Interior avaliação Experimental da eficiência e da irradiância Spot do dubleto acromático em vidro (ADG) lente de Fresnel para concentrar a energia fotovoltaica

O objetivo geral deste método é avaliar o desempenho do dupleto acromático em uma lente Fresnel de vidro como nova óptica para concentração de sistemas fotovoltaicos. O método permite determinar tanto a eficiência de transmissão da óptica quanto sua capacidade de concentração, medindo o tamanho do ponto lançado pela lente. A avaliação da óptica é realizada medindo o quão bem ela concentra a luz em células solares de múltiplas junções.

Esses dispositivos se convertem em irradiância de eletricidade em uma ampla largura de banda espectral. Na energia fotovoltaica concentrada, a aberração cromática reduz a concentração máxima atingível ao usar o elemento primário refrativo. Essa limitação é evitada usando o gibão acromático na lente Fresnel de vidro que projetamos.

O design inclui dois materiais diferentes, um plástico e um elastômero, com dispersão diferente. Ou seja, a variação do índice de refração é uma função do comprimento de onda. O processo de fabricação barato inclui a laminação de ambos os materiais em um substrato de vidro para obter um parquet de lentes.

Para cada medição, um silicone sobre lente Fresnel de vidro é usado como referência. O simulador solar para células solares concentradoras, Helios 3030 da Solar Added Value, foi usado para realizar as medições. Este equipamento é capaz de medir a célula solar MJ sob luz concentrada de 1.000 sóis com espectro controlado.

Coloque os isotipos de referência superior, médio e inferior dentro do simulador solar junto com a célula solar a ser medida. Coloque-os o mais próximo possível para reduzir erros devido à iluminação não uniforme no plano de medição. Em seguida, ajuste a altura da lâmpada do flash para atingir o nível de concentração desejado.

Adicione os filtros necessários para ajustar a distribuição espectral. Em seguida, conecte os isotipos e a célula a ser medida à placa de aquisição de dados do simulador solar. Abra o software de controle e selecione um nível de irradiância, onde os isotipos superior e intermediário indicam exatamente o mesmo nível de irradiância.

Isso é para confirmar que a célula é medida sob o nível de concentração e espectro alvo. Em seguida, execute o simulador para iniciar o teste IV. Para cada ponto definido no arquivo de texto, o equipamento polariza a célula na tensão desejada, aciona o flash e mede a corrente gerada pela célula solar.

Repita esse processo em diferentes níveis de concentração para verificar se a fotocorrente gerada pela célula muda linearmente com a concentração, confirmando a confiabilidade da célula solar calibrada como sensor de luz para caracterização da lente. Monte a plataforma de posicionamento automatizado de três eixos dentro da câmara escura do simulador solar para sistemas fotovoltaicos concentradores. Em seguida, monte a célula solar no suporte móvel da plataforma de forma que seja possível controlar sua posição ao longo dos eixos X, Y e Z e conectá-la à placa de aquisição de dados.

Em seguida, limpe e coloque a lente a ser medida no suporte fixo montado na plataforma de posicionamento automatizado. Use a plataforma móvel para centralizar a célula solar em relação à lente e colocá-la na distância focal ideal. Em seguida, use o espectroheliômetro contendo três células de isotipo dentro de tubos de colimação para avaliar as condições espectrais durante a medição.

Feche a cortina do simulador para bloquear todas as fontes de luz externas. Abra o software que controla o simulador solar e pressione o botão Pulso de luz para acionar a lâmpada do flash de xenônio. Em seguida, determine a corrente gerada pela célula solar como o valor medido quando os isotipos superior e médio indicarem exatamente o mesmo nível de irradiância.

Escreva um arquivo de texto com várias distâncias entre a lente e a célula em torno do valor ideal e repita a medição para cada posição. Repita todas as medições, substituindo o gibão acromático na lente Fresnel de vidro pelo silicone na lente Fresnel de vidro que será usada como referência. Na mesma plataforma de posicionamento automatizado de três eixos que foi usada anteriormente, monte a câmera CCD.

Selecione a distância focal ideal. Ajuste o suporte para colocar o ponto de luz de forma que fique aproximadamente centralizado no sensor CCD. Em seguida, adicione um filtro passa-curto para bloquear a luz cujo comprimento de onda seja maior que 650 nanômetros.

Desta forma, apenas a luz que é convertida em eletricidade pela subcélula superior dentro de uma célula solar de múltiplas junções será registrada. Acione a lâmpada do flash de xenônio e sincronize a câmera CCD para tirar uma fotografia do ponto de luz projetado pela lente. Processe a fotografia para selecionar uma área que inclua o ponto e calcule o centróide do ponto de irradiância.

Calcule o diâmetro do ponto de luz projetado pela lente. É definido como o diâmetro do círculo contendo 95% da luz que atinge o sensor da câmera CCD. Em seguida, tire uma fotografia para cada posição em torno da distância focal ideal que foi definida anteriormente.

Repita as medições com o filtro passa-curto para bloquear a luz cujo comprimento de onda seja menor que 650 nanômetros. Nesse caso, apenas a luz que é convertida em eletricidade pela subcélula do meio dentro de uma célula solar de múltiplas junções será registrada. As medições anteriores podem ser repetidas colocando a lente em teste dentro de uma câmara térmica capaz de controlar sua temperatura.

A parede da câmara precisa ser transparente para todos os comprimentos de onda de interesse. Os valores normalizados da fotocorrente gerada pela célula solar, quando iluminada pelo gibão acromático no vidro ou pelo silicone na lente de Fresnel de vidro, são plotados em função da distância relativa lente-célula. O gibão acromático sobre lente de vidro mostra maior tolerância ao deslocamento da lente de sua posição ideal ao longo do eixo óptico, graças ao seu design.

A evolução do diâmetro do ponto correspondente às subcélulas superior e intermediária dentro de uma célula solar de múltiplas junções é plotada em função da distância lente-receptor para ambas as lentes. As curvas deslocadas na amostra de silicone no vidro são devidas à aberração cromática. Como o índice de refração para comprimentos de onda curtos é maior, o ponto focal da luz azul está mais próximo da lente.

Por outro lado, para a lente acromática, a posição do ponto mínimo para a luz azul corresponde exatamente ao ponto mínimo para a luz vermelha, comprovando o comportamento acromático da lente. O aumento do ponto de luz, devido à variação de temperatura para o silicone na lente de vidro, é maior do que para a lente acromática. Em condições de operação ao ar livre com forte excursão térmica, o uso da lente acromática tornaria o desempenho do sistema mais estável.

Uma vez dominada, esta técnica permite a caracterização completa de ópticas internas para aplicação fotovoltaica concentrada, como lentes primárias ou espelhos primários. O gibão acromático sobre lente de Fresnel de vidro desenvolvido no Instituto de Energia Solar foi completamente caracterizado usando o protocolo proposto. Tanto a eficiência óptica quanto o tamanho do ponto foram medidos.

Usando este método, fomos capazes de demonstrar experimentalmente o comportamento acromático da lente ADG, sua maior tolerância a um deslocamento em relação à distância focal ideal e a menor sensibilidade a uma variação de temperatura.