focale per la luce blu è più vicino alla lente.

Al contrario, per la lente acromatica, la posizione del punto minimo per la luce blu corrisponde esattamente a quella del punto minimo per la luce rossa, dimostrando il comportamento acromatico della lente. L'aumento delle dimensioni del punto luminoso, dovuto alla variazione di temperatura per la lente in silicone su vetro, è maggiore rispetto a quello della lente acromatica. In condizioni operative esterne con forti escursioni termiche, l'uso della lente acromatica renderebbe le prestazioni del sistema più stabili.

Una volta padroneggiata, questa tecnica consente la caratterizzazione completa in ambienti chiusi di ottiche per applicazioni fotovoltaiche concentrate, come lenti primarie o specchi primari. Il doppietto acromatico su lente di Fresnel in vetro sviluppato presso l'Istituto di Energia Solare è stato completamente caratterizzato utilizzando il protocollo proposto. Sono state misurate sia l'efficienza ottica sia la dimensione del fascio focalizzato.

Utilizzando questo metodo, siamo stati in grado di dimostrare sperimentalmente il comportamento acromatico della lente ADG, la sua maggiore tolleranza rispetto allo spostamento dalla distanza focale ottimale e la minore sensibilità alle variazioni di temperatura.