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 achromatycznego dubletu na szklanej soczewce Fresnela jako nowej optyki do koncentracji systemów fotowoltaicznych. Metoda pozwala na określenie zarówno sprawności transmisji optyki, jak i jej zdolności koncentracji poprzez pomiar wielkości plamki rzucanej przez soczewkę. Ocena optyki odbywa się poprzez pomiar, jak dobrze koncentruje ona światło na wielozłączowych ogniwach słonecznych.

Urządzenia te przekształcają promieniowanie elektryczne w promieniowaniu elektrycznym w szerokim paśmie spektralnym. W skoncentrowanych ogniwach fotowoltaicznych aberracja chromatyczna zmniejsza maksymalne osiągalne stężenie przy zastosowaniu refrakcyjnego elementu pierwotnego. Tego ograniczenia można uniknąć, stosując zaprojektowany przez nas achromatyczny dublet na szkle Fresnela.

Konstrukcja obejmuje dwa różne materiały, tworzywo sztuczne i elastomer, o różnej dyspersji. Oznacza to, że zmiana współczynnika załamania światła jest funkcją długości fali. Niedrogi proces produkcyjny obejmuje laminowanie obu materiałów na szklanym podłożu w celu uzyskania parkietu soczewek.

Do każdego pomiaru jako punkt odniesienia używana jest silikonowa soczewka Fresnela na szkle. Do wykonania pomiarów wykorzystano symulator słoneczny dla koncentratorów ogniw słonecznych Helios 3030 firmy Solar Added Value. To urządzenie jest w stanie zmierzyć ogniwo słoneczne MJ w skoncentrowanym świetle 1000 słońc o kontrolowanym widmie.

Umieść górne, środkowe i dolne izotypy odniesienia w symulatorze słonecznym wraz z mierzonym ogniwem słonecznym. Umieść je jak najbliżej siebie, aby zmniejszyć błędy wynikające z nierównomiernego oświetlenia na płaszczyźnie pomiarowej. Następnie wyreguluj wysokość lampy błyskowej, aby osiągnąć żądany poziom stężenia.

Dodaj niezbędne filtry, aby dostosować rozkład widmowy. Następnie podłącz izotypy i komórkę, która ma być mierzona, do płytki akwizycji danych symulatora słonecznego. Otwórz oprogramowanie sterujące i wybierz poziom natężenia promieniowania, gdzie zarówno górny, jak i środkowy izotyp wskazują dokładnie ten sam poziom natężenia promieniowania.

Ma to na celu potwierdzenie, że ogniwo jest mierzone w docelowym poziomie stężenia i widmie. Następnie uruchom symulator, aby rozpocząć test dożylny. Dla każdego punktu zdefiniowanego w pliku tekstowym urządzenie polaryzuje ogniwo pod żądanym napięciem, wyzwala błysk i mierzy prąd generowany przez ogniwo słoneczne.

Powtórz ten proces przy różnych poziomach stężenia, aby sprawdzić, czy fotoprąd generowany przez ogniwo zmienia się liniowo wraz ze stężeniem, potwierdzając niezawodność skalibrowanego ogniwa słonecznego jako czujnika światła do charakteryzacji soczewek. Zamontuj trzyosiową zautomatyzowaną platformę pozycjonującą w ciemnej komorze symulatora słonecznego dla koncentratorowych systemów fotowoltaicznych. Następnie zamontuj ogniwo słoneczne na ruchomym uchwycie platformy w taki sposób, aby możliwe było kontrolowanie jego położenia wzdłuż osi X, Y i Z i podłącz je do płytki akwizycji danych.

Następnie wyczyść i umieść soczewkę, która ma być mierzona, na stałym wsporniku zamontowanym na automatycznej platformie pozycjonującej. Użyj ruchomej platformy, aby wyśrodkować ogniwo słoneczne w stosunku do soczewki i umieścić je w optymalnej odległości ogniskowej. Następnie użyj spektroheliometru zawierającego trzy komórki izotypowe wewnątrz probówek kolimacyjnych, aby ocenić warunki spektralne podczas pomiaru.

Zamknij kurtynę symulatora, aby zablokować wszystkie zewnętrzne źródła światła. Otwórz oprogramowanie sterujące symulatorem słonecznym i naciśnij przycisk Impuls świetlny, aby wyzwolić ksenonową lampę błyskową. Następnie określ prąd generowany przez ogniwo słoneczne jako wartość zmierzoną, gdy górny i środkowy izotyp wskazują dokładnie ten sam poziom natężenia promieniowania.

Napisz plik tekstowy z kilkoma odległościami obiektywu od komórki wokół optymalnej wartości i powtórz pomiar dla każdej pozycji. Powtórz wszystkie pomiary, zastępując achromatyczną soczewkę Fresnela podwójną na szkle soczewką Fresnela z silikonu na szkle, która będzie używana jako odniesienie. Na tej samej trzyosiowej platformie automatycznego pozycjonowania, która była wcześniej używana, zamontuj kamerę CCD.

Wybierz optymalną odległość ogniskową. Wyreguluj uchwyt, aby umieścić plamkę światła tak, aby była w przybliżeniu wyśrodkowana na czujniku CCD. Następnie dodaj filtr krótkoprzepustowy, aby zablokować światło, którego długość fali jest dłuższa niż 650 nanometrów.

W ten sposób rejestrowane będzie tylko światło, które jest przekształcane w energię elektryczną przez górną podkomórkę w wielozłączowym ogniwie słonecznym. Uruchom ksenonową lampę błyskową i zsynchronizuj kamerę CCD, aby zrobić zdjęcie plamki świetlnej wyświetlanej przez obiektyw. Przetwórz zdjęcie, aby wybrać obszar, który zawiera plamkę, i oblicz środek ciężkości plamki natężenia promieniowania.

Oblicz średnicę plamki świetlnej rzutowanej przez soczewkę. Definiuje się ją jako średnicę okręgu zawierającego 95% światła, które dociera do matrycy kamery CCD. Następnie zrób jedno zdjęcie dla każdej pozycji wokół optymalnej odległości ogniskowej, która została wcześniej zdefiniowana.

Powtórz pomiary z filtrem krótkoprzepustowym, aby zablokować światło, którego długość fali jest krótsza niż 650 nanometrów. W takim przypadku rejestrowane będzie tylko światło, które jest przekształcane w energię elektryczną przez środkową podkomórkę w wielozłączowym ogniwie słonecznym. Poprzednie pomiary można powtórzyć, umieszczając testowaną soczewkę w komorze termicznej zdolnej do kontrolowania jej temperatury.

Ściana komory musi być przezroczysta dla wszystkich długości fal będących przedmiotem zainteresowania. Znormalizowane wartości fotoprądu generowanego przez ogniwo słoneczne, gdy jest oświetlone przez achromatyczny dublet na szkle lub silikonową soczewkę Fresnela na szkle, są wykreślane jako funkcja względnej odległości soczewka-komórka. Achromatyczny dublet na szklanej soczewce dzięki swojej konstrukcji wykazuje większą tolerancję na przemieszczenie soczewki z optymalnego położenia wzdłuż osi optycznej.

Ewolucja średnicy plamki odpowiadającej górnej i środkowej podkomórce w wielozłączowym ogniwie słonecznym jest wykreślana jako funkcja odległości soczewki od odbiornika dla obu soczewek. Przemieszczone krzywe w próbce silikonu na szkle są spowodowane aberracją chromatyczną. Ponieważ współczynnik załamania światła dla krótkich fal jest wyższy, ognisko światła niebieskiego znajduje się bliżej soczewki.

I odwrotnie, w przypadku soczewki achromatycznej, położenie minimalnej plamki dla światła niebieskiego odpowiada dokładnie minimalnej plamce dla światła czerwonego, co dowodzi achromatycznego zachowania soczewki. Powiększenie plamki świetlnej, spowodowane zmianami temperatury dla soczewki silikonowej na szkle, jest większe niż w przypadku soczewki achromatycznej. W warunkach pracy na zewnątrz z dużym spadkiem temperatury, zastosowanie soczewki achromatycznej sprawi, że wydajność systemu będzie bardziej stabilna.

Po opanowaniu, technika ta pozwala na pełną charakterystykę optyki w pomieszczeniach do skoncentrowanych zastosowań fotowoltaicznych, takich jak soczewki główne lub zwierciadła główne. Opracowany w Instytucie Energii Słonecznej dublet na szkle soczewki Fresnela został w pełni scharakteryzowany przy użyciu proponowanego protokołu. Zmierzono zarówno wydajność optyczną, jak i rozmiar plamki.

Korzystając z tej metody, byliśmy w stanie eksperymentalnie wykazać achromatyczne zachowanie soczewki ADG, jej wyższą tolerancję na przemieszczenie w stosunku do optymalnej odległości ogniskowej oraz niższą wrażliwość na zmiany temperatury.