Artykuł metodologiczny

Wewnętrzna eksperymentalna ocena wydajności i plamki natężenia promieniowania soczewki Fresnela z achromatycznym dubletem na szkle (ADG) do koncentracji fotowoltaiki

11.7K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/56269

⸱

27 października 2017

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Instituto de Energía Solar, Universidad Politécnica de Madrid

W tym artykule

Podsumowanie

Soczewka Fresnela z achromatycznym dubletem na szkle (ADG) wykorzystuje dwa materiały o różnej dyspersji, aby zredukować aberrację chromatyczną i zwiększyć osiągalne stężenie. W niniejszej pracy przedstawiono protokół pełnej charakterystyki soczewki Fresnela ADG.

Streszczenie

Przedstawiamy metodę charakteryzowania achromatycznych soczewek Fresnela do zastosowań fotowoltaicznych. Achromatyczna soczewka Fresnela z dubletem na szkle (ADG) składa się z dwóch materiałów, tworzywa sztucznego i elastomeru, których charakterystyka dyspersji (zmiana współczynnika załamania światła wraz z długością fali) jest różna. Najpierw zaprojektowaliśmy geometrię soczewki, a następnie wykorzystaliśmy symulację ray-tracingu, opartą na metodzie Monte Carlo, aby przeanalizować jej działanie zarówno z punktu widzenia sprawności optycznej, jak i maksymalnego osiągalnego stężenia. Następnie prototypy soczewek Fresnela ADG zostały wyprodukowane przy użyciu prostej i niezawodnej metody. Składa się z uprzedniego wtryskiwania części z tworzywa sztucznego i późniejszej laminacji, wraz z elastomerem i szklanym podłożem w celu wytworzenia parkietu soczewek Fresnela ADG. Dokładność wyprodukowanego profilu soczewki jest badana za pomocą mikroskopu optycznego, natomiast jej wydajność optyczna jest oceniana za pomocą symulatora słonecznego dla koncentratorowych systemów fotowoltaicznych. Symulator składa się z ksenonowej lampy błyskowej, której emitowane światło odbijane jest przez zwierciadło paraboliczne. Skolimowane światło ma rozkład widmowy i aperturę kątową podobną do prawdziwego Słońca. Byliśmy w stanie ocenić wydajność optyczną soczewek Fresnela ADG, wykonując zdjęcia plamki natężenia promieniowania rzucanej przez soczewkę za pomocą kamery z urządzeniem sprzężonym z ładunkiem (CCD) i mierząc prąd fotoelektryczny generowany przez kilka typów wielozłączowych (MJ) ogniw słonecznych, które zostały wcześniej scharakteryzowane na symulatorze słonecznym dla koncentratorowych ogniw słonecznych. Pomiary te wykazały achromatyczne zachowanie soczewek Fresnela ADG, a w konsekwencji przydatność metod modelowania i wytwarzania.

Wprowadzenie

Koncentrator fotowoltaiczny (CPV) jest obiecującą technologią pozwalającą obniżyć koszty energii elektrycznej pochodzącej z energii słonecznej, ponieważ ta technologia może wykorzystać szybki przyrost wydajności zaawansowanych ogniw słonecznych wielozłączowych (MJ). Urządzenia te składają się z kilku podkomórek (zwykle trzech nazwanych jako góra, środek i dół), z których każda jest wykonana z innego związku półprzewodnikowego. Każda subkomórka ma inną przerwę energetyczną, co skutkuje inną odpowiedzią spektralną, co umożliwia każdej z nich przekształcenie odrębnej części widma słonecznego w energię elektryczną. W ten sposób ogniwa słoneczne MJ są w stanie wykorzystać szeroki zakres widma słonecznego (zwykle 300 - 1800 nm), osiągając wartości wydajności wyższe niż 46% przy skoncentrowanym świetle1. Aby zrekompensować wysoki koszt takich urządzeń fotowoltaicznych, stosuje się systemy optyczne do koncentrowania na nich promieniowania, co obniża ostateczny koszt systemu. Obecnie większość dostępnych na rynku systemów fotowoltaicznych o wysokim stężeniu (HCPV) opiera się na hybrydowych soczewkach Fresnela z silikonu na szkle (SoG)2. We wszystkich refrakcyjnych układach optycznych aberracja chromatyczna jest czynnikiem najdotkliwiej obniżającym wydajność soczewki pod względem maksymalnego osiągalnego stężenia3 (tj. minimalna powierzchnia plamki świetlnej). Dzięki zastosowaniu soczewki achromatycznej, czyli soczewki o wysoce zredukowanej aberracji chromatycznej, możliwe jest znaczne zwiększenie maksymalnego osiągalnego stężenia bez konieczności stosowania dodatkowych elementów optycznych (określanych jako drugorzędne elementy optyczne4,5).

Projektowanie soczewek achromatycznych (powszechnie nazywanych dubletami achromatycznymi, ponieważ są one wytwarzane z połączenia dwóch materiałów o różnych charakterystykach dyspersji) jest dobrze znane od XVIII wieku. Konwencjonalny dublet achromatyczny składa się z dwóch różnych szkieł: pierwsze nazywa się koroną i ma niską dyspersję, podczas gdy drugie nazywa się krzemieniem i ma wysoką dyspersję. Jednak całkowity koszt tego rodzaju okularów i ich obróbki sprawia, że są one niedostępne dla systemów HCPV. Languy i współautorzy zaproponowali achromatyczny dublet dla CPV składający się z dwóch tworzyw sztucznych: poli(metakrylanu metylu) (PMMA) i poliwęglanu (PC)6. W ich artykule przedstawiono analizę porównawczą różnych konfiguracji i ich zalet, ale bez odniesienia się do ich możliwości produkcyjnych i skalowalności przy wysokiej produkcji.

Proponowana tutaj soczewka Fresnela ADG została zaprojektowana w taki sposób, że światło o pewnej krótkiej długości fali ("światło niebieskie") i pewnej długości fali ("czerwone" światło) mają dokładnie taką samą odległość ogniskową. Szczegóły dotyczące metody projektowania standardowych dubletów achromatycznych można znaleźć gdzie indziej7. Przeprowadzono kilka symulacji śledzenia promieni, aby zademonstrować ulepszenia uzyskane przy użyciu soczewki Fresnela ADG zamiast konwencjonalnej soczewki Fresnela SoG. Szczegółowy raport z uzyskanych wyników został zaprezentowany w4. Najważniejszym rezultatem jest to, że przy zastąpieniu konwencjonalnej soczewki Fresnela SoG soczewką Fresnela ADG, osiągalne stężenie wzrasta około trzykrotnie przy zachowaniu tej samej sprawności optycznej. Ponadto, ponieważ proces produkcyjny8 przewidziany do uzyskania ADG jest bardzo podobny do tego zastosowanego do produkcji soczewek SoG, wzrost stężenia zostanie osiągnięty bez znacznego zwiększania kosztów.

Tutaj prezentujemy protokół do przeprowadzenia kompleksowej charakterystyki koncentratorów składających się z refrakcyjnej soczewki pierwotnej i stosujemy ten protokół zarówno do konwencjonalnej soczewki Fresnela SoG (używanej jako wzorzec), jak i kilku prototypów soczewek Fresnela ADG. W tym celu wykorzystano symulator słoneczny dla CPV. Szczegółowy opis symulatora i wszystkich jego komponentów, a także zasad jego działania, został zaprezentowany w innym miejscu9.

Protokół

1. Modelowanie soczewki przy użyciu symulacji śledzenia promieni

  1. Przygotowanie modelu
    1. Zaimportuj geometrię soczewki Fresnela ADG do oprogramowania do symulacji śledzenia promieni (ray-tracing) i określ właściwości materiałów, takie jak transmitancja i współczynnik załamania światła.
      UWAGA: Projekt soczewki Fresnela ADG został opracowany w Instytucie Energii Słonecznej i opiera się na kodzie komputerowym bazującym na podstawowych zasadach optyki, takich jak zasada Fermata i prawo Snella. Do opracowania metody projektowej wykorzystano krzywe dyspersyjne materiałów tworzących soczewkę. Szczegółowy opis metody projektowej przedstawiono w innym opracowaniu4.
    2. Skonfiguruj źródło światła o rzeczywistych właściwościach słońca, takich jak apertura kątowa i rozkład widmowy.
    3. Umieść odbiornik w odległości od soczewki równej nominalnej ogniskowej.

Schemat układu optycznego: ogniwo słoneczne skupia światło przez elastomer oraz soczewki biFresnels na podłożu szklanym.
Rycina 1Zrzut ekranu modelu symulacji śledzenia promieni. Można zaobserwować źródło światła, soczewkę Fresnela ADG (składającą się z szklanego podłoża, elastomeru i plastikowej soczewki bi-Fresnela) oraz odbiorniki służące do pomiaru natężenia promieniowania w aperturze soczewki (odbiornik soczewki) i natężenia promieniowania na wyjściu (odbiornik ogniwa słonecznego). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

  1. Uruchom symulację i oblicz pożądane wyniki, takie jak maksymalne osiągalne skupienie oraz sprawność optyczna soczewki. Osiągalne skupienie definiuje się jako stosunek apertury optycznej soczewki do powierzchni odbiornika, na której rzutowana jest plamka światła. Sprawność optyczna definiowana jest jako stosunek mocy na odbiorniku do mocy w aperturze optycznej soczewki10.
    UWAGA: Powierzchnia odbiornika jest znacznie większa niż plamka światła rzutowana przez soczewkę, aby zapewnić, że odbiornik zbiera każdy promień transmitowany przez soczewkę. W ten sposób obliczona sprawność optyczna uwzględnia straty wynikające z absorpcji materiałów, odbicia oraz ograniczeń produkcyjnych (kąty rozwarcia i zaokrąglenia wierzchołków w narożnikach i dolinach).
  2. Powtórz kroki 1.1. i 1.2., symulując konwencjonalną soczewkę Fresnela z silikonu na szkle (SoG) zamiast soczewki ADG Fresnel, aby służyła ona jako punkt odniesienia.

2. Charakterystyka ogniwa słonecznego

Układ spektroskopowy z lampą ksenonową, kontrolerem błysków oraz systemem akwizycji danych (DAQ) do wzbudzenia optycznego i analizy.
Rycina 2Symulator słoneczny dla koncentracyjnych ogniw słonecznych. Zdjęcie symulatora słonecznego wykorzystywanego do charakterystyki ogniw słonecznych pod wpływem skoncentrowanego promieniowania. W górnej części rysunku widoczna jest lampa, której położenie określa poziom koncentracji. Na dole przedstawiono płaszczyznę pomiarową z referencyjnymi ogniwami słonecznymi oraz badanym urządzeniem (DUT). Po lewej stronie zdjęcia widoczny jest sprzęt elektroniczny (zasilacz i system akwizycji danych DAQ) oraz komputer służący do przeprowadzenia charakterystyki. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

  1. Kalibracja symulatora słonecznego do charakterystyki ogniw słonecznych
    1. Umieść wewnątrz symulatora słonecznego referencyjne ogniwa składowe (górne, środkowe i dolne), znane również jako izotypy, które zostały skalibrowane w widmie referencyjnym, oraz badany element (DUT), czyli ogniwo słoneczne, które ma zostać zmierzone.
      UWAGA: Umieść ogniwa referencyjne i DUT jak najbliżej siebie, aby zminimalizować możliwe błędy wynikające z nierównomiernego oświetlenia w płaszczyźnie pomiarowej.
    2. Dostosuj położenie (wysokość) lampy błyskowej, aby osiągnąć pożądany poziom koncentracji. Im dalej lampa znajduje się od płaszczyzny pomiarowej, tym niższa jest osiągana koncentracja.
      1. Rozkład widmowy zależy od położenia lampy i intensywności błysku. Dodaj niezbędne filtry, aby dostosować rozkład widmowy. Procedura uzyskania rozkładu zbliżonego do widma referencyjnego opisana jest w kroku 2.2.1.
    3. Podłącz izotypy oraz DUT do karty akwizycji danych (DAQ) symulatora słonecznego.
    4. Za pomocą edytora tekstu utwórz plik tekstowy zawierający wartości polaryzacji, które zostaną użyte w pomiarze krzywej prądowo-napięciowej (IV) ogniwa. Plik tekstowy zawiera jedną linię na każdy punkt napięcia. Większa liczba punktów napięcia przekłada się na wyższą rozdzielczość krzywej. Ponieważ wszystkie zaangażowane ogniwa są ogniwami słonecznymi MJ (wielozłączowymi), wartości polaryzacji obejmują zakres od 0 V do 3,1 V.
  2. Pomiary
    1. Intensywność światła podczas zaniku błysku osiąga początkowy szczyt, a następnie zaczyna spadać (Rysunek 3). Rozkład widmowy światła ulega również zmianie w trakcie trwania impulsu błysku. Konwencjonalne ogniwo słoneczne MJ składa się z trzech podogniw o różnych przerwach energetycznych, które są połączone szeregowo. Każde podogniwo może przetwarzać energię elektryczną w innej części widma słonecznego. Z tego powodu prąd generowany przez ogniwo MJ jest zawsze ograniczony przez podogniwo produkujące najmniejszy prąd. Aby przeprowadzić dokładny pomiar, wybierz poziom natężenia promieniowania, przy którym oba izotypy, odpowiadające górnemu i środkowemu podogniwu, wskazują dokładnie ten sam poziom natężenia promieniowania. Potwierdza to, że ogniwo jest mierzone przy docelowym poziomie koncentracji i widmie. Fakt, że poziom natężenia promieniowania wskazany przez dolne podogniwo nie jest zbieżny, można pominąć. Wynika to z faktu, że komercyjne ogniwa MJ oparte na Ge nigdy nie są ograniczone prądowo przez to podogniwo. Rysunek 3 przedstawia graficzne wyjaśnienie tej procedury.
    2. Po zidentyfikowaniu pożądanego poziomu natężenia promieniowania dla pomiaru, rozpocznij test IV. Symulator odczytuje punkty polaryzacji z pliku tekstowego zdefiniowanego w kroku 2.1.4.; dla każdego punktu urządzenie polaryzuje ogniwo pod pożądanym napięciem, wyzwala błysk i mierzy prąd generowany przez ogniwo słoneczne. Para wartości prądu i napięcia, czyli krzywa IV, jest wyświetlana na ekranie komputera.
      UWAGA: Z krzywej IV można wyznaczyć prąd zwarcia (Isc), napięcie obwodu otwartego (Voc), współczynnik wypełnienia (FF) oraz sprawność DUT (choć w kolejnych sekcjach wykorzystywany jest tylko prąd zwarcia).
    3. Powtórz krok 2.2.2. dla różnych poziomów koncentracji, aby sprawdzić, czy fotoprąd ogniwa słonecznego zależy liniowo od poziomu koncentracji (patrz Rysunek 4), a w konsekwencji, czy skalibrowane ogniwo może być użyte jako czujnik światła do wyznaczenia natężenia promieniowania w płaszczyźnie ogniskowej soczewki. Dla każdego poziomu koncentracji dostosuj rozkład widmowy światła błyskowego za pomocą odpowiednich filtrów, aby przeprowadzić pomiary w momencie, gdy oba izotypy (podogniwo górne i środkowe) wskazują ten sam poziom natężenia promieniowania, zgodnie z wyjaśnieniem w kroku 2.2.1.

Wykres zaniku błysku; stężenie względem czasu, analiza zaniku fotonicznego, pomiar prądu.
Rycina 3Ewolucja czasowa zmierzonych wartości podczas wygasania błysku. Na wykresie zaznaczono moment, w którym komórki izotypowe, odpowiadające górnej i środkowej podkomórce, mierzą ten sam poziom natężenia promieniowania. Śledząc czarną przerywaną linię zaczynającą się od punktu przecięcia krzywych odpowiadających górnej i środkowej podkomórce, można zidentyfikować wartość prądu DUT (czarne kółko) jako prąd zmierzony w dokładnym momencie, w którym górna i środkowa podkomórka referencyjna wykazują ten sam poziom natężenia promieniowania. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

Układ wzbudzenia optycznego ogniwa słonecznego; schemat i sprzęt z kamerą CCD oraz kulą integrującą.
Rycina 4. (A) Schemat układu wykorzystanego do przeprowadzenia badań eksperymentalnych. (BFotografia układu eksperymentalnego i jego elementów (źródło światła z kulą całkującą, próbka soczewki, kamera CCD oraz ogniwa słoneczne wykorzystane jako czujniki światła). Lustro paraboliczne i filtry nie są widoczne na tej fotografii. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

3. Charakterystyka soczewki.

Wykres prądu światłowodowego w funkcji stężenia; analiza dopasowania liniowego; wynik badania fotonicznego.
Rysunek 5Wykres przedstawiający ewolucję prądu fotogenerowanego w ogniwie słonecznym MJ w funkcji stężenia. Zgodnie z przewidywaniami występuje zależność liniowa. Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

  1. Przygotowanie układu.
    1. Zamontuj zautomatyzowaną platformę pozycjonującą w 3 osiach: platformę przesuwną sterowaną komputerowo, umożliwiającą precyzyjne kontrolowanie pozycji względnej między skalibrowanym ogniwem słonecznym/kamerą CCD a mierzoną soczewką.
      1. Używając poziomicy, sprawdź, czy zautomatyzowana platforma pozycjonująca w 3 osiach jest ustawiona idealnie poziomo.
    2. Zamontuj uchwyt ogniwa słonecznego/kamery CCD na ruchomym uchwycie platformy w taki sposób, aby możliwe było sterowanie jego pozycją wzdłuż osi x, y i z.
    3. Zamontuj uchwyt soczewki w platformie przed ruchomym uchwytem opisanym w kroku 3.1.2. Dzięki wykorzystaniu ruchomego uchwytu w osiach x i y możliwe jest idealne scentrowanie soczewki względem obiektywu ogniwa słonecznego/kamery CCD. Przesuwając uchwyt wzdłuż osi z, można umieścić obiektyw ogniwa słonecznego/kamery CCD w optymalnym punkcie ogniskowym soczewki (minimalna wielkość plamki) oraz przesuwać go wzdłuż jej osi optycznej.
    4. Podłącz każde urządzenie (zautomatyzowaną platformę pozycjonującą, kartę DAQ do pomiaru prądu ogniwa, kamerę CCD oraz lampę ksenonową) do komputera wykorzystywanego do przeprowadzenia całego testu eksperymentalnego.
    5. Przetestuj połączenie i działanie wszystkich podłączonych urządzeń.
      1. Otwórz oprogramowanie sterujące symulatorem słonecznym dla CPV i naciśnij przycisk „light pulse”, aby wywołać błysk. Jeśli wykres zaniku błysku wygląda podobnie do Rysunku 3, oznacza to, że karta DAQ, lampa ksenonowa, podogniwa izotypowe oraz DUT działają prawidłowo.
      2. Otwórz oprogramowanie sterujące kamerą CCD, aby sprawdzić, czy kamera działa prawidłowo.
      3. Otwórz oprogramowanie sterujące komputerową platformą przesuwną i użyj go do przemieszczania ruchomego uchwytu wzdłuż trzech osi. W tym celu wybierz jedną z osi wymienionych w lewym górnym rogu okna oprogramowania, wprowadź pozycję w polu „move absolute” i naciśnij „run”. Jeśli ruchomy uchwyt przesuwa się zgodnie z oczekiwaniami, oznacza to, że platforma przesuwna działa prawidłowo.
    6. Oczyść i umieść mierzoną soczewkę na stałym uchwycie zamontowanym na zautomatyzowanej platformie pozycjonującej.
    7. Przed czujnikiem umieść lustro gorące (filtr krótkoprzepustowy blokujący światło o długości fali powyżej 70 nm) lub lustro zimne (filtr długoprzepustowy blokujący światło o długości fali poniżej 70 nm).
      UWAGA: Krok 3.1.7. jest konieczny wyłącznie w przypadku pomiarów z użyciem kamery CCD.
    8. Użyj ruchomego uchwytu, aby scentrować ogniwo słoneczne/kamerę CCD względem soczewki i umieścić je w optymalnym punkcie ogniskowym.
    9. Używając dowolnego edytora tekstu, utwórz plik tekstowy zawierający w każdej linii współrzędne odpowiadające punktowi pomiarowemu (konkretna odległość soczewki od odbiornika), zaczynając od pozycji ogniwa/kamery CCD o 5 mm bliższej soczewce niż optymalna odległość ogniskowa, aż do pozycji o 5 mm dalszej.
  2. Faza pomiarowa
    1. Pomiary ogniwa słonecznego
      UWAGA: Podobnie jak w przypadku symulatora słonecznego dla ogniw słonecznych opisanego w poprzedniej sekcji, natężenie światła i rozkład widmowy symulatora słonecznego dla CPV zmieniają się podczas zaniku błysku. Graficzna reprezentacja zaniku błysku jest podobna do tej uzyskanej za pomocą symulatora słonecznego dla ogniw koncentrujących opisanej w kroku 2.2.1. i przedstawionej na Rysunku 3. Występuje początkowy szczyt, a następnie wartość maleje. Rozkład widmowy światła zmienia się w trakcie zaniku błysku. Pomiar jest wykonywany w momencie, gdy oba izotypy, odpowiadające górnemu i środkowemu podogniwu, wskazują ten sam poziom natężenia promieniowania.
      UWAGA: W przeciwieństwie do przypadku symulatora słonecznego dla ogniw słonecznych, w tym przypadku jedyną kontrolą nad poziomem natężenia promieniowania jest intensywność światła błysku oraz filtry neutralne.
      1. Po zidentyfikowaniu optymalnego poziomu natężenia promieniowania można rozpocząć test. Dla każdej pozycji zdefiniowanej w kroku 3.1.9. wywołaj błysk światła. Symulator generuje następnie plik tekstowy zawierający sygnały danych z całego okresu zaniku błysku, z których można wywnioskować generowanie prądu w ogniwie słonecznym pod wpływem światła skupionego przez soczewkę.
      2. Powtórz kroki od 3.1.7. do 3.2.1.3. dla każdej mierzonej soczewki.
    2. Pomiary kamerą CCD
      1. Dla każdej pozycji zdefiniowanej w 3.1.9., używając kamery CCD, wykonaj zdjęcie wygenerowanej plamki światła.
        UWAGA: Detektor CCD kamery sprzężony z lustrem gorącym lub zimnym ma odpowiednio podobną odpowiedź widmową do górnego i środkowego podogniwa (patrz Rysunek 6). Ponadto, aby uzyskać zdjęcia z użytecznymi informacjami, konieczne jest podjęcie pewnych środków ostrożności. Po pierwsze, intensywność światła błysku musi zostać dostosowana tak, aby uzyskać dobry stosunek sygnału do szumu i jednocześnie nie nasycić detektora CCD. W tym celu można bezpośrednio zmodyfikować intensywność błysku lub użyć filtrów neutralnych, aby uzyskać pożądany poziom natężenia promieniowania. Po drugie, ważne jest, aby komora symulatora była całkowicie ciemna, aby uniknąć wpływu zewnętrznych źródeł światła na pomiary.
      2. Pomiary temperatury
        1. Umieść mierzoną soczewkę wewnątrz komory termicznej służącej do kontroli temperatury soczewki podczas testu.
        2. Używając komory termicznej, zmieniaj temperaturę soczewki od 10 °C do 50 °C w krokach równych 10 °C. W tym celu umieść soczewki w komorze termicznej z przezroczystą przednią pokrywą.
        3. Przeprowadź pomiary dla różnych temperatur za pomocą kamery CCD w ten sam sposób, który opisano w punkcie 3.2.2.1.
          UWAGA: Temperaturę testowanej soczewki mierzy się bezpośrednio za pomocą przymocowanych do niej termopar. Różnica temperatur na powierzchni soczewek jest mniejsza niż 2 °C.

Wykres odpowiedzi widmowej dla kamery CCD i podogniw z analizą długości fali oraz filtrami optycznymi.
Rycina 6Odpowiedź widmowa (SR) krzemowego sensora kamery CCD filtrowanego przez zimne zwierciadło lub szkło termiczne (puste kropki) w celu symulacji SR środkowej i górnej podogniwy trzyskładnikowego ogniwa słonecznego o dopasowanej sieci krystalicznej (pełne kropki). Rysunek został zmodyfikowany z10.

  1. Przetwarzanie wyników uzyskanych podczas pomiaru ogniwa słonecznego.
    1. Wykorzystując skalibrowane komponenty komórkowe izotypowe jako referencję, należy wyznaczyć prąd światła generowany przez górną i środkową podkomórkę ogniwa słonecznego użytego jako detektor światła dla każdej pozycji (szczegółowe omówienie sposobu szacowania prądów światła górnej i środkowej podkomórki na podstawie sygnałów zarejestrowanych podczas zaniku błysku znajduje się w)11).
    2. Narysuj wykres przedstawiający przybliżony prąd światła w funkcji odległości soczewki od odbiornika dla górnej i środkowej podogniwy.
    3. Porównaj wyniki uzyskane przy użyciu achromatycznej soczewki Fresnela ADG z wynikami uzyskanymi przy użyciu soczewki Fresnela SoG.
  2. Przetwarzanie wyników uzyskanych za pomocą pomiaru kamerą CCD.
    1. Wyznacz środek ciężkości światła na fotografiach wykonanych za pomocą kamery CCD.
      UWAGA: „centroid światła” rozkładu mapy natężenia promieniowania to środek obszaru, którego poziom natężenia promieniowania przekracza 90% maksymalnego natężenia promieniowania na mapie.
    2. Po zidentyfikowaniu centroidu plamki należy zdefiniować liczbę możliwych promieni i dla każdego z nich obliczyć procent światła zawartego w okręgu w stosunku do całkowitego natężenia promieniowania zarejestrowanego na fotografii.
    3. Oblicz promień plamki. Jest on definiowany jako promień obejmujący 95% całkowitego natężenia promieniowania.
      UWAGA: Wybrano wartość 95%, aby uniknąć sztucznego powiększenia plamki spowodowanego szumem wynikającym z dopływu światła z zewnętrznych źródeł, t. j. bezpośrednie światło z lampy ksenonowej lub światło z otoczenia.
    4. Powtórzyć etapy przetwarzania od 3.4.1. do 3.4.3. dla pomiarów z użyciem lustra grzewczego i chłodzącego.
    5. Narysuj wykres przedstawiający średnicę plamki światła jako funkcję odległości soczewki od detektora względem pozycji optymalnej (minimalnej wielkości plamki) dla światła niebieskiego i czerwonego (odpowiednio pomiary dla lustra gorącego i lustra zimnego).

Wyniki

Najważniejsze wyniki uzyskane w ramach wcześniej opisanych testów eksperymentalnych są następujące:
- Wykazano achromatyczne zachowanie soczewki Fresnela ADG przy użyciu pomiarów kamerą CCD (Rysunek 7).
- Sprawność optyczna (proporcjonalna do prądu mierzonego przez ogniwo MJ wykorzystane jako czujnik światła) soczewki Fresnela ADG wykazuje dużą tolerancję podczas przesuwania ogniwa z optymalnej odległości ogniskowej oraz wzdłuż osi odległości ogniskowej (Rysunek 8).
- Wielkość plamki rzucanej przez soczewkę ADG wykazuje dużą tolerancję w zależności od różnych temperatur (Rysunek 9).

Ewolucja średnicy plamki w funkcji odległości soczewki od odbiornika została przedstawiona na Rysunku 7 dla obu soczewek: konwencjonalnej soczewki Fresnela SoG oraz soczewki Fresnela ADG. Górna i środkowa podkomórka zostały przeanalizowane oddzielnie za pomocą dwóch filtrów dichroicznych: jednego lustra grzewczego, filtrującego światło o długości fali powyżej 70 nm, oraz jednego lustra chłodzącego, filtrującego światło o długości fali poniżej 70 nm. Na Rysunku 7a widać, że minima obu krzywych są przesunięte. Wynika to z aberracji chromatycznej: ponieważ współczynnik załamania dla krótkich długości fal jest wyższy, ognisko dla światła niebieskiego znajduje się bliżej soczewki. W konsekwencji minimum plamki dla światła niebieskiego jest przesunięte w lewo (w stronę soczewki), a minimum plamki dla światła czerwonego jest przesunięte w prawo (w stronę nieskończoności). Odwrotnie, na Rysunku 7b można zaobserwować, że w przypadku soczewki Fresnela ADG pozycja minimum plamki dla światła niebieskiego odpowiada dokładnie minimum plamki dla światła czerwonego, co dowodzi, że soczewka wykazuje właściwości achromatyczne.

Zmiana znormalizowanego prądu fotogenerowanego przez ogniwo słoneczne MJ, oświetlone za pomocą soczewki skupiającej, w funkcji względnej odległości między ogniwem a soczewką przedstawiona jest na Rysunku 8. Szerszy przebieg krzywej dla soczewki Fresnela ADG oznacza, że dzięki achromatycznej konstrukcji wykazuje ona większą tolerancję na przesunięcie soczewki z jej optymalnej pozycji wzdłuż osi optycznej niż konwencjonalna soczewka Fresnela SoG. W konsekwencji soczewki ADG są bardziej odporne na błędy montażowe lub wszelkie zjawiska zmieniające odległość ogniskową, np. zmiany temperatury.

Wreszcie, na Rysunku 9 przedstawiono zmienność plamki świetlnej rzucanej przez soczewkę w funkcji temperatury soczewki. Górna i środkowa podkomórka zostały przeanalizowane osobno za pomocą filtrów dichroicznych (luster gorących i zimnych). Soczewki umieszczono w komorze termicznej z przezroczystym szkłem osłonowym w celu kontroli ich temperatury12. Wykresy na Rysunku 9 pokazują, że zmienność temperatury ma mniejszy wpływ na soczewkę Fresnela ADG niż na referencyjną soczewkę Fresnela SoG. W przypadku tej ostatniej, przy wzroście temperatury o 20 °C, zwiększenie rozmiaru plamki świetlnej jest znaczące: średnica jest o około 30% większa dla górnej podkomórki i do 60% większa dla środkowej podkomórki. Przeciwnie, dla soczewki ADG, nawet w najgorszym przypadku wzrost ten wynosi poniżej 20%. Oznacza to, że nawet w warunkach pracy na zewnątrz z dużymi wahaniami temperatury, zastosowanie soczewki ADG zapewniłoby większą stabilność wydajności systemu.

Tabela porównawcza soczewek Fresnela; średnica plamki w zależności odległości soczewki od odbiornika dla precyzji optycznej.
Rycina 7Zmierzona średnica plamki jako funkcja odległości soczewki od detektora. Średnicę plamki zdefiniowano jako obszar obejmujący 95% energii. Czerwone przerywane linie reprezentują średnice plamek dla dłuższych długości fal (tych zazwyczaj konwertowanych przez środkową podogniwową w ogniwach słonecznych wielozłączowych MJ). t. j.., 650-900 nm), a niebieskie linie ciągłe reprezentują średnice plamek dla krótszych długości fal (tych zazwyczaj obejmowanych przez górną podogniwkę, t. j., 350-650 nm). (a) soczewka Fresnela SOG, (b) soczewka Fresnela ADG. Rysunek ten został zmodyfikowany z8. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.

ogniwo słoneczne 3 mm, wykres zależności względnego odległości ogniwa od soczewki od znormalizowanego prądu świetlnego, przedstawiający dane SoG i ADG.
Rysunek 8Znormalizowany prąd światła generowany przez ogniwo słoneczne MJ o średnicy 3 mm w funkcji względnej odległości między ogniwem a soczewką. Każda krzywa została podzielona przez swoją wartość maksymalną. Zero na osi x dla trzech soczewek reprezentuje optymalną odległość ogniskową (miejsce, w którym plamka jest najmniejsza). Krzywe tła reprezentują znormalizowane prądy światła generowane przez górne (znaczniki okrągłe) i środkowe (znaczniki trójkątne) podogniwa. ADG_v2 to ulepszony projekt soczewki Fresnela ADG. Z uwagi na przejrzystość zaznaczono znormalizowany prąd wytwarzany przez ogniwo słoneczne MJ (wartość minimalna spośród prądów światła podogniw górnego i środkowego). Rysunek zmodyfikowano na podstawie 13. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wykres porównujący średnicę względną w funkcji temperatury dla SoG oraz ADG w górnych i środkowych podogniwach.
Rysunek 9Względna wielkość plamki w funkcji temperatury soczewki. (A) Wyniki dotyczące górnej podogniwa (pomiar wykonany przy użyciu dichroicznego filtra lustra grzewczego). (B) Wyniki dotyczące środkowej podkomórki (pomiar wykonany przy użyciu dichroicznego filtra zimnego zwierciadła). Względną wielkość plamki uzyskano poprzez podzielenie wielkości plamki przez minimalną wartość zmierzoną dla każdej soczewki. Rysunek ten został zmodyfikowany z13. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

Dyskusja

Metoda zaproponowana do charakterystyki soczewek Fresnela ADG obejmuje dwie różne procedury: pierwsza wykorzystuje ogniwa słoneczne jako czujniki światła, podczas gdy druga opiera się na kamerze CCD.

Stosując procedurę opartą na ogniwach słonecznych, fotoprąd generowany przez ogniwo słoneczne MJ został zmierzony przy użyciu różnych soczewek Fresnela jako koncentratorów. Jak opisano w protokole, symulator słoneczny CPV wykorzystuje ksenonową lampę błyskową emitującą światło, które odbija się od zwierciadła parabolicznego. Takie zwierciadło generuje skolimowaną wiązkę światła na płaszczyźnie pomiarowej (zbieżnej z aperturą soczewki). Ze względu na tolerancje produkcyjne lustra i chropowatość powierzchni, skolimowane światło nie jest jednorodne na płaszczyźnie pomiarowej. Niejednorodność natężenia promieniowania wytworzonego przez symulator słoneczny jest głównym źródłem błędów w naszych pomiarach eksperymentalnych10. Ponieważ duże soczewki integrują natężenie promieniowania na płaszczyźnie pomiarowej na dużym obszarze, błąd wynikający z niejednorodności zależy od rozmiaru soczewki. Symulator słoneczny dla systemów CPV używany w Instytucie Energii Słonecznej osiąga jednorodność lepszą niż ± 5% dla optyki 3x3 cm9. W przypadku testowanej tutaj soczewki Fresnela ADG, której apertura optyczna wynosi 40x40 mm, wpływ niejednorodności na pomiar może być krytyczny. Aby zmniejszyć tę niepewność, soczewka referencyjna jest ponownie mierzona przed przeprowadzeniem jakiegokolwiek eksperymentu. Co więcej, podczas wykonywania tych pomiarów należy zachować szczególną ostrożność podczas ustawiania ogniwa i soczewki. W rzeczywistości ogniwo słoneczne musi być umieszczone dokładnie wyśrodkowane z plamką świetlną rzucaną przez soczewkę, aby uniknąć niewspółosiowości, ponieważ jeśli zostanie użyte złe ustawienie początkowe, redukcja fotoprądu spowodowana rozogniskowaniem zostanie zmieniona. Innym błędem, który może wystąpić, jest ten spowodowany różnymi współczynnikami zacienienia przedniej siatki metalizacji (ogniwo słoneczne MJ używane jako czujnik jest kalibrowane przy użyciu jednorodnego natężenia promieniowania, ale soczewki rzucają na nie profil w kształcie Gaussa podczas pomiarów). Aby upewnić się, że metalizacja nie wpływa na wyniki eksperymentów, przydatne jest przeprowadzenie kilku pomiarów przesuwających soczewkę, a w konsekwencji plamkę świetlną na płaszczyźnie odbiornika. Jeśli mierzony fotoprąd zmienia się znacznie przy niewielkim przesuwaniu plamki świetlnej, oznacza to, że siatka metalizacji wpływa na pomiary.

Istnieją inne metody odpowiednie do pomiaru sprawności optycznej soczewki pierwotnej, np . przy użyciu czujników natężenia promieniowania cieplnego, takich jak termopile10. Główną wadą tego podejścia jest to, że reakcja czujnika termicznego jest zbyt wolna dla każdego źródła światła błyskowego. Dlatego można go stosować tylko do pomiarów zewnętrznych (które są bardzo wrażliwe na rozkład widmowy natężenia promieniowania i inne warunki pogodowe). Dzięki proponowanej metodzie unika się tego ograniczenia.

Dodatkowo, korzystając z procedury opartej na ogniwach słonecznych, możliwe byłoby również uzyskanie wielkości plamki świetlnej rzucanej przez soczewkę. W tym celu należy zmierzyć prądy fotoelektryczne generowane przez kilka ogniw słonecznych MJ tego samego typu i różnych, ale podobnych rozmiarów. W przypadku komórek, których rozmiar jest mniejszy niż plamka świetlna rzucana przez soczewkę, zmierzony prąd fotoprądowy zmniejsza się wraz ze zmniejszaniem się powierzchni komórki z powodu światła rozlewającego się z komórki. I odwrotnie, fotoprąd pozostaje stały dla ogniw słonecznych MJ, których rozmiar jest większy niż plamka świetlna, ponieważ niezależnie od powierzchni ogniwa, całe światło przekazywane przez soczewkę dociera do ogniwa słonecznego. Dlatego rozmiar plamki świetlnej jest równy rozmiarowi najmniejszej komórki, która osiąga maksymalną wydajność. W przypadku tej metody im większa liczba użytych ogniw słonecznych, tym wyższa rozdzielczość.

Ponieważ zestaw ogniw słonecznych odpowiednich do przeprowadzenia opisanych pomiarów nie zawsze jest dostępny, zaproponowano procedurę kamery CCD w celu zmierzenia wielkości plamki świetlnej. Dzięki szerokiemu zakresowi dynamiki matrycy CCD, wykorzystując zdjęcia plamki świetlnej wykonane aparatem, możliwe jest dokładne porównanie wartości szczytowych i dolinowych. Aby obliczyć bezwzględną wartość natężenia promieniowania, konieczna byłaby kalibracja całego zestawu, w tym filtrów i kamery CCD. Niemniej jednak na podstawie zdjęć możliwe jest oddzielenie oświetlonego obszaru od ciemnego obszaru na obrazie, a tym samym oszacowanie wielkości jasnej plamki. Głównymi wadami tej techniki są niedopasowanie widmowe między czujnikiem CCD a ogniwem słonecznym MJ oraz szum wytwarzany przez źródła światła inne niż skolimowana wiązka generowana przez symulator słoneczny. Jeśli chodzi o pierwszy problem, poprzez dodanie gorącego lub zimnego lustra do kamery CCD, możliwe jest uzyskanie odpowiedzi spektralnej bardzo podobnej do tej z górnych i środkowych podkomórek (patrz rysunek 6). Dodatkowo, w celu ograniczenia szumów tła, konieczne jest całkowite przyciemnienie komory symulatora CPV. Ponieważ prawie niemożliwe jest całkowite uniknięcie zewnętrznych źródeł światła, przetwarzanie obrazu jest bardzo ważne i musi być dobrze zaprogramowane. Najważniejszym krokiem jest eliminacja szumów tła. Filtrowanie szumów można częściowo zautomatyzować, ale ze względu na silną zależność od czynników zewnętrznych, które są trudne do przewidzenia, każdy przetworzony obraz jest poddawany oględzinom.

Procedura CCD może być wykorzystana do uzyskania ewolucji wielkości plamki świetlnej w funkcji temperatury soczewki poprzez dodanie do systemu komory termicznej, w której umieszczane są soczewki. W tym przypadku, oprócz opisanych wcześniej źródeł błędów, niepewność wynika z pomiarów temperatury obiektywu. Termopara kontrolna (ta bezpośrednio podłączona do komputera) nie reprezentuje rzeczywistej temperatury soczewki, ponieważ czujnik jest umieszczony w punkcie komory termicznej blisko, ale nie bezpośrednio połączonym z mierzonymi soczewkami. W związku z tym temperatura mierzona za pomocą takiej termopary jest średnią temperaturą otoczenia soczewek i niekoniecznie odpowiada rzeczywistej temperaturze soczewki. Dlatego zaleca się podłączenie każdej soczewki do niezależnej termopary. Niemniej jednak prawdopodobnie istnieje gradient temperatury między różnymi punktami soczewki. Aby określić ilościowo tę niepewność, gdy komora termiczna osiągnie żądaną temperaturę, a przed wykonaniem jakiegokolwiek pomiaru, lepiej odczekać 15-20 minut, aby temperatura systemu stała się jak najbardziej jednolita.

Oświadczenia

Nie mamy nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca została częściowo wsparta przez hiszpańskie Ministerstwo Gospodarki i Konkurencyjności w ramach projektu Acromalens (ENE2013-45229-P) i otrzymała finansowanie z programu Unii Europejskiej Horyzont 2020 w zakresie badań i innowacji w ramach projektu CPV Match na podstawie umowy o grant nr 640873.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
HELIOS 3030 SYMULATOR SŁONECZNYSAV
HELIOS 3030 OPROGRAMOWANIESAV
HELIOS 3198 CPV SYMULATOR SŁONECZNYSAV
HELIOS 3198 OPROGRAMOWANIESAV
3-OSIOWA ZAUTOMATYZOWANA PLATFORMA POZYCJONOWANIAZaber tech.T-LSR75ANumer katalogowy odpowiada urządzeniu sterującemu ruchami obiektywu z dużą precyzją w jednej osi sterowania xyz.
3-OSIOWA ZAUTOMATYZOWANA PLATFORMA POZYCJONUJĄCAZaber tech.Numer katalogowy T-LSM200Aodpowiada urządzeniu sterującemu ruchami obiektywu z dużą precyzją w jednej osi sterowania xyz.
3-OSIOWA ZAUTOMATYZOWANA PLATFORMA POZYCJONUJĄCAZaber tech.Numer katalogowy T-LSM200Aodpowiada urządzeniu sterującemu ruchami obiektywu z dużą precyzją w jednej osi sterowania xyz.
Konsola Zaber 1.4.7.Technologia Zaber.Oprogramowanie dostarczone przez Zaber tech. w stanie sterować automatyczną platformą pozycjonowania z komputera Filtry
dichroiczneEdmund optykagorące i zimne lustra
Filtry neutralneOptyka
Silikon na szkle SoczewkaWyprodukowana przez Fraunhofer ISE.
Achromatyczny dublet na szklanej soczewceFresnela Wyprodukowano w Instytucie Energii Słonecznej
Multi Junction ogniwa
Naładowane urządzenie KameraQimaging Qcapture
, oprogramowanie sterujące kamerą CCDQimaging
Zaprojektowanyi wyprodukowany w IES
TC-720, oprogramowanie
Edmund Fresnela słoneczne Komora termiczna sterujące komorą termiczną

Bibliografia

  1. Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E. D. Solar cell efficiency tables (version 49). Prog. Photovolt. Res. Appl. 25, 3-13 (2016).
  2. Lorenzo, E., Sala, G. Sun II. , 536-539 (1979).
  3. Victoria, M. New Concepts and Techniques for the Development of High-Efficiency Concentrating Photovoltaic Modules. , E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). (2014).
  4. Vallerotto, G., et al. Design and modeling of a cost-effective achromatic Fresnel lens for concentrating photovoltaics. Opt. Express. 24, A1245(2016).
  5. Victoria, M., Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. Comparative analysis of different secondary optical elements for aspheric primary lenses. Optics Express. 17, 6487-6492 (2009).
  6. Languy, F., et al. Flat Fresnel doublets made of PMMA and PC: combining low cost production and very high concentration ratio for CPV. Opt. Express. 19, Suppl 3. A280(2011).
  7. Hecht, E. Optics, Third Edition. , Addison Wesley Longman, Inc. (1998).
  8. Vallerotto, G., Askins, S., Victoria, M., Antón, I., Sala, G. A novel achromatic Fresnel lens for high concentrating photovoltaic systems. AIP Conf. Proc. , AIP Publishing. 050007(2016).
  9. Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. Solar simulator for concentrator photovoltaic systems. Opt. Express. 16, 14894(2008).
  10. Victoria, M., Askins, S., Herrero, R., Antón, I., Sala, G. Assessment of the optical efficiency of a primary lens to be used in a CPV system. Solar Energy. 134, 406-415 (2016).
  11. Domínguez, C., Antón, I., Sala, G., Askins, S. Current-matching estimation for multijunction cells within a CPV module by means of component cells: Current-matching estimation for MJ cells within a concentrator. Prog. Photovolt. Res. Appl. 21, 1478(2013).
  12. Askins, S., Victoria, M., Herrero, R., Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. Effects of Temperature on Hybrid Lens Performance. AIP Conf. Proc. , AIP Publishing. 57-60 (2011).
  13. Vallerotto, G., Askins, S., Victoria, M., Antón, I., Sala, G. Experimental Characterization of Achromatic Doublet on Glass (ADG) Fresnel Lenses. AIP Conf. Proc. , AIP Publishing. (2017).

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Wydajno optycznasymulator solarnywieloz czowe ogniwa s onecznekamera CCDsymulacja ledzenia promienicharakterystyka soczewki
Wewnętrzna eksperymentalna ocena wydajności i plamki natężenia promieniowania soczewki Fresnela z achromatycznym dubletem na szkle (ADG) do koncentracji fotowoltaiki
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.