玻璃上的无色双峰 (ADG) 菲涅尔透镜利用两种不同色散的材料来减少色差, 增加可达到的浓度。本文给出了 ADG 菲涅耳透镜的完整特性的一个协议。
我们提出一种方法来表征消色差菲涅尔透镜的光伏应用。玻璃上的无色双峰 (ADG) 菲涅尔透镜由两种材料组成, 一种是塑料, 一种是弹性体, 其色散特性 (折射率随波长变化) 不同。本文首先设计了透镜的几何形状, 然后利用蒙特卡罗方法进行了射线追踪模拟, 从光学效率和最大可达到浓度两个角度分析了其性能。之后, ADG 菲涅耳透镜原型是用一种简单可靠的方法制造的。它包括一个预先注塑的塑料部件和一个连续的层压, 连同弹性体和玻璃基板制造的 ADG 菲涅耳透镜的实木复合地板。使用光学显微镜对制造的透镜轮廓的精确度进行了检验, 同时利用聚光光伏系统的太阳模拟器对其光学性能进行了评估。该模拟器由一个氙气闪光灯组成, 其发射光由抛物面镜反射。准直光有一个光谱分布和一个角孔径类似于真正的太阳。我们能够评估 ADG 菲涅耳透镜的光学性能, 用电荷耦合器件 (CCD) 相机拍摄透镜的辐照光斑, 并测量多种类型的多连接 (MJ) 太阳能产生的光电流。细胞, 以前的特点是在太阳能模拟器的聚光太阳能电池。这些测量显示了 ADG 菲涅尔透镜的消色差行为, 因此, 模型和制造方法的适用性。
聚光光伏 (CPV) 是降低阳历电成本的一种很有前途的技术, 因为这种技术可以利用先进的多结点 (MJ) 太阳能电池的效率迅速提高。这些设备由几个 sub-cells (通常三名为顶部, 中间, 和底部), 其中每一个是由一个不同的半导体化合物组成。每个细胞都有不同的带隙, 从而产生不同的光谱响应, 使得每一个都能将一个不同的太阳谱部分转换成电能。通过这种方式, MJ 太阳能电池能够利用广泛的太阳光谱 (通常是 300-1800 nm), 在聚光光1下达到高于46% 的效率值。为了弥补这种光伏器件的高成本, 光学系统被用来将辐照度集中在它们上, 从而降低了最终的系统成本。目前, 大多数商用高浓度光伏 (HCPV) 系统都是基于 silicone-on-glass 的混合菲涅尔透镜2。在所有的折射光学系统中, 色差是最严重降低透镜性能的因素, 其最大可达到的浓度为3 (即最小光点面积)。利用无色透镜, 即具有高度降低色差的透镜, 可以显著增加可达到的最大浓度, 而无需任何额外的光学元件 (称为二次光学元件4,5)。
无色透镜的设计 (通常被称为消色差双峰, 因为他们是捏造的耦合两种材料不同的色散特性), 是众所周知的第十八21世纪以来。传统的消色差双是由两个不同的玻璃组成: 第一个被称为冠, 有低色散, 而第二个被称为燧石和高分散。然而, 这类眼镜的总成本及其加工使它们无法承受 HCPV 系统的负担。Languy 和合著人提出了一种由两种塑料组成的 CPV 的消色差双峰: 聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 和聚碳酸酯 (PC)6。在本文中, 对不同配置及其优点进行了比较分析, 但不解决高生产时的可制造性和可伸缩的问题。
ADG 菲涅尔透镜在这里被设计了, 在这样方式那光在某一短的波长 (“蓝色” 光) 和某一长的波长 (“红色” 光) 有确切地同样焦距距离。有关标准消色差双峰的设计方法的详细信息, 可在其他7中找到。为了证明用 ADG 菲涅耳透镜代替传统的菲涅尔透镜得到的改进, 进行了若干射线追踪模拟。在4中提供了有关所得结果的详细报告。最重要的结果是, 当取代传统的 ADG 菲涅尔透镜的菲涅尔透镜, 可达到的浓度增加约三倍, 同时保持相同的光学效率。此外, 由于为获得 ADG 而设想的制造过程8非常类似于用于制造棱镜透镜的工艺, 因此在不显著增加成本的情况下, 将获得浓度的增加。
在这里, 我们提出了一个协议来执行一个综合表征的聚光器, 包括一个折射主透镜, 我们将此协议应用于传统的菲涅尔透镜 (用作基准) 和几个 ADG 菲涅尔透镜原型。为此, 我们使用了一个用于 CPV 的太阳模拟器。对模拟器及其所有组件及其操作原理的详细描述已在其他地方9中介绍。
提出的 ADG 菲涅耳透镜特性的方法包括两个不同的程序: 第一种是利用太阳能电池作为光传感器, 第二个是基于 CCD 摄像机。
采用太阳电池为基础的程序, 用不同的菲涅尔透镜作为聚光器测量了 MJ 太阳能电池产生的光电流。正如协议中所描述的, CPV 太阳能模拟器利用了一种在抛物面镜上反射的氙气闪光灯。这样的镜子在测量平面上产生一个准直光束 (与透镜孔径重合)。由于镜面制造公差和表面粗糙度, 测量平面上的准直光不均匀。太阳模拟器所产生的辐照度的不均匀性是我们实验测量10的主要误差源。由于大透镜将辐照度在测量平面上与大面积相结合, 因此由于不均匀而导致的误差取决于透镜的大小。太阳模拟器为 CPV 系统使用在太阳能学院获得了均匀性优于±5% 为 3×3 cm 光学9。对于在这里测试的 ADG 菲涅耳透镜, 其光学孔径为40×40 毫米, 不均匀性对测量的影响可能是至关重要的。为了减少这种不确定性, 在进行任何实验之前, 参考透镜是重新的。此外, 在进行这些测量时, 最重要的是要特别小心在细胞和镜头的对准。事实上, 太阳能电池必须精确地放在透镜所投射的光斑的中心位置, 以避免错位, 因为如果使用了不良的初始定位, 就会改变由于离焦而产生的光电流减少。另一个可能发生的错误是, 由前金属化网格的不同遮蔽因素 (MJ 太阳能电池作为传感器使用, 使用均匀的辐照度进行校准, 但在测量过程中, 透镜在其上投射高斯形状的轮廓)。为了确保金属化不会影响实验结果, 有必要进行几项测量, 以取代透镜, 并作为一个结果, 在接收面上的光点。如果在轻微移动光斑时, 测量到的光电流变化很大, 这意味着金属化网格会影响测量。
还有其他方法可以测量主透镜的光学效率,例如,使用热辐照传感器, 如热电10。这种方法的主要缺点是, 对于任何闪光光源, 热敏传感器的响应速度太慢。因此, 它只能用于室外测量 (对辐照度和其他天气条件的光谱分布非常敏感)。利用所提出的方法, 避免了这种局限性。
此外, 利用太阳能电池为基础的程序, 也可以获得的光斑大小的镜头投。要做到这一点, photocurrents 产生的几个 MJ 太阳能电池相同的类型和不同的, 但相似的大小需要测量。对于大小小于透镜所投射的光斑的细胞, 当细胞表面因光溢出细胞而减少时, 所测量的光电流就会减小。反之, 光电流保持不变的 MJ 太阳能电池的大小大于光斑, 因为无论是细胞表面, 所有的光传输的镜头到达太阳能电池。因此, 光斑的大小等于达到最大效率的最小单元格的大小。对于这种方法, 太阳电池使用的数量越多, 分辨率就越高。
由于一套适合进行所述测量的太阳能电池不总是可用的, 因此提出了 CCD 摄像程序来测量光斑尺寸。由于 CCD 传感器的广泛动态范围, 使用相机拍摄的光点照片, 可以准确地比较峰值和山谷值。为了计算辐照度的绝对值, 需要对整个装置进行校准, 包括过滤器和 CCD 摄像机。然而, 从照片中, 可以将光照区域与图像上的暗区隔开, 从而估计出光斑大小。该技术的主要缺点是 CCD 传感器与 MJ 太阳能电池之间的频谱不匹配, 以及由太阳模拟器生成的准直光束所产生的光源噪声。关于第一个问题, 通过向 CCD 摄像机添加热镜或冷镜像, 可以获得与顶部和中间 sub-cells 非常相似的光谱响应 (请参见图 6)。此外, 为了限制背景噪声, 必须完全变暗的 CPV 模拟器的会议厅。由于几乎不可能完全避免外部光源, 图像处理是非常重要的, 必须得到良好的编程。最关键的步骤是消除背景噪声。噪声过滤可以部分自动化, 但是, 由于与外部因素的强的依赖性是几乎不可预知的, 每个被处理的图象经历一个视觉检查。
CCD 程序可以用来获得光点大小的演变, 作为一个透镜温度的功能, 加入到系统的一个热室, 其中的透镜被放置。在这种情况下, 除了先前描述的误差源外, 透镜温度测量也会产生不确定性。控制热电偶 (直接连接到计算机的那个) 不代表真实的透镜温度, 因为传感器被安置在热室的点关闭, 但没有直接地连接到被测量的透镜。因此, 用这种热电偶测量的温度是透镜周围环境的平均温度, 它不一定与实际的透镜温度相符。这就是为什么把每个镜头连接到一个独立的热电偶是建议。然而, 有可能是一个温度梯度之间的不同点的镜头。为了量化这种不确定性, 一旦热室达到预期的温度, 并在执行任何测量, 最好等待15-20 分钟, 让系统温度变得尽可能均匀。
The authors have nothing to disclose.
这项工作得到了西班牙经济和竞争力部在 Acromalens 项目 (ENE2013-45229-P) 的部分支持, 并得到了欧洲联盟在项目 CPV 的2020期研究和创新计划的资助。根据授予协议640873的匹配。
HELIOS 3030 SOLAR SIMULATOR | SAV | ||
HELIOS 3030 SOFTWARE | SAV | ||
HELIOS 3198 CPV SOLAR SIMULATOR | SAV | ||
HELIOS 3198 SOFTWARE | SAV | ||
3-AXES AUTOMATED POSITIONING PLATFORM | Zaber tech. | T-LSR75A | Catalog number corresponds to the device controlling lens movements with high precision in one axis of the xyz control. |
3-AXES AUTOMATED POSITIONING PLATFORM | Zaber tech. | T-LSM200A | Catalog number corresponds to the device controlling lens movements with high precision in one axis of the xyz control. |
3-AXES AUTOMATED POSITIONING PLATFORM | Zaber tech. | T-LSM200A | Catalog number corresponds to the device controlling lens movements with high precision in one axis of the xyz control. |
Zaber Console 1.4.7. | Zaber tech. | Software provided by Zaber tech. able to control the automatic postionig platfomr from the computer | |
Dichroic filters | Edmund optics | hot and cold mirrors | |
Neutral filters | Edmund optics | ||
Silicone on Glass Fresnel lens | Manufactured by Fraunhofer ISE. | ||
Achromatic Doublet on Glass Fresnel lens | Manufactured at the Solar Energy Institute | ||
Multi Junction solar cells | |||
Charged Coupled Device camera | Qimaging | ||
Qcapture, CCD camera controlling software | Qimaging | ||
Thermal Chamber | Designed and manufactured at the IES | ||
TC-720, thermal chamber controlling software |