De Achromatische doublet op glas (ADG) Fresnel lens maakt gebruik van twee materialen met verschillende dispersie te verminderen chromatische aberratie en haalbare concentratie te verhogen. In deze paper wordt een protocol voor de volledige karakterisering van de ADG Fresnel lens gepresenteerd.
Presenteren we een methode om te karakteriseren Achromatische Fresnel lenzen voor fotovoltaïsche toepassingen. De Achromatische doublet op glas (ADG) Fresnel lens bestaat uit twee materialen, een plastic en een elastomeer, waarvan dispersie kenmerken (brekingsindex variatie met golflengte) verschillend zijn. We eerst ontworpen de geometrie van de lens en vervolgens ray-tracing simulatie, gebaseerd op de Monte Carlo methode, gebruikt voor het analyseren van de prestaties uit het oogpunt van zowel optische efficiëntie en de maximaal haalbare concentratie. Daarna, ADG Fresnel lens prototypes werden vervaardigd met behulp van een eenvoudige en betrouwbare methode. Het bestaat uit een voorafgaande injectie van plastic Spuitgietproducten en -een opeenvolgende lamineren, samen met de elastomeer en een glazen substraat te fabriceren van het parket van ADG Fresnel lenzen. De nauwkeurigheid van het profiel van de vervaardigde lens wordt onderzocht met behulp van een optische Microscoop, terwijl de optische prestaties wordt geëvalueerd met behulp van een zonne-simulator voor concentrator fotovoltaïsche systemen. De simulator is samengesteld uit een xenon flitslamp waarvan uitgestraalde licht wordt weerspiegeld door een parabolische spiegel. De collimated light heeft een spectrale verdeling en een hoekige diafragma vergelijkbaar met de echte zon. We waren in staat om te beoordelen van de optische prestaties van de ADG Fresnel lenzen door het nemen van foto’s van de bestralingssterkte ter plaatse gegoten door de lens met behulp van een camera van de charge – coupled apparaat (CCD) en het meten van de photocurrent die worden gegenereerd door verschillende soorten multi junction (MJ) zonne- cellen, die voorheen op een zonne-simulator voor concentrator zonne-cellen gekenmerkt. Deze metingen hebben aangetoond dat het Achromatische gedrag van ADG Fresnel lenzen en, als een gevolg, de geschiktheid van de modellering en productiemethoden.
Concentrator fotovoltaïsche (CPV) is een veelbelovende technologie ter vermindering van de kosten van zonne-energie gebaseerde elektriciteit omdat deze technologie van de snelle incrementele verbetering in de efficiëntie van geavanceerde multi junction (MJ) zonnecellen profiteren kan. Deze apparaten zijn samengesteld uit verschillende sub cellen (meestal drie genoemd als boven, midden, en onder) die elk uit een verschillende halfgeleider samengestelde. Elke sub cel heeft een verschillende bandgap wat resulteert in een verschillende spectrale respons, waarmee elk een bepaald deel van het zonnespectrum omzetten in elektriciteit. Op deze manier zijn MJ zonnecellen geschikt voor het exploiteren van een breed scala van het zonnespectrum (typisch 300-1800 nm) bereiken van efficiëntie waarden hoger dan 46% onder geconcentreerd licht1. Om te compenseren voor de hoge kosten van dergelijke fotovoltaïsche apparaten, worden optische systemen gebruikt om zich te concentreren op de bestralingssterkte op hen, waardoor de kosten van het definitieve stelsel. Momenteel zijn de meeste commercieel beschikbare hoge concentratie fotovoltaïsche (HCPV) systemen gebaseerd op siliconen-op-glas (SoG) hybride Fresnel lenzen2. In alle refractieve optische systemen is chromatische aberratie de factor die de lens prestaties in termen van de maximaal haalbare concentratie3 (dat wil zeggen, lichte plek minimumoppervlakte) zwaarst te minderen. Maken gebruik van een achromatische lens, dat wil zeggen, een lens met zeer beperkte chromatische aberratie, is het mogelijk om aanzienlijk te verhogen de maximaal haalbare concentratie zonder de noodzaak voor een extra optische elementen (hierna aangeduid als secundaire optische elementen 4 , 5).
Het ontwerp van Achromatische lenzen (gewoonlijk genoemd Achromatische paren omdat zij zijn vervaardigd met het koppelen van twee materialen met verschillende dispersie kenmerken) is al bekend sinds de 18e eeuw. De conventionele Achromatische doublet is samengesteld uit twee verschillende glazen: de ene heet de kroon en heeft lage dispersie, terwijl de tweede men de flint heet en heeft hoge dispersie. De totale kosten van dit soort glazen en de verwerking ervan maakt hen echter onbetaalbaar voor HCPV systemen. Languy en mede-auteurs voorgesteld een achromatische doublet voor CPV uit twee kunststof bestaat: poly(methyl methacrylate) (PMMA) en polycarbonaat (PC)6. In hun artikel is een vergelijkende analyse van de verschillende configuraties en hun voordelen gepresenteerd maar zonder aanpakken van hun produceerbaarheid en schaalbaarheid bij hoge productie.
De ADG Fresnel lens hier voorgesteld is ontworpen op een zodanige wijze dat aan een bepaalde korte golflengte (“blauw” licht) en een bepaalde lange golflengte (“rode” light) licht precies de zelfde scherpstelafstand hebben. Details van de ontwerpmethode voor standaard Achromatische paren kunnen worden gevonden elders7. Verschillende ray-tracing simulaties zijn verricht om aan te tonen van de verbeteringen die zijn verkregen met behulp van een ADG Fresnel lens in plaats van een conventionele SoG Fresnel lens. Een gedetailleerd verslag over de verkregen resultaten werd gepresenteerd in4. Het belangrijkste resultaat is dat bij het vervangen van een conventionele SoG Fresnel lens met een ADG Fresnel-lens, de haalbare concentratie ongeveer drie keer vergroot met behoud van de dezelfde optische efficiëntie. Bovendien, sinds het fabricageproces8 overwogen te verkrijgen van de ADG is zeer vergelijkbaar met degene die werkzaam te fabriceren SoG lenzen, de toename van de concentratie zal worden verkregen zonder de kosten aanzienlijk te verhogen.
Hier presenteren we een protocol voor het uitvoeren van een uitgebreide karakterisering van concentrators bestaande uit een refractieve primaire lens en we dit protocol van toepassing op zowel een conventionele SoG Fresnel lens (gebruikt als een benchmark) en verschillende ADG Fresnel lens prototypes. Om dit te doen, is een zonne-simulator voor CPV gebruikt. Een gedetailleerde beschrijving van de simulator en alle onderdelen ervan, evenals de werkingsprincipes, heeft ingediend elders9.
De methode voorgesteld voor de karakterisatie van ADG Fresnel-lenzen twee verschillende procedures omvat: de ene maakt gebruik van zonne-cellen als licht sensoren, terwijl de tweede is gebaseerd op een CCD-camera.
Toepassing van de zonnecel gebaseerd procedure, de photocurrent die zijn gegenereerd door een zonnecel MJ is gemeten met behulp van verschillende Fresnel lenzen als concentrators. Zoals beschreven in het protocol, de CPV zonne-simulator maakt gebruik van een xenon flitslamp uitstralen van licht dat op een parabolische spiegel wordt weerspiegeld. Dergelijke een spiegel genereert een collimated lichtbundel op de meet vliegtuig (samenvallen met de lens diafragma). Als gevolg van de spiegel productie toleranties en oppervlakteruwheid is de collimated licht niet uniform op het meetinstrument vliegtuig. De non-uniformiteit van de bestralingssterkte gemaakt door de zonne-simulator is de belangrijkste oorzaak van fout in onze experimentele metingen10. Aangezien grote lenzen de bestralingssterkte bij het meten vliegtuig over een groot gebied integreren, de fout te wijten aan niet-uniformiteit is afhankelijk van de grootte van de lens. De zonne-simulator voor CPV-systemen die worden gebruikt bij de zonne-energie-Instituut krijgt een beter zijn dan ± 5% voor 3 x 3 cm optica9uniformiteit. Voor de ADG Fresnel lens hier getest, wiens optische diafragma is 40 x 40 mm, het effect van niet-uniformiteit over de meting kan worden cruciaal. Ter beperking van deze onzekerheid, is een referentie-lens opnieuw gemeten vóór het uitvoeren van een experiment. Bovendien, bij het verrichten van deze metingen, is het grootste vooral voorzichtig tijdens de uitlijning van de cel en de lens. In feite, heeft de zonnecel precies gecentreerd worden geplaatst met de lichte plek geschoven door het objectief om te voorkomen dat de afwijking, omdat als een slechte eerste positionering wordt gebruikt, de vermindering van de photocurrent toe te schrijven aan de defocusing wordt gewijzigd. Een andere fout die kan optreden is dat veroorzaakt door arcering van de verschillende factoren van het voorste metallisatie raster (de MJ zonnecel gebruikt als een sensor is gekalibreerd met behulp van uniforme bestralingssterkte, maar de lenzen een Gaussiaanse vorm profiel op het tijdens de metingen werpen). Om ervoor te zorgen dat de metallisatie experimentele resultaten niet beïnvloedt, is het nuttig om meerdere metingen verdringt de lens uit en, als gevolg, de lichte vlek op het vlak van de ontvanger te vervoeren. Als de gemeten photocurrent aanzienlijk wanneer iets beweegt de lichte plek varieert, betekent dit dat de metallisatie raster is van invloed op de metingen.
Er zijn andere methoden die bruikbaar zijn voor het meten van de optische efficiëntie van een primaire lens, bijvoorbeeld met behulp van thermische bestralingssterkte sensoren zoals de thermozuilen10. Het belangrijkste nadeel van deze aanpak is dat de reactie van een thermische sensor te traag voor een flash-lichtbron. Het kan daarom alleen worden toegepast op buiten metingen (die zeer gevoelig zijn voor de spectrale verdeling van de bestralingssterkte en andere weersomstandigheden). Met de voorgestelde methode, wordt deze beperking vermeden.
Bovendien, met behulp van de zonnecel gebaseerd procedure, zou het ook mogelijk om de grootte van de lichte plek cast door een lens. Om dit te doen, moeten de photocurrents gegenereerd door verschillende MJ zonnecellen van hetzelfde type en verschillende, maar gelijkaardige maten worden gemeten. Voor de cellen waarvan de grootte kleiner dan de lichte plek gegoten door de lens is, vermindert de gemeten photocurrent als de cel-oppervlakte daalt als gevolg van het licht morsen uit de cel. Omgekeerd, de photocurrent blijft constant voor MJ zonne-cellen waarvan de grootte groter dan de lichte plek, is ongeacht het celoppervlak, al het licht door de lens toegezonden weerklank de zonnecel. Daarom is de grootte van de lichte plek gelijk is aan de grootte van de kleinste cel die de maximale efficiëntie bereikt. Voor deze methode, hoe hoger het aantal zonnecellen gebruikt, hoe hoger de resolutie.
Aangezien een aantal zonnecellen die geschikt zijn voor het uitvoeren van de beschreven metingen niet altijd beschikbaar is, wordt de CCD camera procedure geopperd om de lichte plek grootte te meten. Dankzij het brede dynamische bereik van de CCD-sensor, met behulp van foto’s van de lichte plek genomen met de camera, is een nauwkeurige vergelijking tussen piek- en dal waarden mogelijk. Oog op de berekening van de absolute waarde van de bestralingssterkte, zou een kalibratie van de hele set-up, met inbegrip van de filters en de CCD-camera, moeten worden. Uit de foto’s is het echter mogelijk te scheiden van de verlichte ruimte uit het donkere gebied boven een afbeelding en, dus, het inschatten van de lichte plek maat. De belangrijkste nadelen van deze techniek zijn de spectrale wanverhouding tussen de CCD-sensor en een zonnecel MJ en het geluid veroorzaakt door lichtbronnen verschillend van de collimated-straal gegenereerd door de zonne-simulator. Met betrekking tot het eerste probleem, is door toevoeging van een warme of koude spiegel aan de CCD-camera, het mogelijk om een spectrale respons zeer gelijkaardig aan dat van de bovenkant en de midden sub cellen (Zie Figuur 6). Bovendien, ter beperking van de achtergrondgeluiden, is het noodzakelijk volledig donkerder de kamer van de CPV-simulator. Omdat het bijna onmogelijk om volledig te voorkomen dat externe lichtbronnen, de beeldverwerking is zeer belangrijk en moet goed worden geprogrammeerd. De meest kritische stap is de afschaffing van achtergrondgeluiden. Ruisfiltering kan worden gedeeltelijk geautomatiseerd, maar als gevolg van de sterke afhankelijkheid met externe factoren die nauwelijks voorspelbaar zijn, ondergaat elke verwerkte beeld een visueel onderzoek.
De CCD-procedure kan worden gebruikt om te krijgen van de evolutie van de lichte plek grootte als functie van de temperatuur van de lens door toe te voegen aan het systeem een thermische kamer waar de lenzen zijn geplaatst. In dit geval naast de bronnen van de fout die hierboven worden beschreven, voortvloeit onzekerheid uit de lens temperatuurmetingen. Het besturingselement thermokoppel (degene die rechtstreeks op de computer is aangesloten) leidt niet tot de echte lens-temperatuur omdat de sensor is geplaatst in een punt van de thermische kamer dicht maar niet rechtstreeks zijn aan de lenzen verbonden te meten. Dus, de temperatuur gemeten met behulp van dergelijke een thermokoppel is een gemiddelde temperatuur van de omgeving van de lenzen en het komt niet noodzakelijkerwijs overeen met de temperatuur van de echte lens. Dat is de reden waarom elke lens verbinden met een onafhankelijke thermokoppel wordt aanbevolen. Desalniettemin, is er waarschijnlijk een temperatuurgradiënt tussen verschillende punten van de lens. Om deze onzekerheid, zodra de thermische kamer de gewenste temperatuur realiseert, en voordat u de meting uitvoert, is het beter om te wachten van 15-20 minuten te laat de systeemtemperatuur worden zo uniform mogelijk te kwantificeren.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door het Spaanse ministerie van economie en concurrentievermogen onder het Acromalens-project (ENE2013-45229-P) en het heeft financiering ontvangen van de Europese Unie Horizon 2020 onderzoek en innovatie programma binnen het project CPV Zoeken bij subsidie overeenkomst No 640873.
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 |