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 quello di valutare le prestazioni del doppietto acromatico su una lente di Fresnel in vetro come nuova ottica per sistemi fotovoltaici a concentrazione. Il metodo consente di determinare sia l'efficienza di trasmissione dell'ottica che la sua capacità di concentrazione misurando la dimensione dello spot proiettato dalla lente. La valutazione dell'ottica viene effettuata misurando quanto bene concentra la luce sulle celle solari multi-giunzione.

Questi dispositivi si convertono in irraggiamento elettrico su un'ampia larghezza di banda spettrale. Nel fotovoltaico a concentrazione, l'aberrazione cromatica riduce la concentrazione massima raggiungibile quando si utilizza l'elemento primario rifrangente. Questa limitazione viene evitata utilizzando il doppietto acromatico su lente di Fresnel in vetro che abbiamo progettato.

Il design prevede due diversi materiali, una plastica e un elastomero, aventi diversa 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 una lente di Fresnel in silicone su vetro come punto di riferimento. Per eseguire le misurazioni è stato utilizzato il simulatore solare per celle solari a concentrazione, Helios 3030 di Solar Added Value. Questa apparecchiatura è in grado di misurare la cella solare MJ sotto la luce concentrata di 1.000 soli con spettro controllato.

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

Aggiungere i filtri necessari per regolare la distribuzione spettrale. Quindi, 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 medio indicano esattamente lo stesso livello di irraggiamento.

Questo per confermare che la cella è misurata al di sotto del livello di concentrazione e dello spettro target. Quindi, esegui il simulatore per avviare il test IV. Per ogni punto definito nel file di testo, l'apparecchiatura polarizza la cella alla tensione desiderata, attiva il flash e misura la corrente generata dalla cella solare.

Ripetere questo processo a diversi livelli di concentrazione per verificare che la fotocorrente generata dalla cella cambi linearmente con la concentrazione, confermando l'affidabilità della cella solare calibrata come sensore di luce per la caratterizzazione delle lenti. Monta la piattaforma di posizionamento automatizzato a tre assi all'interno della camera oscura del simulatore solare per impianti fotovoltaici a concentrazione. Quindi, montare la cella solare sul supporto mobile della piattaforma in modo tale che sia possibile controllarne 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 automatizzato. Utilizzare la piattaforma mobile per centrare la cella solare rispetto alla lente e posizionarla alla distanza focale ottimale. Quindi, utilizzare lo spettroeliometro contenente tre cellule isotipiche all'interno di tubi di collimazione per valutare le condizioni spettrali durante la misurazione.

Chiudere la tendina del simulatore per bloccare tutte le fonti di luce esterne. Apri il software che controlla il simulatore solare e premi il pulsante Impulso luminoso per attivare la lampada flash allo xeno. Quindi, determinare la corrente generata dalla cella solare come valore misurato quando gli isotipi superiore e medio indicano esattamente lo stesso livello di irraggiamento.

Scrivi un file di testo con diverse distanze tra lente e cella intorno al valore ottimale e ripeti la misurazione per ogni posizione. Ripetere tutte le misurazioni, sostituendo il doppietto acromatico su lente di Fresnel in vetro con il silicone su lente di Fresnel in vetro che verrà utilizzato come riferimento. Sulla stessa piattaforma di posizionamento automatizzato a tre assi utilizzata in precedenza, montare la telecamera CCD.

Selezionare la distanza focale ottimale. Regolare il supporto per posizionare il punto di luce in modo che sia approssimativamente centrato sul sensore CCD. Quindi, aggiungi un filtro passa-corto per bloccare la luce la cui lunghezza d'onda è più lunga di 650 nanometri.

In questo modo, verrà registrata solo la luce che viene convertita in elettricità dalla sottocella superiore all'interno di una cella solare multigiunzione. Attiva la lampada flash allo xeno e sincronizza la fotocamera CCD per scattare una fotografia del punto luminoso proiettato dall'obiettivo. Elabora la fotografia per selezionare un'area che includa il punto e calcola il baricentro del punto di irraggiamento.

Calcola il diametro del punto luminoso proiettato dalla lente. È definito come il diametro del cerchio contenente il 95% della luce che raggiunge il sensore della telecamera CCD. Quindi, scatta una foto per ogni posizione intorno alla distanza focale ottimale precedentemente definita.

Ripetere le misurazioni con il filtro passa-corto per bloccare la luce la cui lunghezza d'onda è inferiore a 650 nanometri. In questo caso, verrà registrata solo la luce che viene convertita in elettricità dalla sottocella centrale all'interno di una cella solare multigiunzione. Le misurazioni precedenti possono essere ripetute posizionando la lente in prova all'interno di una camera termica in grado di controllarne la temperatura.

La parete della camera deve essere trasparente per tutte le lunghezze d'onda di interesse. I valori normalizzati della fotocorrente generata dalla cella solare, quando illuminata dal doppietto acromatico su vetro o dal silicone su lente di Fresnel in vetro, sono tracciati in funzione della distanza relativa lente-cella. Il doppietto acromatico sulla lente in 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 dello spot corrispondente alle sottocelle superiore e centrale all'interno di una cella solare multi-giunzione è tracciata in funzione della distanza lente-ricevitore per entrambe le lenti. Le curve spostate nel silicone sul campione di vetro sono dovute all'aberrazione cromatica. Poiché l'indice di rifrazione per le lunghezze d'onda corte è più alto, il punto focale per la luce blu è più vicino alla lente.

Al contrario, per la lente acromatica, la posizione dello spot minimo per la luce blu corrisponde esattamente allo spot minimo per la luce rossa, dimostrando il comportamento acromatico della lente. L'ingrandimento dello spot luminoso, dovuto alla variazione di temperatura per il silicone sulla lente di vetro, è maggiore rispetto alla lente acromatica. In condizioni operative all'aperto con forte escursione termica, l'utilizzo della lente acromatica renderebbe più stabili le prestazioni del sistema.

Una volta padroneggiata, questa tecnica consente la caratterizzazione completa in ambienti interni di ottiche per applicazioni fotovoltaiche a concentrazione, come lenti primarie o specchi primari. Il doppietto acromatico su lente di Fresnel in vetro sviluppato presso il Solar Energy Institute è stato completamente caratterizzato utilizzando il protocollo proposto. Sono state misurate sia l'efficienza ottica che la dimensione dello spot.

Utilizzando questo metodo, siamo stati in grado di dimostrare sperimentalmente il comportamento acromatico della lente ADG, la sua maggiore tolleranza a uno spostamento rispetto alla distanza focale ottimale e la minore sensibilità a una variazione di temperatura.