Name: Wewnętrzna eksperymentalna ocena wydajności i plamki natężenia promieniowania soczewki Fresnela z achromatycznym dubletem na szkle (ADG) do koncentracji fotowoltaiki (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-10-27T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min
Description: Poznaj metodę oceny soczewki Fresnela ADG do fotowoltaiki koncentracyjnej, mierzącą sprawność transmisji i zdolność koncentracji światła. Technika ta pozwala określić wydajność optyki w systemach fotowoltaicznych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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.

<ol><li>Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E. D. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pip.2855/abstract">Solar cell efficiency tables (version 49).</a> Prog. Photovolt. Res. Appl. 25, 3-13 (2016).</li>
<li>Lorenzo, E., Sala, G. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLorenzo%2C+E+%22Sun+II%22">Sun II</a>. , 536-539 (1979).</li>
<li>Victoria, M. <a target="_blank" href="http://oa.upm.es/30443/">New Concepts and Techniques for the Development of High-Efficiency Concentrating Photovoltaic Modules</a>. , E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). (2014).</li>
<li>Vallerotto, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+modeling+of+a+cost-effective+achromatic+Fresnel+lens+for+concentrating+photovoltaics%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Design and modeling of a cost-effective achromatic Fresnel lens for concentrating photovoltaics.</a> Opt. Express. 24, A1245(2016).</li>
<li>Victoria, M., Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparative+analysis+of+different+secondary+optical+elements+for+aspheric+primary+lenses%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Comparative analysis of different secondary optical elements for aspheric primary lenses.</a> Optics Express. 17, 6487-6492 (2009).</li>
<li>Languy, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Flat+Fresnel+doublets+made+of+PMMA+and+PC%3A+combining+low+cost+production+and+very+high+concentration+ratio+for+CPV%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Flat Fresnel doublets made of PMMA and PC: combining low cost production and very high concentration ratio for CPV.</a> Opt. Express. 19, Suppl 3. A280(2011).</li>
<li>Hecht, E. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aHecht%2C+E+%22Optics%2C+Third+Edition%22">Optics, Third Edition</a>. , Addison Wesley Longman, Inc. (1998).</li>
<li>Vallerotto, G., Askins, S., Victoria, M., Antón, I., Sala, G. A novel achromatic Fresnel lens for high concentrating photovoltaic systems. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aVallerotto%2C+G+%22AIP+Conf.+Proc%22">AIP Conf. Proc</a>. , AIP Publishing. 050007(2016).</li>
<li>Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Solar+simulator+for+concentrator+photovoltaic+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Solar simulator for concentrator photovoltaic systems.</a> Opt. Express. 16, 14894(2008).</li>
<li>Victoria, M., Askins, S., Herrero, R., Antón, I., Sala, G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X16301104">Assessment of the optical efficiency of a primary lens to be used in a CPV system.</a> Solar Energy. 134, 406-415 (2016).</li>
<li>Domínguez, C., Antón, I., Sala, G., Askins, S. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/pip.2227/abstract">Current-matching estimation for multijunction cells within a CPV module by means of component cells: Current-matching estimation for MJ cells within a concentrator.</a> Prog. Photovolt. Res. Appl. 21, 1478(2013).</li>
<li>Askins, S., Victoria, M., Herrero, R., Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. Effects of Temperature on Hybrid Lens Performance. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAskins%2C+S+%22AIP+Conf.+Proc%22">AIP Conf. Proc</a>. , AIP Publishing. 57-60 (2011).</li>
<li>Vallerotto, G., Askins, S., Victoria, M., Antón, I., Sala, G. Experimental Characterization of Achromatic Doublet on Glass (ADG) Fresnel Lenses. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aVallerotto%2C+G+%22AIP+Conf.+Proc%22">AIP Conf. Proc</a>. , AIP Publishing. (2017).</li>
</ol>

Nie mamy nic do ujawnienia.

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.

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.

<table><tbody><tr><td>HELIOS 3030 SYMULATOR SŁONECZNY</td><td>SAV</td><td></td><td></td></tr><tr><td>HELIOS 3030 OPROGRAMOWANIE</td><td>SAV</td><td></td><td></td></tr><tr><td>HELIOS 3198 CPV SYMULATOR SŁONECZNY</td><td>SAV</td><td></td><td></td></tr><tr><td>HELIOS 3198 OPROGRAMOWANIE</td><td>SAV</td><td></td><td></td></tr><tr><td>3-OSIOWA ZAUTOMATYZOWANA PLATFORMA POZYCJONOWANIA</td><td>Zaber tech.</td><td>T-LSR75A</td><td>Numer katalogowy odpowiada urządzeniu sterującemu ruchami obiektywu z dużą precyzją w jednej osi sterowania xyz.</td></tr><tr><td>3-OSIOWA ZAUTOMATYZOWANA PLATFORMA POZYCJONUJĄCA</td><td>Zaber tech.</td><td>Numer katalogowy T-LSM200A</td><td>odpowiada urządzeniu sterującemu ruchami obiektywu z dużą precyzją w jednej osi sterowania xyz.</td></tr><tr><td>3-OSIOWA ZAUTOMATYZOWANA PLATFORMA POZYCJONUJĄCA</td><td>Zaber tech.</td><td>Numer katalogowy T-LSM200A</td><td>odpowiada urządzeniu sterującemu ruchami obiektywu z dużą precyzją w jednej osi sterowania xyz.</td></tr><tr><td>Konsola Zaber 1.4.7.</td><td>Technologia Zaber.</td><td></td><td>Oprogramowanie dostarczone przez Zaber tech. w stanie sterować automatyczną platformą pozycjonowania z komputera Filtry</td></tr><tr><td>dichroiczne</td><td>Edmund optyka</td><td></td><td>gorące i zimne lustra</td></tr><tr><td>Filtry neutralne</td><td>Optyka</td><td></td><td></td>Edmund</tr><tr><td>Silikon na szkle Soczewka</td><td></td><td></td> Fresnela <td>Wyprodukowana przez Fraunhofer ISE.</td></tr><tr><td>Achromatyczny dublet na szklanej soczewce</td><td></td><td></td><td>Fresnela Wyprodukowano w Instytucie Energii Słonecznej</td></tr><tr><td>Multi Junction ogniwa</td><td></td><td></td><td></td>słoneczne</tr><tr><td>Naładowane urządzenie Kamera</td><td>Qimaging Qcapture</td><td></td><td></td></tr><tr><td>, oprogramowanie sterujące kamerą CCD</td> Komora termiczna <td>Qimaging</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Zaprojektowany</td><td></td><td></td><td>i wyprodukowany w IES</td></tr><tr><td>TC-720, oprogramowanie</td><td></td><td></td><td></td> sterujące komorą termiczną</tr></tbody></table>

wewnętrzna eksperymentalna ocena wydajności i plamki natężenia promieniowania soczewki fresnela z achromatycznym dubletem na szkle (adg) do koncentracji fotowoltaiki

Indoor Experimental Assessment of the Efficiency and Irradiance Spot of the Achromatic Doublet on Glass (ADG) Fresnel Lens for Concentrating Photovoltaics

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.

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.
<img alt="Tabela porównawcza soczewek Fresnela; średnica plamki w zależności odległości soczewki od odbiornika dla precyzji optycznej." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56269/56269fig7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 7"> 
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. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56269/56269fig7large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.</a>
<img alt="ogniwo słoneczne 3 mm, wykres zależności względnego odległości ogniwa od soczewki od znormalizowanego prądu świetlnego, przedstawiający dane SoG i ADG." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56269/56269fig8v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 8"> 
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. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56269/56269fig8large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wykres porównujący średnicę względną w funkcji temperatury dla SoG oraz ADG w górnych i środkowych podogniwach." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56269/56269fig9.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 9"> 
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. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/56269/56269fig9large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.</a>

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.

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

We present a method to characterize achromatic Fresnel lenses for photovoltaic applications. The achromatic doublet on glass (ADG) Fresnel lens is ...

Ogólnym celem tej metody jest ocena wydajności dubletu achromatycznego na szklanej soczewce Fresnela jako nowej optyki dla systemów koncentracyjnych ogniw fotowoltaicznych. Metoda ta pozwala określić zarówno sprawność transmisyjną optyki, jak i jej zdolność do koncentracji poprzez pomiar wielkości plamki rzucanej przez soczewkę. Ocena optyki jest przeprowadzana poprzez pomiar stopnia koncentracji światła na wielozłączowych ogniwach słonecznych.Urządzenia te przekształcają w energię elektryczną promieniowanie o szerokim pasmie widmowym. W koncentracyjnej fotowoltaice aberracja chromatyczna ogranicza maksymalne możliwe skupienie przy użyciu refrakcyjnego elementu głównego. Ograniczenie to zostaje wyeliminowane dzięki zastosowaniu zaprojektowanego przez nas achromatycznego dubletu na szklanej soczewce Fresnela.Konstrukcja obejmuje dwa różne materiały, tworzywo sztuczne oraz elastomer, o różnej dyspersji. Oznacza to, że zmiana współczynnika załamania światła jest funkcją długości fali. Niekosztowny proces produkcji obejmuje laminowanie obu materiałów na podłożu szklanym w celu uzyskania układu soczewek w formie parkietu.Do każdego pomiaru jako punkt odniesienia wykorzystuje się silikonową soczewkę Fresnela na szkle. Do przeprowadzenia pomiarów użyto symulatora słonecznego dla koncentracyjnych ogniw słonecznych Helios 3030 firmy Solar Added Value. Urządzenie to umożliwia pomiar ogniw słonecznych MJ przy skoncentrowanym świetle o natężeniu 1 000 słońc z kontrolowanym widmem.Umieść górny, środkowy i dolny izotypy referencyjne w symulatorze słonecznym wraz z ogniwem słonecznym przeznaczonym do pomiaru. Rozmieść je jak najbliżej siebie, aby zredukować błędy wynikające z niejednorodnego oświetlenia w płaszczyźnie pomiarowej. Następnie dostosuj wysokość lampy błyskowej, aby osiągnąć pożądany poziom koncentracji.Dodaj niezbędne filtry w celu dostosowania rozkładu spektralnego. Następnie podłącz izotypy oraz komórkę do pomiaru do karty akwizycji danych symulatora słonecznego. Otwórz oprogramowanie sterujące i wybierz poziom natężenia promieniowania, przy którym zarówno górny, jak i środkowy izotyp wskazują dokładnie ten sam poziom natężenia promieniowania.Służy to potwierdzeniu, że pomiar ogniwa odbywa się przy docelowym poziomie stężenia i widmie. Następnie należy uruchomić symulator, aby rozpocząć test charakterystyki prądowo-napięciowej (IV). Dla każdego punktu zdefiniowanego w pliku tekstowym urządzenie polaryzuje ogniwo pod pożądanym napięciem, wyzwala błysk i mierzy prąd generowany przez ogniwo słoneczne.Powtórz ten proces dla różnych poziomów stężeń, aby sprawdzić, czy prąd światła generowany przez ogniwo zmienia się liniowo wraz ze stężeniem, co potwierdzi niezawodność skalibrowanego ogniwa słonecznego jako czujnika światła do charakteryzacji soczewek. Zamontuj zautomatyzowaną platformę pozycjonującą w trzech osiach wewnątrz komory ciemni symulatora słonecznego dla systemów fotowoltaicznych z koncentratorem. Następnie zamocuj ogniwo słoneczne w ruchomym uchwycie platformy w taki sposób, aby możliwe było sterowanie jego pozycją wzdłuż osi X, Y i Z, a następnie podłącz je do płyty akwizycji danych.Następnie należy oczyścić soczewkę przeznaczoną do pomiaru i umieścić ją na stałym wsporniku zamontowanym na zautomatyzowanej platformie pozycjonującej. Za pomocą ruchomej platformy należy wycentrować ogniwo słoneczne względem soczewki i ustawić je w optymalnej odległości ogniskowej. Następnie należy użyć spektroheliometru zawierającego trzy ogniwa izotypowe w tubusach kolimacyjnych, aby ocenić warunki widmowe podczas pomiaru.Zamknij kurtynę symulatora, aby zablokować wszystkie zewnętrzne źródła światła. Otwórz oprogramowanie sterujące symulatorem słonecznym i naciśnij przycisk Light pulse, aby uruchomić lampę błyskową ksenonową. Następnie, przyjmij prąd generowany przez ogniwo słoneczne jako wartość pomiarową w momencie, gdy izotypy górna i środkowa wskażą dokładnie ten sam poziom natężenia promieniowania.Utwórz plik tekstowy zawierający kilka wartości odległości soczewki od komórki w otoczeniu wartości optymalnej i powtórz pomiar dla każdej z tych pozycji. Powtórz wszystkie pomiary, zastępując achromatyczny dublet na szklanej soczewce Fresnela soczewką Fresnela z silikonu na szkle, która będzie służyć jako referencja. Na tej samej zautomatyzowanej platformie pozycjonującej trójosiowej, która była używana wcześniej, zamontuj kamerę CCD.Wybierz optymalną odległość ogniskową. Przesuń uchwyt tak, aby plamka światła znajdowała się mniej więcej w centrum sensora CCD. Następnie zastosuj filtr krótkoprzepustowy, aby zablokować światło o długości fali powyżej 650 nanometrów.W ten sposób rejestrowane będzie tylko to światło, które zostanie przekształcone w energię elektryczną przez górny podogniwko w wielozłączowej ogniwie słonecznym. Uruchom lampę błyskową ksenonową i zsynchronizuj kamerę CCD, aby wykonać zdjęcie plamki świetlnej rzutowanej przez soczewkę. Przetwórz zdjęcie, aby wybrać obszar obejmujący plamkę, a następnie oblicz centroid plamki natężenia promieniowania.Oblicz średnicę plamki świetlnej rzutowanej przez soczewkę. Jest ona definiowana jako średnica koła zawierającego 95% światła docierającego do sensora kamery CCD. Następnie wykonaj jedno zdjęcie dla każdej pozycji wokół optymalnej odległości ogniskowej, która została zdefiniowana wcześniej.Powtórz pomiary z użyciem filtra krótkoprzepustowego, aby zablokować światło o długości fali krótszej niż 650 nanometrów. W tym przypadku rejestrowane będzie tylko światło przekształcane w energię elektryczną przez środkowy podogniwo w wielozłączowej ogniwie słonecznym. Poprzednie pomiary można powtórzyć, umieszczając badaną soczewkę w komorze termicznej umożliwiającej kontrolowanie jej temperatury.Ścianka komory musi być przezroczysta dla wszystkich interesujących nas długości fal. Znormalizowane wartości prądu generowanego przez ogniwo słoneczne podczas oświetlania go za pomocą achromatycznego dubletu na szkle lub soczewki Fresnela z silikonu na szkle zostały przedstawione jako funkcja względnej odległości soczewki od ogniwa. Dzięki swojej konstrukcji achromatyczny dublet na szkle wykazuje większą tolerancję na przesunięcie soczewki z jej optymalnej pozycji wzdłuż osi optycznej.Ewolucja średnicy plamki odpowiadającej górnej i środkowej podogniwie w wielozłączowym ogniwie słonecznym została przedstawiona jako funkcja odległości soczewki od odbiornika dla obu soczewek. Przesunięcie krzywych w próbce silikonu na szkle wynika z aberracji chromatycznej. Ponieważ współczynnik załamania dla krótkich długości fal jest wyższy, punkt ogniskowania dla światła niebieskiego znajduje się bliżej soczewki.Z kolei w przypadku soczewki achromatycznej położenie minimum plamki dla światła niebieskiego pokrywa się dokładnie z minimum plamki dla światła czerwonego, co potwierdza achromatyczną charakterystykę soczewki. Powiększenie plamki świetlnej wynikające ze zmienności temperatury dla soczewki silikonowej na szkle jest większe niż w przypadku soczewki achromatycznej. W warunkach eksploatacji na zewnątrz, przy silnych wahaniach temperatury, zastosowanie soczewki achromatycznej zapewniłoby większą stabilność pracy systemu.Po opanowaniu, technika ta pozwala na pełną charakterystykę w warunkach laboratoryjnych elementów optycznych do zastosowań w koncentratorach fotowoltaicznych, takich jak soczewki główne lub lustra główne. Achromatyczny dublet na szklanej soczewce Fresnela opracowany w Solar Energy Institute został w pełni scharakteryzowany zgodnie z proponowanym protokołem. Zmierzono zarówno sprawność optyczną, jak i rozmiar plamki.Stosując tę metodę, udało nam się eksperymentalnie wykazać achromatyczne zachowanie soczewki ADG, jej większą tolerancję na przesunięcie względem optymalnej odległości ogniskowej oraz mniejszą wrażliwość na zmiany temperatury.

indoor-experimental-assessment-efficiency-irradiance-spot-achromatic

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Wyprodukowano zintegrowane urządzenie, zawierające barwnikowe ogniwo słoneczne i jednostkę do konwersji w górę anihilacji trypletowo-trypletowej, co pozwoliło na lepsze zbieranie światła z szerszego wycinka spektrum słonecznego. Przy umiarkowanych poziomach napromieniowania wykazano znacznie zwiększoną reakcję na fotony o niskiej energii, co przyniosło rekordową wartość dla ogniw słonecznych wrażliwych na barwnik.

Integracja systemu konwersji w górę anihilacji triplet-triplet w celu zwiększenia wrażliwości barwnika ogniwa słonecznego na światło sub-pasmo wzbronione

Siarczek cyny (SnS) jest materiałem kandydującym na nietoksyczne ogniwa słoneczne występujące w dużych ilościach na Ziemi. Tutaj demonstrujemy procedurę wytwarzania ogniw słonecznych SnS wykorzystującą osadzanie warstw atomowych, które daje 4,36% certyfikowaną sprawność konwersji energii, oraz parowanie termiczne, które daje 3,88%.

Wytwarzanie rekordowo wydajnych ogniw słonecznych SnS metodą termicznego odparowywania i osadzania warstw atomowych

Pokazano wytwarzanie siatek o wysokim kontraście jako elementu dyspersyjnego rozdzielającego równoległe spektrum w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym. Opisano procesy wytwarzania, w tym litografię nanoimprint, rozpylanie TiO2 i reaktywne trawienie jonowe. Wyniki pomiarów współczynnika odbicia służą do scharakteryzowania parametrów optycznych.

Wykonanie siatek o wysokim kontraście dla elementu dyspersyjnego rozdzielającego widmo w skoncentrowanym systemie fotowoltaicznym

Opisana jest realna metodologia oparta na druku transferowym, mająca na celu wprowadzenie plazmonicznych nanostruktur metalowych do ogniw słonecznych.  Wykorzystując nanofilarowe stemple poli(dimetylosiloksanowe), uporządkowany układ nanodysków oparty na Ag zintegrowano ze standardowymi uwodornionymi mikrokrystalicznymi ogniwami słonecznymi Si, co doprowadziło do poprawy wydajności urządzenia dzięki plazmonicznemu pułapkowaniu światła.

Integracja nanostruktur srebra zatrzymujących światło w uwodornionych mikrokrystalicznych krzemowych ogniwach słonecznych za pomocą druku transferowego

Tutaj prezentujemy protokół wytwarzania organicznych cienkich warstw ogniw słonecznych za pomocą powlekarki z matrycą mini-szczelinową oraz powiązane charakterystyki struktury w linii produkcyjnej za pomocą technik rozpraszania synchrotronowego.

Drukowanie, produkcja masowych heterozłączowych ogniw słonecznych i charakterystyka morfologii in situ

Ten protokół opisuje syntezę i osadzanie roztworu nieorganicznych nanokryształów warstwa po warstwie w celu wytworzenia cienkiej warstwy elektroniki na powierzchniach nieprzewodzących. Atramenty stabilizowane rozpuszczalnikiem mogą wytwarzać kompletne urządzenia fotowoltaiczne na podłożach szklanych poprzez powlekanie wirowe i natryskowe po wymianie ligandów i spiekaniu po osadzaniu.

Produkcja w pełni przetworzonych w roztworze nieorganicznych nanokrystalicznych urządzeń fotowoltaicznych

Zaprojektowano i zbudowano dwie konfiguracje 'Combined Stress test with in situ', które pozwalają na monitorowanie w czasie rzeczywistym przyspieszonej degradacji ogniw słonecznych i modułów. Konfiguracje te pozwalają na jednoczesne wykorzystanie wilgotności, temperatury, odchyleń elektrycznych i oświetlenia jako niezależnie kontrolowanych czynników stresowych. Przedstawiono konfiguracje i różne przeprowadzone eksperymenty.

In Situ Monitorowanie przyspieszonej degradacji wydajności ogniw i modułów słonecznych: studium przypadku ogniw słonecznych Cu(In,Ga)Se2

Z energią słoneczną jako siłą napędową, opracowano i eksperymentalnie zbadano nowatorski adsorpcyjny system chłodzenia. Para wodna i zeolit tworzyły parę roboczą układu adsorpcyjnego. Manuskrypt ten opisuje konfigurację stanowiska doświadczalnego, procedurę operacyjną i ważne wyniki.

Eksperymentalny system chłodzenia adsorpcyjnego z kolektorem skoncentrowanym

Ten artykuł jest demonstracją i wskazówką do przeprowadzenia i analizy wewnętrznych (z laboratoryjnym przyrządem rentgenowskim) eksperymentów in situ GISAXS dotyczących suszenia farb na niefulerenowych organicznych fotowoltaikach z rolki na rolkę.

Częstość występowania in situ Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego pod małym kątem na powłoce organicznych ogniw słonecznych z rolki na rolkę z laboratoryjnym oprzyrządowaniem rentgenowskim

W tym protokole przedstawiamy elementy projektu koncepcyjnego i rozwój strukturalny aparatu do pomiaru ostrości olśnienia. Dodatkowo opisano konstrukcję urządzenia do pomiaru dodatnich dysfotopsji (aureole, szprychy) oraz dwupunktowych progów świetlnych.

Pomiar behawioralnych skutków rozproszenia wewnątrzgałkowego

Ten protokół opisuje budowę taniego, dyskretnego, sprzężonego światłowodami i z przestrzenią powietrzną etalonowego Fabry'ego-Perota z różnymi zastosowaniami, takimi jak spektroskopia gazów śladowych. Produkcja jest możliwa w każdym obiekcie, w którym dostępny jest standardowy optyczny sprzęt laboratoryjny.

Wytwarzanie taniego, sprzężonego z włóknami i rozmieszczonego powietrznie etalonu Fabry-Pérot

Poznaj metodę oceny soczewki Fresnela ADG do fotowoltaiki koncentracyjnej, mierzącą sprawność transmisji i zdolność koncentracji światła. Technika ta pozwala określić wydajność optyki w systemach fotowoltaicznych.

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

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

Przeglądaj więcej filmów