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

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.