Inomhus experimentell utvärdering av effektivitet och irradians plats av den akromatisk Doublet på glas (ADG) Fresnel lins för att koncentrera solenergi

Summary

Den akromatisk doublet på glas (ADG) Fresnel lins gör användning av två material med olika spridning att minska kromatisk aberration och öka uppnåeliga koncentration. I detta papper presenteras ett protokoll för fullständig karakterisering av ADG Fresnel linsen.

Abstract

Vi presenterar en metod för att karakterisera akromatisk Fresnellinser för solcellsapplikationer. Den akromatisk doublet på glas (ADG) fresnellins består av två material, en plast och en elastomer, vars spridningskarakteristika (brytningsindex variant med våglängd) är olika. Vi först utformad lins geometri och sedan används ray-tracing simulering, baserat på Monte Carlo metoden, för att analysera dess prestanda från synpunkt av både optisk effektivitet och den högsta uppnåeliga koncentrationen. Efteråt, ADG Fresnel lins prototyper tillverkades med en enkel och pålitlig metod. Den består av en tidigare injektion av plastdetaljer och en sammanhängande laminering, tillsammans med elastomer och en glass substrate att fabricera parketten ADG Fresnel linser. Riktigheten av tillverkade lins profil undersöks med ett optiskt mikroskop medan dess optiska prestanda utvärderas med en solsimulator för koncentrator solceller system. Simulatorn består av en xenon blixt lampa vars utsända ljuset reflekteras av en parabolisk spegel. Kollimerad ljuset har en Spektral fördelning och en kantig bländare liknar riktiga solen. Vi har kunnat bedöma de optiska prestanda av ADG Fresnel linser genom att ta fotografier av irradiansen spot kastas av objektivet med hjälp av en kostnad – tillsammans enhet (CCD) kamera och mäta den photocurrent som genereras av flera typer av multi junction (MJ) solar celler, som tidigare har präglats på en solsimulator för koncentrator solceller. Dessa mätningar har visat akromatisk beteendet av ADG Fresnellinser och som en följd, modellering och tillverkningsmetoder lämplighet.

Introduction

Koncentrator solceller (CPV) är en lovande teknik för att minska kostnaden för solenergi-baserade El eftersom denna teknik kan dra nytta av den snabba inkrementell förbättringen av effektiviteten i avancerade multi junction (MJ) solceller. Dessa enheter är sammansatt av flera sub celler (vanligtvis tre benämn så toppen, mitten och längst ner) som alla är gjorda av olika halvledare förening. Varje sub cell har en olika bandgap vilket resulterar i en olika spektrala, som gör det möjligt för var och en att omvandla en tydlig del av solens spektrum till elektricitet. På detta sätt solcellerna MJ kan utnyttja ett brett utbud av solens spektrum (normalt 300-1800 nm) att uppnå effektivitet värden högre än 46% under koncentrerad ljus¹. För att kompensera för de höga kostnaderna för sådana solceller enheter, används optiska system att koncentrera irradiansen på dem, vilket minskar den slutliga kostnaden. För närvarande, är de flesta av de kommersiellt tillgängliga hög koncentration solceller (HCPV) system baserat på silikon-på-glas (SoG) hybrid Fresnel linser². I alla refraktiva optiska system är kromatisk aberration den faktor som mest allvarligt minskar lins prestanda när det gäller de högsta uppnåeliga koncentration³ (dvs minsta ljus spot område). Att använda sig av en akromatisk lins, det vill säga en lins med mycket nedsatt kromatisk aberration, är det möjligt att avsevärt öka den högsta uppnåeliga koncentrationen utan behov av någon ytterligare optiska element (benämns sekundär optiska element ^{4 ,} ( ⁵).

Utformningen av akromatisk linser (vanligen kallad akromatisk midjekort jacka eftersom de tillverkas koppling två material med olika spridningskarakteristika) har varit väl känt sedan 1700-talet. Den konventionella akromatisk doublet består av två olika glas: ena heter kronan och har låg dispersion, medan den andra heter flintan och har hög spridning. Totalkostnaden för dessa typer av glasögon och deras bearbetning gör dem dock för dyr för HCPV system. Languy och medförfattare föreslås en akromatisk doublet för CPV består av två plast: poly(methyl methacrylate) (PMMA) och polykarbonat (PC)⁶. I sin artikel är en jämförande analys av de olika konfigurationerna och deras fördelar presenteras men utan att ta itu med sin producerbarhet och skalbarhet till hög produktion.

ADG Fresnel linsen föreslås här har utformats på ett sådant sätt att ljus vid en viss kort våglängd (”blått” ljus) och en viss lång våglängd (”röd” ljus) har exakt den samma brännvidd. Detaljer för dimensioneringsmetod för standard akromatisk midjekort jacka kan hittas någon annanstans⁷. Flera ray-tracing simuleringar har utförts för att påvisa de förbättringar som erhålls med en ADG Fresnel lins istället för en konventionell SoG fresnellins. En detaljerad rapport om de erhållna resultaten presenterades i⁴. Det viktigaste resultatet är att när du ersätter en konventionell SoG Fresnel lins med en ADG Fresnel lins, uppnåeliga koncentrationen ökar ungefär tre gånger bibehållen samma optiska effektivitet. Dessutom, eftersom tillverkningsprocessen⁸ gäller för inhämtande av ADG är mycket liknande den som används för att tillverka SoG objektiv, ökningen av koncentrationen kommer att erhållas utan att avsevärt öka kostnaden.

Presenterar här vi ett protokoll för att utföra en omfattande karakterisering av koncentratorer bestående av ett brytningsfel primära linsen och vi tillämpar detta protokoll till både en konventionell SoG fresnellins (används som riktmärke) och flera ADG Fresnel lins prototyper. Gör har en solsimulator för CPV använts. En detaljerad beskrivning av simulatorn och alla dess komponenter, samt dess principer, har presenterats någon annanstans⁹.

Protocol

1. objektivet modellering med hjälp av Ray-Tracing simulering

1. Model preparation
   1. Import ADG Fresnel lins geometri i ray-tracing simuleringsprogram och ställa in materialegenskaper som transmittans och brytningsindex.
      Obs: ADG Fresnel designen har utvecklats vid Solar Energy Institute och består av dator-kod baserat på grundläggande optik principer såsom Fermat ' s princip och Snell ' s lag. Dispersion kurvor av materialet komponera linsen har använts för att utveckla metoden design. En detaljerad beskrivning av metoden design presenteras någon annanstans ⁴.
   2. Ställa in en ljuskälla med fastigheter av solen som kantiga bländare och Spektral fördelning.
   3. Placera en mottagare på ett avstånd från linsen lika med den nominella brännvidd.

figur 1. Skärmdump av ray-tracing simuleringsmodellen. Det är möjligt att observera ljuskällan, ADG Fresnel linsen (bestående glassubstrat, elastomer och plast bi-Fresnel lins) och de mottagare som används för att mäta irradians på bländaröppning (lins mottagare) och irradians vid avfarten (solar cell-mottagare). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

2. Kör simuleringen och beräkna önskat resultat som den högsta uppnåeliga koncentration och linsen optisk effektiviteten. Uppnåeliga koncentration definieras som förhållandet mellan den optiska bländaren och mottagaren området där platsen är gjuten. Optiska effektivitet definieras som förhållandet mellan på mottagaren och makten på linsen optisk bländare ¹⁰.
   Obs: Området av mottagaren är mycket större än ljusfläcken kastas av objektivet för att säkerställa att mottagaren samlar varje stråle som överförs av linsen. På detta sätt beräknade optiska effektivitet tar beakta förluster på grund av material absorption, reflektion och tillverkning begränsningar (släppningsvinklar och tip avrundning på hörnet och dalar).
3. Upprepa steg 1.1. och 1.2. simulera en konventionell silikon-på-glas (SoG) Fresnel istället för en ADG Fresnel lins som ska användas som benchmark.

2. Solcell karakterisering

figur 2. Solsimulator för koncentrator solceller. Fotografi av den solsimulator som används för att karakterisera solceller under koncentrerad irradians. På toppen av figuren är det möjligt att observera lampan vars position avgör koncentrationsnivå. På botten visas mäta planet med referens komponenten solceller och DUT. Till vänster på fotot är det möjligt att uppskatta den elektroniska utrustningen (strömförsörjning och DAQ) och den dator som används för att utföra karakterisering. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

1. Kalibrering av solsimulator för solcells karakterisering
   1. Placera inuti solsimulator referens komponenten cellerna (toppen, mitten och botten), även känd som isotyper, som kalibrerades under en referens spektrum och enheten under test (DUT), det vill säga solcellen skall mätas.
      Obs: Placera referens celler och DUT så nära varandra som möjligt för att minska eventuella fel på grund av icke-enhetlig belysning på mäta planet.
   2. Justera blixt lampan positionering (höjd) för att nå önskad grad av koncentration. Ju längre lampan är från mätning planet, ju lägre koncentration uppnåtts.
      1. Den spektrala fördelningen beror på lampan och blixtintensitet ställning. Lägg till de nödvändiga filter för att justera den spektrala fördelningen. Proceduren att få en fördelning som liknar referens spektrumet beskrivs i steg 2.2.1.
   3. Ansluta isotyper och DUT till Data förvärv (DAQ) styrelse solsimulator.
   4. Med en textredigerare, skapa en textfil som innehåller polarisering värdena ska användas i cellen ström-spänning (IV) kurva mätningen. Textfilen innehåller en rad per spänningspunkt. Mer spänningspunkter resultera i högre kurva definition. Eftersom alla inblandade solcellerna är MJ solceller, polarisering värdena består av värden mellan 0 V och 3.1 V.
2. Mätningar
   1. ljusintensiteten i hela flash förfalla har en inledande topp och sedan börjar avta ( figur 3). Den spektrala ljusfördelningen ändras också hela flash pulsen. En konventionell MJ-solcell består av tre sub celler med olika bandgaps som är anslutna i serie. Varje sub cell kan konvertera el i en annan del av solens spektrum. Den nuvarande som genereras av MJ solcell begränsas därför alltid av sub cellen producerar den minst nuvarande. För att utföra en exakt mätning, Välj en irradians nivå där båda isotyper, motsvarar den övre och mellersta sub celler, ange exakt samma irradians nivå. Detta bekräftar att cellen mäts under målnivån koncentration och spektrum. Det faktum att irradians nivån indikeras av botten sub cellen inte är sammanfallande kan försummas. Detta beror på att kommersiella Ge-baserade MJ-solceller är aldrig nuvarande begränsas av denna sub cell. figur 3 visar en grafisk förklaring av proceduren.
   2. En gång önskat irradians nivån för mätning identifieras, starta IV testet. Simulatorn läser polarisering punkter från den textfil som definieras i steg 2.1.4.; för varje punkt, utrustningen polariserar cellen vid önskad spänning, utlöser blixten och mäter den aktuella som genereras av solcellen. Para av ström och spänning värden, som är den IV-kurvan, visas på datorskärmen.
      Observera: Från den IV-kurvan, det är möjligt att erhålla den kortslutning ström (jag _sc), öppen kretsspänning (V _oc), fyllningsfaktor (FF) och effektiviteten hos DUT (även om i nästa avsnitt används endast den kortslutning nuvarande).
   3. Upprepa steg 2.2.2. på olika koncentrationsnivåer att kontrollera att den solcell photocurrent linjärt beroende på koncentrationen nivå (se figur 4) och, därmed, kalibrerad cellen kan användas som en ljussensor till bestämma irradiansen på linsen fokalplanet. Justera den spektrala fördelningen av blixtljuset med lämpliga filter för att utföra mätningar för varje koncentrationsnivå, när både isotyper, övre och mellersta sub celler, ange samma irradians nivå, som förklaras i steg 2.2.1.

figur 3. Tidsutvecklingen av de uppmätta storheter i hela flash förfalla. I diagrammet, har det markerats instant när isotypen cellerna, motsvarar den övre och mellersta sub celler, mäter samma irradians nivå. Efter den svart streckad linje som börjar från skärningspunkten mellan kurvorna motsvarande övre och mellersta subcells, är det möjligt att identifiera det aktuella värdet för DUT (svart cirkel) eftersom den aktuella mätt i samma ögonblick i övre och mellersta hänvisningar underordnade celler se samma irradians nivå. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 4. (A) systemet av installationen används för att utföra experimentella undersökningar. (B) fotografi av den experimentella setup och dess komponenter (ljuskällan med att integrera sfär, objektiv urval, CCD-kamera och solceller används som ljussensorer). Den paraboliska spegeln och filter är inte synliga i detta fotografi. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

3. lins karakterisering.

figur 5. Graf som representerar utvecklingen av den photocurrent som genereras av en MJ solcell som en funktion av koncentrationen. Som väntat finns det ett linjärt samband. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

1. Setup förberedelse.
   1. Mount 3-axlarna Automatisk positionering plattform: en dator som är assisterad rörlig plattform kan exakt styra den relativa positionen mellan kalibrerad solcell/CCD kameran och objektivet för att mätas.
      1. Kontrollera att 3 axlar Automatisk positionering plattformen är helt horisontell med hjälp av ett vattenpass.
   2. Montera solcell/CCD kamerastöd på plattformen ' s flytta innehavaren på ett sådant sätt att det är möjligt att styra sin position längs x, y och z-axlarna.
   3. Montera objektiv stöd i plattformen framför rörliga innehavaren beskrivs i steg 3.1.2. Med rörliga innehavaren på x och y axlarna, är det möjligt att perfekt centrera linsen med avseende på syftet solcell/CCD kamera. Flytta hållaren längs z-axeln, är det möjligt att placera syftet solcell/CCD kamera i optimal brännpunkten av linsen (minsta strålpunkt) och flytta den längs den optiska axeln.
   4. Anslut varje enhet (automatiserad positionering plattform, DAQ styrelsen att mäta cell photocurrent, CCD-kamera, och xenonlampa) på datorn som används för att utföra det hela experimentella test
   5. Testa anslutning och drift av alla anslutna enheter.
      1. Öppna programvaran kontrollerar solsimulator för CPV och tryck på knappen " ljus puls " för att skjuta en blixt. Om flash decay grafen liknar figur 3, det innebär att DAQ styrelsen, xenonlampa, isotyp subcells och DUT fungerar.
      2. Öppna programvaran kontrollerar den CCD-kameran för att kontrollera att kameran fungerar.
      3. Öppna programvaran kontrollerar datorn assisterad rörliga plattformen och använda den flytta flytta hållaren längs de tre axlarna. För att göra så, Välj en axel bland axlarna visas längst upp till vänster i fönstret programvara, sedan infoga en position i " flytta absoluta " och puls " kör ". Om innehavaren av en glidande rör sig som förväntat, det innebär att den rörliga plattformen fungerar.
   6. Rena och placera linsen skall mätas på det fasta stödet monterad på Automatisk positionering plattformen.
   7. Framför sensorn, placera antingen en het spegel (kort-pass filtrera blockerande ljus vars våglängd är längre än 700 nm) eller en kall spegel (lång passera filtret blockerar ljus vars våglängd är kortare än 700 nm).
      Obs: Steg 3.1.7. krävs endast för mätningar med hjälp av CCD kamera.
   8. Använda rörliga innehavaren att centrera den solcell/CCD-kameran med avseende på linsen och placera den på optimala fokuspunkt.
   9. Med valfri textredigerare, skapa en textfil som innehåller i varje rad koordinaterna motsvarar en mätpunkt (en viss lins-till-mottagare distans) börjar från en position av cell/CCD kameran 5 mm närmare linsen än den optimala brännvidd och upp till en position ytterligare 5 mm.
2. Mätning fas
   1. solcell mätningar
      Anmärkning: på samma sätt som solsimulator för solceller beskrivs i föregående avsnitt, ljusintensiteten och spektrala fördelningen av solsimulator för CPV förändras under flash förfalla. Den grafiska framställningen av flash förfalla är liknande den som erhålls med solsimulator för koncentrator celler beskrivs i steg 2.2.1. och avbildade i figur 3. Det finns en första topp och då det minskar. De spektrala ljusfördelning förändringarna under flash förfalla. Mätningen utförs just nu där båda isotyper, motsvarar övre och mellersta sub celler, ange samma irradians nivå.
      Obs: I motsats till fallet med solsimulator för solceller i detta fall den enda kontroll som vi har över irradians nivån är flash ljusintensitet och neutrala filter
      1. när optimala irradians nivå har identifierats, är det möjligt att påbörja den test. För varje position som definieras i steg 3.1.9., utlösa blixtljuset. Simulatorn genererar en textfil som innehåller datasignaler hela flash förfalla som det är möjligt att härleda solcell nuvarande generationen under ljus koncentrerad genom linsen.
      2. Upprepa stegen från 3.1.7. till 3.2.1.3. för varje lins för att mätas.
   2. CCD kamera mätningar
      1. för varje position som definieras i 3.1.9., med CCD-kamera, ta ett fotografi av det genererade ljuset fläck.
         Obs: CCD-sensorn i kameran tillsammans med en varm eller kall spegel har en liknande upp-och mellersta sub cell, spektrala respektive (se figur 6). För att få fotografier med användbar information, är det vidare nödvändigt att vidta vissa försiktighetsåtgärder. För det första, ljusintensiteten för blixten måste justeras för att få en bra signal-brus-förhållande och, samtidigt, inte mätta CCD-sensorn. Till gör så, är det möjligt att direkt ändra blixtintensitet eller använda neutrala filter för att få önskad irradians nivå. För det andra är det viktigt att simulator kammaren är helt mörkt för att undvika påverkan av externa ljuskällor på mätningar.
      2. Temperaturmätningar
         1. placera linsen för att vara mätt insIDE termisk kammaren används för att styra lins temperaturen under test
         2. Använder den termiska avdelningen variera objektiv temperaturen från 10 ° C till 50 ° C med steg motsvarar 10 ° C. Det gör placera linserna inuti en termiska kammare med en transparent frontluckan.
         3. Utföra mätning för olika temperaturer använda CCD kameran på samma sätt som beskrivs i 3.2.2.1.
            Obs: Objektivet som testas temperatur mäts direkt genom termoelement fäst vid den. Temperaturskillnaden över linser ytan är lägre än 2 ° C.

figur 6. Spektrala (SR) CCD kamera kisel sensorns filtreras av en kall spegel eller ett värme glas (tomma punkter) för att simulera SR av mellan- och toppnivå sub cellerna i en 3 J galler-matchade solcell (fasta punkter). Denna siffra har ändrats från ¹⁰.

3. bearbetning av resultat som erhållits med solcell mätning.
   1. Använda kalibrerade isotypen cell komponenter för referens, fastställa den photocurrent som genereras av övre och mellersta sub cellerna i solcellen används som en ljussensor för varje position (för en detaljerad diskussion om hur man bedömer övre och mellersta photocurrents från de signaler som noterats under flash förfalla se ¹¹).
   2. Rita en graf som representerar det tillnärmade photocurrent som en funktion av avståndet lins-till-mottagare för både övre och mellersta sub celler.
   3. Jämförelse av resultat erhållna med hjälp av ADG akromatisk fresnellins med den SoG fresnellins.
4. Bearbetning av resultat som erhållits med CCD kamera mätning.
   1. Identifiera centroiden av ljuset i fotografier tagna med CCD kameran.
      Obs: Den " centroiden av ljus " av en irradians karta distribution är centrera av det område vars irradians nivå är över 90% av maximal irradiansen kartan.
   2. När den plats centroiden identifieras, definiera ett antal möjliga radier och, för varje en, beräkna procentandelen av ljus som finns inom cirkeln med avseende på totala irradiansen i fotografiet.
   3. Beräkna plats radien. Det definieras som radien som innehåller 95% av totala irradiansen.
      Obs: Ett värde på 95% har valts för att undvika en artificiellt stor plats på grund av det buller som orsakas av ljus från externa källor, dvs direkt ljus från xenon-lampan eller ljus från den omgivande miljön.
   4. Upprepa behandlingen steg från 3.4.1. till 3.4.3. för mätningar med en varm och kall spegel.
   5. Rita en kurva som representerar den ljusa plats diametern som en funktion av lins-till-mottagare avståndet med avseende på den optimala positionen (minsta strålpunkt) för både blått och rött ljus (hot spegel och kall spegel mätningar, respektive).

Representative Results

Viktigaste resultat från tidigare beskrivna experimentella tester är följande:
-Akromatisk beteende av ADG Fresnel lins har påvisats med hjälp av CCD kamera mätningar (figur 7).
-Optisk effektivitet (proportionell till den nuvarande mätt av MJ-cellen används som en ljussensor) av den ADG Fresnel linsen visar en stor tolerans när cellen flyttas från den optimala brännvidd och brännvidd axeln (figur 8).
-Storleken på den plats gjuten av ADG linsen visar en stor tolerans för olika temperaturer (figur 9).

Utvecklingen av den plats diametern som en funktion av lins-till-mottagare avståndet visas i figur 7 för både linser, en konventionell SoG fresnellins och ADG Fresnel linsen. Övre och mellersta sub celler har analyserats separat med hjälp av två dikroiskt filter, en het spegel filtrering ljus med en våglängd som är högre än 700 nm och en kall spegel filtrering ljus vars våglängd är kortare än 700 nm. I figur 7a, kan det ses att minima av två kurvor är fördrivna. Detta är på grund av kromatisk aberration: eftersom brytningsindex för korta våglängder är högre, kontaktpunkt för blått ljus är närmare linsen. Sedan den lägsta platsen för blått ljus är förskjuten till vänster (mot linsen) och den lägsta platsen för rött ljus är fördrivna höger (mot oändligheten). Omvänt, i figur 7b, kan det observeras att för ADG Fresnel linsen, positionen för den lägsta platsen för blått ljus exakt motsvarar den lägsta platsen för rött ljus, bevisar linsen uppvisar akromatisk beteende.

Evolutionen av den normaliserade photocurrent som genereras av en MJ-solcell upplyst av en koncentrera lins som en funktion av relativa cell-lins avstånd visas i figur 8. Den breda delen av kurvan för ADG Fresnel linsen innebär att, tack vare akromatisk design, den har en högre tolerans till en förskjutning av linsen från sin optimala position längs den optiska axeln än en konventionell SoG fresnellins. Som en följd är ADG linser mer tolerant till montering fel eller någon företeelse som ändras av brännvidd, t.ex., en temperaturvariation.

Slutligen är variationen av ljus fläck gjutna av objektivet som en funktion av objektiv temperatur visas i figur 9. Övre och mellersta sub celler har analyserats separat med hjälp av dikroiskt filter (varma och kalla speglar). Linser har lagts inuti en termiska kammare med ett genomskinligt lock glas att styra sin temperatur¹². Graferna i figur 9 visar hur temperaturvariationen har en lägre inverkan på ADG Fresnel linsen än på referensen SoG Fresnel lins. I själva verket det senare, för en temperatur ökning med 20 ° C, utbyggnad av den lätta strålpunkt är betydande: diameter är ca 30% större för den översta sub cellen och upp till 60% större för mellersta sub cellen. Tvärtom för ADG linsen är även i värsta fall ökningen under 20%. Som innebär att även i utomhus driftsförhållanden med stark termisk utflykt, med hjälp av ADG lins skulle göra systemets prestanda mer stabil.

Figur 7. Uppmätta plats diameter som en funktion av lins-till-mottagare avstånd. Plats diameter definieras som att inklusive 95% av energin. Röda streckade linjer representerar spot diametrar för längre våglängder (de normalt konverterade av mellersta sub cellen i MJ solceller, dvs., 650-900 nm) och blå kontinuerlig linjerna representerar spot diametrar för kortare våglängder (de vanligtvis omfattas av den övre subcell, dvs, 350-650 nm). (en) SOG Fresnel lins, (b), ADG Fresnel lins. Denna siffra har ändrats från⁸. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 8. Normaliserad photocurrent genereras av en MJ-solcell vars diameter är 3 mm som en funktion av det relativa avståndet cell-till-lins. Varje kurva har delats av dess maximala värde. Noll i x-axeln för tre linser representerar den optimala brännvidd (där plats minimerar). Bakgrunden kurvor representerar de normaliserade photocurrents genereras av toppen (cirkulär markörer) och Mellanöstern (triangulära markörer) underordnade celler. ADG_v2 är en förbättrad ADG Fresnel lins design. Den normaliserade nuvarande produceras av MJ solcell (det lägsta värdet mellan översta och mellersta photocurrents) har kommenterats för tydlighetens skull. Denna siffra har ändrats från ¹³. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 9. Relativa strålpunkt som en funktion av linsen temperaturen. (A) resultat relaterade till den översta sub cellen (mätning utföras med hjälp av ett dikroiskt heta spegel filter). (B) resultaten relaterade till mellersta sub cellen (mätning utföras med hjälp av ett dikroiskt kall spegel filter). Den relativa strålpunkt erhålls att dela plats storleken av det minsta värde som uppmätts för varje lins. Denna siffra har ändrats från¹³. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Metoden som föreslås för karakterisering av ADG Fresnellinser innehåller två olika förfaranden: den första som använder solceller som ljussensorer, medan andra är baserad på en CCD-kamera.

Tillämpa solcellen baserat förfarande, den photocurrent som genereras av en MJ solcell har mätts med hjälp olika Fresnel-linser som koncentratorer. Som beskrivs i protokollet, den CPV solsimulator gör användning av en xenon blixt lampa avger ljus som reflekteras på en parabolisk spegel. Sådan en spegel genererar en kollimerad ljusstråle på mäta planet (sammanfaller med bländaröppning). Tack vare spegeln tillverkningstoleranser och ytjämnhet är kollimerad ljuset inte enhetlig på mäta planet. Non-likformigheten av irradiansen skapad av solsimulator som är den huvudsakliga källan till fel i våra experimentella mätningar¹⁰. Eftersom stora linser integrera irradiansen på mäta planet över ett stort område, beror felet på grund av icke-enhetlig på storleken på linsen. Solsimulator för CPV-system som används på Solar Energy Institute uppnår en bättre än ± 5% för 3 x 3 cm optik⁹enhetlighet. För ADG Fresnel lins testade här, vars optiska bländaren är 40 x 40 mm, effekten av icke-enhetlig över mätningen kan vara kritisk. För att minska denna osäkerhet, är en referens-lins åter uppmätt före genomför några experiment. Dessutom när de utför dessa mätningar, är det avgörande att vara särskilt försiktig under anpassningen av cellen och linsen. Solcellen har faktiskt placeras exakt centrerad med ljusfläcken kastas av objektivet för att undvika snedställning, eftersom om en dålig initial positionering används, photocurrent minskning på grund av oskärpa ändras. Ett annat fel som kan uppstå är som orsakas av olika skuggning faktorer av rutnätet främre metallisering (MJ solcellen används som en sensor är kalibrerad med enhetliga irradians men linserna kasta en Gaussisk form profil på det under mätningarna). För att säkerställa att metallisering inte påverkar experimentella resultat, är det lämpligt att utföra flera mätningar undantränger linsen och som en följd, ljusfläcken på mottagaren planet. Om den uppmätta photocurrent varierar betydligt när något rör ljusfläcken, innebär det att rutnätet metallisering påverkar mätningarna.

Det finns andra metoder som är lämpliga för att mäta optisk effektiviteten av en primär lins, t.ex. med hjälp av termiska irradians sensorer såsom thermopiles¹⁰. Den största nackdelen med detta tillvägagångssätt är att svaret från en termisk sensor är för långsam för någon flash-ljus källa. Det kan därför endast tillämpas på utomhus mätningar (som är mycket känsliga för fördel‑ spektral irradians och andra väderförhållanden). Med den föreslagna metoden undviks denna begränsning.

Dessutom använder solcellen baserat förfarande, det skulle också vara möjligt att få storleken på ljus plats gjutna av en lins. Att göra så, att photocurrents genererade av flera MJ solceller av samma typ och olika men liknande storlekar behöver mätas. För de celler vars storlek är mindre än den lätta spot gjuten av linsen, minskar den uppmätta photocurrent när cellen yta minskar på grund av ljuset rinner ut ur cellen. Omvänt, photocurrent konstant för MJ solceller vars storlek är större än ljusfläcken, eftersom oavsett cellytan, alla ljuset överförs av objektivet når solcellen. Storleken på ljusfläcken därför lika med storleken på den minsta cell som uppnår maximal effektivitet. För denna metod används ju högre antalet solceller, ju högre upplösningen.

Eftersom en uppsättning av solceller som är lämplig att utföra mätningarna som beskrivs inte är alltid tillgängliga, har CCD kamera förfarandet föreslagits att mäta storleken på ljus plats. Tack vare den breda dynamiska räckvidd CCD sensor, använder fotografier av ljusfläcken tagit med kameran, är en korrekt jämförelse mellan topp och dal värden möjligt. För att beräkna absolutvärdet av irradiansen, skulle en kalibrering av hela set-up, inklusive filter och CCD-kamera, vara nödvändigt. Dock från fotograferar är det möjligt att separera det belysta området från det mörka området över en bild och, således uppskatta storleken på ljus plats. De viktigaste nackdelarna med denna teknik är den spektrala obalansen mellan CCD-sensor och en MJ solcell och det ljud som alstras av ljuskällor skiljer sig från den kollimerad stråle som genereras av solsimulator. Angående det första problemet, är genom att lägga till en varm eller kall spegel CCD kameran, det möjligt att erhålla en spektrala som är mycket liknande till det av övre och mellersta underordnade celler (se figur 6). Dessutom, för att begränsa bakgrund buller, är det nödvändigt att helt mörkare kammaren av CPV simulatorn. Eftersom det är nästan omöjligt att helt undvika externa ljuskällor, bildbehandling är mycket viktigt och måste programmeras väl. Den mest kritiska steget är att eliminera bakgrundsljud. Buller filtrering delvis kan automatiseras, men på grund av det starka beroendet med yttre faktorer som är knappast förutsägbara, varje bearbetade bilden genomgår en okulärbesiktning.

CCD förfarandet kan användas för att erhålla utvecklingen av ljus spot storlek som en funktion av linsen temperaturen genom att lägga till systemet en termiska kammare där linser är placerade. I detta fall, förutom de felkällor som tidigare beskrivits, uppstår osäkerhet från objektiv temperaturmätningar. Det kontroll termoelementet (en direkt ansluten till datorn) representerar inte riktiga lins temperaturen eftersom sensorn är placerad i en punkt på den termiska avdelningen nära men inte är direkt kopplade till linser som skall mätas. Därför temperaturen mätt med sådan en termoelement är en genomsnittlig temperatur av miljön kring linserna och det motsvarar inte nödvändigtvis riktiga lins temperaturen. Det är därför ansluta varje lins till en oberoende termoelement rekommenderas. Dock finns det förmodligen en temperaturgradient mellan olika punkter av linsen. För att kvantifiera denna osäkerhet, när den termiska avdelningen uppnår önskad temperatur, och innan du utför någon mätning, är det bättre att vänta 15-20 minuter för att låta systemet temperaturen blir så enhetlig som möjligt.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
HELIOS 3030 SOLAR SIMULATOR	SAV
HELIOS 3030 SOFTWARE	SAV
HELIOS 3198 CPV SOLAR SIMULATOR	SAV
HELIOS 3198 SOFTWARE	SAV
3-AXES AUTOMATED POSITIONING PLATFORM	Zaber tech.	T-LSR75A	Catalog number corresponds to the device controlling lens movements with high precision in one axis of the xyz control.
3-AXES AUTOMATED POSITIONING PLATFORM	Zaber tech.	T-LSM200A	Catalog number corresponds to the device controlling lens movements with high precision in one axis of the xyz control.
3-AXES AUTOMATED POSITIONING PLATFORM	Zaber tech.	T-LSM200A	Catalog number corresponds to the device controlling lens movements with high precision in one axis of the xyz control.
Zaber Console 1.4.7.	Zaber tech.		Software provided by Zaber tech. able to control the automatic postionig platfomr from the computer
Dichroic filters	Edmund optics		hot and cold mirrors
Neutral filters	Edmund optics
Silicone on Glass Fresnel lens			Manufactured by Fraunhofer ISE.
Achromatic Doublet on Glass Fresnel lens			Manufactured at the Solar Energy Institute
Multi Junction solar cells
Charged Coupled Device camera	Qimaging
Qcapture, CCD camera controlling software	Qimaging
Thermal Chamber			Designed and manufactured at the IES
TC-720, thermal chamber controlling software