Summary
ガラス色消し (ADG) フレネル レンズは、色収差を減少させ、達成可能な濃度の増加を 2 つの異なる分散材料の使用します。ADG フレネル レンズの完全な評価のためのプロトコルを提案します。
Abstract
太陽光発電用の色消しフレネル レンズをキャラクタライズ手法を提案する.ガラス (ADG) フレネル レンズの色消しは、その分散特性 (波長と屈折率変化) が異なる、エラストマー、プラスチック製の 2 つの材料で構成されます。我々 はまずレンズの形状を設計し、光学的効率と最大達成可能な濃度の両方の観点からそのパフォーマンスを分析する光線追跡シミュレーションは、モンテカルロ法に基づくを使用します。その後、ADG フレネル レンズのプロトタイプは、シンプルで信頼性の高い方法を使用して製造されただった。プラスチック部品やエラストマーと ADG フレネル レンズの寄木細工の床を作製するガラス基板の連続ラミネーションの前注入で構成されています。コンセントレーターの太陽光発電システム太陽光シミュレータを用いた光学性能を評価しながら、光学顕微鏡を使用して製造されたレンズのプロファイルの精度を検討します。シミュレータは、ライトを放出は放物線ミラーによって反映されるキセノン フラッシュ ランプで構成されます。平行光が分光分布と角度の絞り、実物同様に太陽。電荷結合素子 (CCD) カメラを使用して、多接合 (MJ) 太陽のいくつかの種類によって生成される光電流を測定レンズによってキャスト スポットの照度の写真撮影で ADG フレネル レンズの光学性能を評価することができましたセルは、以前コンセントレーター太陽電池用太陽光シミュレータで特徴づけられています。これらの測定は、モデリング技術、製造方法の適合性は、結果として ADG フレネル レンズと、無彩色の動作を実証しています。
Introduction
コンセントレーター太陽光発電 (CPV) は、この技術できるため迅速な増分改善の高度なマルチの効率 (MJ) 接合太陽電池ソーラー ベースの電気のコストを減らすために有望な技術です。これらのデバイスは、それぞれで異なる半導体化合物 (通常上部、中間、および底として名前 3) いくつかのサブ セルで構成されます。サブのすべてのセルは、それぞれ電気に太陽スペクトルの異なる部分を変換するを有効にする別のスペクトル応答の結果として異なるバンド ギャップをが。この方法では、MJ 太陽電池は集中光1下 46% 以上の効率値を達成する (通常 300-1800 nm) 太陽のスペクトルの広い範囲を利用することができます。太陽光発電機器の高コストを補うために光学系は、最終的なシステム コストを削減、照度を集中する使用されます。現在、市販の高濃度太陽光発電 (HCPV) システムのほとんどはシリコン グラス (SoG) ハイブリッド フレネル レンズ2に基づいています。すべての屈折光学系の色収差、達成できる最大濃度3 (つまり、最小光スポット エリア) の面でレンズの性能を最も深刻な減少要因です。非常に減らされた色収差とレンズは色消しレンズの活用 (二次光学素子という他の光学要素を必要とせず達成できる最大濃度を大幅に増やすことが可能です。4,5)。
色消しレンズ (通称無彩色のダブレット製作別分散特性を持つ 2 つの材料を結合するため) のデザインは、18 世紀以来知られています。従来の色消し、2 つの異なるガラスで構成されます: 最初の 1 つはクラウンと呼ばれると低分散、一方、2 つ目は燧石と呼ばれるを有し高分散。ただし、この種のガラスやその処理の全体的なコストは、それら HCPV システムの手が届かない。CPV から成る 2 つのプラスチックの Languy と共著、色消しを提案: poly(methyl methacrylate) (PMMA) やポリカーボネート (PC)6。彼らが記事で異なる構成とその利点の比較分析が提示されたが、製造性と高い生産でスケーラビリティに対処せず。
ここで提案された ADG フレネル レンズは、特定の短い波長 (「青」の光) と特定の長い波長 (「赤」の光) で光が焦点距離が同じであることそのような方法で設計されています。標準色消しダブレットのデザイン方法の詳細は、他の場所で7で見つけることができます。従来の SoG フレネル レンズの代わりに ADG フレネル レンズを用いて改善を示すいくつかの光線追跡シミュレーションを行った。得られた結果の詳細なレポートは、4で発表されました。最も重要な結果は ADG フレネル レンズで従来の SoG フレネル レンズを置き換えるとき達成可能な濃度は同じ光学的効率を維持しながら約 3 倍を増加します。さらに、製造工程から8 ADG を取得する想定は SoG レンズを製造するために用いられるものに非常によく似て、濃度の増加が大きく、コストを増やすことがなく取得されます。
屈折プライマリ レンズを構成するコンセントレーターの包括的な評価を実行するためのプロトコルの紹介し、このプロトコル (ベンチマークとして使用) 従来の SoG フレネル レンズといくつかの ADG フレネル レンズのプロトタイプの両方に適用します。これを行うには、CPV を太陽光シミュレータを使用されています。シミュレータ、すべてのコンポーネントとその動作の原理の詳細な説明は別の場所で9を提示されています。
Protocol
1 レンズは光線追跡シミュレーションを用いたモデリング
- モデル準備
- インポート ADG フレネル レンズ形状の光線追跡シミュレーション ソフトウェアに、透過率などの材料特性を設定し、。屈折します
。 注: ADG フレネル設計は太陽エネルギー研究所で開発され、フェルマーなど基本的な光学原理に基づくコンピューター コードで構成されています ' s 原理とスネル ' s の法律。レンズを構成する材料の分散曲線は、デザイン手法の開発に使用されています。設計手法の詳細な説明は別の場所で 4 を提示します 。
- 角絞りと分光分布など太陽の実際の特性をもつ光源を設定します 。
- 公称焦点距離に等しく、レンズからの距離で受信機を配置します 。
- インポート ADG フレネル レンズ形状の光線追跡シミュレーション ソフトウェアに、透過率などの材料特性を設定し、。屈折します
図 1。光線追跡シミュレーション モデルのスクリーン ショット。光源、(ガラス基板、エラストマー、プラスチックの bi フレネル レンズで構成される)、ADG フレネル レンズ、レンズの絞り (レンズ レシーバー) の放射照度と出口 (太陽放射照度を測定するために使用する受信機を観察することが可能です。携帯受信機)。 この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください
- シミュレーションを実行し、最大達成可能な濃度とレンズ光学的効率など必要な結果を計算します。達成可能な濃度は、レンズの光学絞りとスポット、キャスト受信機の地区間の比率として定義されます。光効率が受信機の電源とレンズ光学絞り 10 電力の比率として定義されています
。 注: 受信機のエリアは受信機がレンズによって送信されるすべての線を収集することを確認するためにレンズによってキャスト スポット ライトよりもはるかに大きい。この方法で計算された光学的効率を考慮アカウント損失材料吸収、反射、および制約 (ドラフト角度と先端角と谷に丸め) を製造します 。
- 手順 1.1 と 1.2。 ベンチマークとして使用するための ADG フレネル レンズの代わりにフレネル (SoG) 従来シリコーン ガラスをシミュレートします。 。
2。太陽電池特性評価
図 2。コンセントレーター太陽電池用太陽光シミュレータ。集中放射照度下で太陽電池セルの特性評価に使用される太陽光シミュレータの写真します。図では、上に位置が濃度レベルを決定するランプを観察することが可能です。底部には、参照コンポーネント太陽電池と DUT 測定平面が表示されます。写真の左側の電子機器 (電源と DAQ) と特性を実行に使用するコンピューターに感謝することが可能です。 この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください
- 太陽電池評価用ソーラシミュレータの校正
- 配置太陽光シミュレータ内の参照の下で校正されたのアイソタイプとも呼ばれる参照コンポーネント セル (上、中央、および下部)テスト (DUT) 測定する太陽電池は、対象のデバイスとスペクトル
。 注: 参照セルと DUT として近くに配置できるだけ測定の面で不均一照明によるエラーの可能性を減らすために. - は、濃度の所望のレベルに達するために (高さ) を配置フラッシュ ランプを調整します。測定から、さらにランプは平面、達成が低いほどの濃度。
- 分光分布は、ランプやフラッシュの強さの位置に依存します。分光分布を調整する必要なフィルターを追加します。参照スペクトルと同様の分布を取得する手順については、手順 2.2.1 。
- アイソタイプと DUT を太陽光シミュレータのデータ集録 (DAQ) 基板に接続します 。
- 細胞の電流-電圧 (IV) 曲線測定で使用する分極値を含むテキスト ファイルを作成するテキスト エディターを使用します。テキスト ファイルには、電圧ポイントごとに 1 行が含まれています。多くの電圧ポイントの高い曲線の定義を結果します。分極値は 0 V と 3.1 v. 間の値から成る関与のすべての太陽電池は MJ 太陽電池なので
- 配置太陽光シミュレータ内の参照の下で校正されたのアイソタイプとも呼ばれる参照コンポーネント セル (上、中央、および下部)テスト (DUT) 測定する太陽電池は、対象のデバイスとスペクトル
- 測定
- フラッシュ崩壊全体照度初期ピークを持っています、( 図 3) を減少し始めます。光の分光分布は、フラッシュ パルス中でも変更されます。従来 MJ 太陽電池は直列に接続されている別のバンド ギャップを有する 3 つのサブ セルで構成されます。サブの各セルは、太陽光スペクトルの異なる部分で電気を変換できます。したがって、MJ 太陽電池によって発生する電流は、少なくとも現在の生産サブ携帯によって常に制限されます。正確な測定を実行するには、上部と中間のサブのセルに対応する、両方のアイソタイプが全く同じ照度のレベルを示す照度レベルを選択します。これは、セルがターゲットの濃度とスペクトルの下で測定されることを確認します。下のサブ セルで示される照度レベルが一致するという事実を無視できます。これは商業の MJ の Ge をベースの太陽電池はこのサブ携帯で現在限定ではないのでです。 図 3 は、この手順のグラフィカルな説明を示しています 。
- 一度測定のため必要な照度を識別、IV テストを開始します。シミュレータは、2.1.4 のステップで定義されているテキスト ファイルから偏波ポイントを読み取ります;。各ポイントについて、装置は、所望の電圧でセルを分極する、フラッシュをトリガーし、太陽電池によって発生する電流を測定します。IV カーブは、電流と電圧の値のペアがコンピューターの画面に表示されます
。 注: IV カーブからだを取得することが可能、短絡電流 (私 sc)、オープン回路電圧 (V oc)、フィルファクター (FF)、DUT の効率 (にもかかわらず、次のセクションでは、短絡電流のみが使用されます). - 繰り返しステップ 2.2.2 異なる濃度濃度に直線的に太陽電池の光電流が依存することを確認するレベル ( 図 4 参照) と、したがって、校正のセルは光センサーとして使用できます。レンズ焦点面で照度を決定します。各濃度の測定を実行するために適切なフィルターを使用してフラッシュの光の分光分布を調整するとき両方のアイソタイプ、上部と中間の副細胞レベルを示す同じ照度、2.2.1 のステップで説明したようします 。
図 3。フラッシュ崩壊を通して測定された大きさの時間変化。グラフで、マークされているインスタント アイソタイプ細胞、上部と中間の副細胞に対応する同じ放射照度を測定するとき。次の上部と中間の subcells に対応する曲線の交点からはじまる黒破線、それは経営者および参照の正確な瞬間に電流として DUT の現在の値 (黒丸) を識別することはサブのセルでは、同じ照度レベルを参照してください。 この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください
図 4。(A) 実験テストの実行に使用するセットアップの方式です。(B) 実験のセットアップとそのコンポーネント (球、サンプル レンズ、CCD カメラ、光センサーとして使用される太陽電池を統合することで光源) の写真。放物面鏡とフィルターはこの写真では表示されません。 この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください
3. レンズの特性
。 
図 5。濃度の関数として MJ 太陽電池によって発生した光電流の進化を表すグラフ。期待どおりに線形依存があります。 この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください
- セットアップの準備。
- マウント 3 軸自動位置決めプラットフォーム: コンピューター支援移動プラットフォーム校正太陽電池/CCD カメラと測定するレンズの間の相対的な位置を正確に制御することができます。
- 3 軸自動位置決めプラットフォームがバブルのレベルを使用して完全に水平であることを確認します 。
- プラットフォームで太陽電池/CCD カメラ サポートをマウント ' s の x、y、および z 軸上の位置を制御することが可能であるようにホルダーを移動します 。 3.1.2 のステップで説明されている可動ホルダーの前にプラットフォームでレンズのサポートを
- にマウントします。X と y の移動のホルダーを使用して完全に太陽電池/CCD カメラの目的に関してレンズの中央にある軸。Z 軸ホルダーを移動するには、レンズ (最小スポット サイズ) の最適なフォーカル ポイントに太陽電池/CCD カメラの目的を配置してその光軸に沿って移動することが可能です 。
- 全体の実験的テストの実行に使用するコンピューターに (自動位置決めプラットフォーム、キセノン ランプ、CCD カメラ、セルの光電流を測定する DAQ ボード) のすべてのデバイスを接続
- は、接続と接続された全デバイスの操作をテストします。
- CPV を太陽光シミュレータの制御ソフトウェアを開き、ボタンを押して " パルスの光 " フラッシュを撮影するために。フラッシュ減衰グラフは 図 3 のようになります、それは DAQ ボード、キセノン ランプ、アイソタイプ subcells、DUT が正しく動作していることを意味します 。
- カメラが正しく動作しているを確認する CCD カメラを制御するソフトウェアを開きます 。
- は、コンピューター支援移動プラットフォームを制御するソフトウェアを開き、3 軸可動ホルダーに移動する使用します。間に、[1 つの軸を行う軸上に記載されているソフトウェア ウィンドウの左の位置を挿入 " 移動絶対 " とパルス " を実行 "。移動プラットフォームが正常に機能していることを意味する可動ホルダーは、期待どおりに移動する場合 。
- 固定サポートで計測すべきレンズ マウント自動位置決めプラットフォーム上クリーンと場所 。
- 前に、センサーのいずれか熱いミラーを置き (ショートパス フィルター波長が 700 を超えるブロック ライト nm) またはコールド ミラー (ロングパス フィルター ブロック ライトの波長は 700 より短い nm).
注: ステップ 3.1.7。CCD カメラを用いた測定に対してのみ必要です 。
- 移動のホルダーを使用してレンズを基準太陽電池/CCD カメラの中心し、焦点の最適なポイントに配置します 。
- すべての行に最適な焦点距離よりもレンズに 5 mm 近いセル/CCD カメラの位置から測定点 (ある特定のレンズに受信機間隔) に対応する座標を含むテキスト ファイルを作成する任意のテキスト エディターを使用してさらに 5 mm の位置までです 。
- マウント 3 軸自動位置決めプラットフォーム: コンピューター支援移動プラットフォーム校正太陽電池/CCD カメラと測定するレンズの間の相対的な位置を正確に制御することができます。
- 測定フェーズ
- 太陽電池測定
注: 用ソーラシミュレータの分光分布、光強度前のセクションに記載されている太陽電池用太陽光シミュレータと同じ方法でCPV は、すべてのフラッシュの減衰変更します。フラッシュの崩壊のグラフィック表現は、2.2.1 の手順に従ってコンセントレイターの細胞の太陽光シミュレータで得られたものに似ています。 図 3 で描かれています。初期ピークがあり、それが減少します。フラッシュの崩壊の中で光の分光分布の変更。上部と中間のサブのセルに対応する、両方のアイソタイプが同じ照度レベルを示す現時点で測定が実行されます
。 注: 太陽電池用太陽光シミュレータの場合とは逆にこの場合放射照度レベルにある唯一のコントロールはフラッシュ光強度および中性フィルター- 最適な照度レベルを識別した後、それは開始することが可能、 テストします。3.1.9 のステップで定義されているすべての位置のため。、フラッシュの光をトリガーします。シミュレータは、レンズによって集中した光の下での現在の世代の太陽電池を推測することが可能だがフラッシュの崩壊中のデータ信号を含むテキスト ファイルを生成します 。
- 3.1.7 から手順を繰り返します 3.2.1.3 に。 測定するすべてのレンズにします。 。
- CCD カメラによる計測
- 3.1.9 で定義されているすべての位置のため、スポット生成された光の写真を撮る CCD カメラを使用して。
。 注: それぞれは、上部と中央のサブ セルのようなスペクトル応答ホットまたはコールド ミラーと相まってカメラの CCD センサー ( 図 6 を参照)。さらに、有用な情報と写真を得るためには、いくつかの予防措置を取る必要です。まず、良い信号対雑音比を取得し、同時に CCD センサーを飽和させないために、フラッシュの光量を調整する必要があります。これを行うには、フラッシュの強さを直接変更または中立的なフィルターを使用して、必要な照度を得るには可能です。第二に、シミュレータ室が測定に及ぼす外部光源の影響を避けるために完全に暗いということが重要です 。
- 温度測定
- 配置するレンズを測定ide 恒温テスト中にレンズの温度を制御するために使用
- レンズ温度の 10 の ° C から 50 ° C まで 10 ° C に等しい手順を異なる熱チャンバーを用いたこれを行うには、透明なフロント カバー付き恒温槽内部レンズの場所します 。 3.2.2.1 で説明した同じ方法で CCD カメラを使用して異なる温度の測定を行う
- です
。 注: テストされているレンズの温度は直接それに接続されている熱電対を計測します。レンズの表面に温度差が 2 より小さい ° C
- 3.1.9 で定義されているすべての位置のため、スポット生成された光の写真を撮る CCD カメラを使用して。
- 太陽電池測定
図 6。コールド ミラーまたは 3 J 格子整合太陽電池 (固体ドット) の中、トップのサブ細胞の SR をシミュレートする熱ガラス (空ドット) によってフィルター CCD カメラ シリコン センサーの分光感度特性 (SR)。この図は、 10 から変更されている
- 太陽電池測定により得られた結果を処理します。
- による校正アイソタイプ電池部品の参考のため決定 (トップとミドルを推定する方法に関する詳細な議論のあらゆる位置のための光センサーとして使用する太陽電池のトップと中間のサブ細胞によって生成される光電流フラッシュの崩壊の間に記録された信号から当てるは、 11 を参照してください).
- の上部と中間のサブ セル レンズに受信機の距離の関数として近似の光電流を表すグラフを描画します 。
- SoG フレネル レンズの ADG 色消しフレネル レンズを使用して得られた結果を比較します 。
- CCD カメラ測定により得られた結果を処理します。
- CCD カメラで撮影した写真で光の重心を識別します
。 注: " 光の重心 " 放射照度マップの配布、放射照度レベルがマップの最大照度の 90% 以上は領域の中心します 。
- スポット重心が識別されると、可能な半径の数を定義し、各 1 つは、写真に含まれる総放射照度に関してサークル内に含まれる光の割合を計算します 。
- は、スポットの半径を計算します。総日射量の 95% を含む半径として定義されています
。 注: 95% の値は、外部ソースからの光によるノイズのため意図的に大きなスポットを避けるために選択されている、すなわち、 キセノン ランプからのライトまたは周囲の環境からの光を直接します 。
- 3.4.1 から処理手順を繰り返します 3.4.3 に。 ホットとコールド ミラーを測定。 。
- 青と赤の光の光のスポット径を表す最適な位置 (最小スポット サイズ) を基準に受信機レンズ距離の関数としてグラフをプロット (ミラー、コールド ミラー測定をそれぞれホット).
- CCD カメラで撮影した写真で光の重心を識別します
Representative Results
前述の実験から得られた最も重要な結果は次のとおりです。
-ADG フレネル レンズの無彩色の挙動は、CCD カメラによる計測 (図 7) を使用して示されています。
-光学的効率 (光センサーとして使用する MJ セルで測定電流に比例した) の ADG フレネル レンズを示しています大きな許容範囲セルを移動すると、最適な焦点距離と焦点距離軸 (図 8)。
● ADG レンズによりスポット キャストのサイズは、異なる温度 (図 9) の大きな許容範囲を示しています。
スポット径レンズ レシーバーの距離の関数としての進化は、両方のレンズ、従来の SoG フレネル レンズと ADG フレネル レンズの図 7に示します。上部と中間部分の細胞が別々 に 2 つの二色性フィルターによって分析されている、1 つのホットは 700 より高い波長フィルター光をミラー nm、波長が 700 より短い光をフィルタ リング 1 つのコールド ミラー nm。図 7aでは、2 つの曲線のミニマを転置したことそれが見ることができます。これは色収差によるもの: 短波長の屈折率は高く、青い光の焦点はレンズに近い。(レンズ) に向かって左側に青い光の最小スポットを転置し、赤い光の最小スポットは (無限大) に向かって右にずれています。逆に、図 7 bでそれが観察できます、ADG フレネル レンズの青い光の最小のスポットの位置と完全に対応レンズの動作が無彩色を証明する赤い光の最小のスポット。
相対セル レンズ距離の関数は図 8に示すように、集光レンズに照らされた MJ 太陽電池によって生成される正規化された光電流の進化。ADG フレネル レンズのカーブの広い側面は、無彩色のデザインのおかげで、従来の SoG フレネル レンズより光軸に沿って最適な位置からレンズの変位に高い耐性を持ってそれを意味します。結果として、ADG レンズ、エラーを組み立て、焦点距離、例えば温度の変化を変更する現象より寛容です。
最後に、レンズ温度の関数としてレンズによって光スポット キャストのバリエーションを図 9に示します。上部と真ん中の副細胞は、ダイクロイック フィルター (ホット、コールド ミラー) によって個別に分析されています。レンズは、12彼らの温度を制御するための透明なカバー ガラス熱チャンバー内に置かれています。図 9のグラフ表示方法温度変化参照 SoG フレネル レンズよりも ADG フレネル レンズにも効果があります。実際には、後者は、20 ° C の温度の増加のための光のスポット サイズの拡大は重要: 直径が約 30% 上のサブ セルのより大きく、最大 60% 中間サブ セルの大きい。それどころか、ADG レンズの最悪の場合でも増加は 20% 以下です。意味強い熱遠足で屋外使用条件でも ADG レンズを使用してだろうシステム パフォーマンスより安定しました。
図 7。レンズに受信機の距離の関数としてのスポット径を測定しました。スポット径は、エネルギーの 95% が含むとして定義されます。赤い破線より長い波長のスポット径を表す (それらは通常 MJ 太陽電池、すなわち中央のサブ セルによって変換されます、650 900 nm) 青の実線が短波長の光のスポット径を表し (それら通常。トップの裏打ち、すなわち350-650 nm に覆われた)。(、) SOG フレネル レンズは、(b) ADG フレネル レンズ。この図は、8から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 8。正規化された光電流は、相対的なセルのレンズ距離の関数としては 3 mm を φ MJ 太陽電池によって生成されます。各曲線の最大値によって分かれています。3 つのレンズの x 軸の 0 (スポットが最小化) 最適な焦点距離を表します。背景の曲線を表すトップ (円形のマーカー) によって生成される、正規化された当てると (三角形のマーカー) サブ セルの中間します。ADG_v2 は ADG フレネル レンズ デザインの向上です。MJ 太陽電池 (上部と真ん中当てる間最小値) によって生成される正規化された電流は、明快のために注目されています。この図は、 13 日から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図 9。レンズ温度の関数としての相対的なスポット サイズ。(A) 一番上のサブ セル (ダイクロイック ホットミラー フィルターを用いた実施測定) に関連する結果。(B) 中央のサブ セル (測定ダイクロイック コールド ミラー フィルターを使用して実行) に関連する結果。相対的なスポット サイズは、各レンズの測定最小値によってスポット サイズを分割が取得されます。この図は、13 日から変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
Discussion
方法を提案する ADG フレネル レンズの特性に 2 つのプロシージャが含まれています: 最初の 1 つは、2 番目は CCD カメラに基づいて光センサーとして太陽電池を使用します。
太陽電池を応用すると、プロシージャ、MJ 太陽電池によって生成された光電流は、コンセントレーターとして別のフレネル レンズを使用して測定されています。CPV 太陽光シミュレータは、前述のプロトコルでは、発光する放物線ミラーに反映されるキセノン フラッシュ ランプを使用します。このようなミラーは、計測面上 (レンズの絞り値と一致する) 平行光ビームを生成します。ミラー製造公差、表面粗さによる平行光は計測面上に均一ではありません。太陽光シミュレータによって作成された照度の不均一性は、実測10エラーの主なソースです。以来、大規模なレンズは、広い地域にわたって測定面照度を統合、不均一性による誤差はレンズのサイズに依存します。太陽エネルギーの研究所で使用される CPV システム用ソーラシミュレータ均一性 ± 5% よりも 3 × 3 cm 光学9を達成します。ここでテストする ADG フレネル レンズ、その光の開口部は 40 × 40 mm、測定上の非一様性の影響は、重要。この不確実性を減らすために参照レンズはどんな実験を行う前に再測定です。さらに、これらの測定をするとき、特にセルとレンズの配置の間に、注意に重要です。実際には、太陽電池セルは、デフォーカスによる光電流の減少は変更されない悪い初期位置決めを使用している場合ため、ズレを防ぐためにレンズによってキャスト スポット ライトの丁度中央に配置されます。フロント配線グリッド (均一な照度を使用してセンサーをキャリブレーションが、レンズは、測定中にそれをガウス波形プロファイルをキャストを使用 MJ 太陽電池) の異なる網かけ要因によって引き起こされる、別のエラーが発生する可能性がありますです。メタライゼーションが実験結果に影響されていないようにレンズを移動させるいくつかの測定をし、その結果、受信機の飛行機にスポット ライトを運ぶに便利です。測定された光電流は異なります大幅スポット ライトを少し移動する場合、金属グリッドは測定に影響を与えることを意味します。
例えば、サーモパイル10などの熱放射照度センサーを使用して、プライマリ レンズの光学的効率を測定するために適切な他の方法があります。このアプローチの主な欠点は、温度センサーの応答は任意のフラッシュ ライト ソースも遅いです。したがって、屋外の測定 (これは照度や他の天候の分光分布に非常に敏感) にのみ適用することができます。提案手法では、この制限を回避します。
さらに、太陽電池を使用してベースのプロシージャ、またレンズによって光スポット キャストのサイズを取得することが可能でしょう。これを行うには、同じ種類のいくつかの MJ 太陽電池によって生成されると同じようなサイズが異なる当てるを測定する必要があります。そのサイズがレンズによって光スポット キャストより小さいセルのセルからこぼれる光による細胞表面の減少として測定光電流を減少させます。逆に、細胞表面に関係なく、レンズによって送信されるすべての光太陽電池に達するので、そのサイズがスポット ライトより大きい MJ 太陽電池用光電流は一定です。したがって、光の点のサイズは、最大の効率を達成する最も小さいセルのサイズと同じです。このメソッドでは、太陽電池の数が多いほど使用より高い解像度。
記述されていた測定の実施に適した太陽電池のセットを常に使用できないので、光のスポット サイズを測定する CCD カメラ手順を提案されています。スポット ライト、カメラで撮影した写真を用いた CCD センサーの広ダイナミック レンジのおかげでピーク及びバレーの値の間の正確な比較が可能です。放射照度の絶対値を計算するためにフィルターと CCD カメラなどを含む全体のセットアップの校正が必要となります。それにもかかわらず、写真から画像の上暗い領域から照射領域を分離し、したがって、光のスポット サイズを推定することが可能です。この手法の主な欠点は、CCD センサーと MJ 太陽電池と光の源によって生成されるノイズのスペクトルの不一致太陽光シミュレータによって生成された平行光とは異なる。最初の問題についてはホットまたはコールド ミラーを CCD カメラに追加することによって上部と中間のサブ細胞 (図 6参照) を非常に類似スペクトル応答を得ることが可能です。さらに、バック グラウンド ノイズを制限するためには、CPV シミュレータの部屋を完全に暗く必要は。外部の光の源を完全に避けることはほとんど不可能なので画像処理は非常に重要なよくプログラムすること。最も重要なステップは、バック グラウンド ノイズの除去です。ノイズ フィルタ リングを部分的に自動化することができますが、すべて処理した画像が目視検査を受けるがやっとのことで予測可能な外部要因と強い依存性が原因です。
CCD の手順を使用して、レンズの配置場所恒温槽システムに追加することによってレンズの温度の関数として光のスポット サイズの進化を取得できます。この場合は、前述のエラー ソースの不確実性はレンズの温度測定から発生します。制御熱電対 (コンピューターに直接接続された 1) センサーは熱商工会議所すぐのポイントに配置されますが、測定するレンズに直接接続できないために、実際のレンズの温度を表しません。したがって、このような熱電対を使用して測定した温度は、レンズを取り巻く環境の平均温度と実際のレンズの温度に必ずしも対応していません。だからこそ、独立した熱電対にそれぞれのレンズを接続することをお勧めします。それにもかかわらず、おそらくレンズの異なる点の間の温度勾配です。ために、恒温槽が所望の温度を実現し、どのような測定を実行する前に、それはシステムの温度をできるだけ均一になるように 15-20 分を待つほうがよい、この不確実性を定量化します。
Disclosures
何を開示する必要があります。
Acknowledgments
Acromalens プロジェクト (ENE2013 45229 P) の下で部分的にこの仕事スペイン語省経済と競争力に支えられてきたし、欧州連合のホライゾン 2020年研究と CPV プロジェクト内イノベーション プログラムからの資金を受けた許可契約なし 640873 の下で一致します。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Green, M. A., Emery, K., Hishikawa, Y., Warta, W., Dunlop, E. D. Solar cell efficiency tables (version 49). Prog. Photovolt. Res. Appl. 25, 3-13 (2016).
- Lorenzo, E., Sala, G. Sun II. , 536-539 (1979).
- Victoria, M. New Concepts and Techniques for the Development of High-Efficiency Concentrating Photovoltaic Modules. , E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). (2014).
- Vallerotto, G., et al. Design and modeling of a cost-effective achromatic Fresnel lens for concentrating photovoltaics. Opt. Express. 24, A1245 (2016).
- Victoria, M., Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. Comparative analysis of different secondary optical elements for aspheric primary lenses. Optics Express. 17, 6487-6492 (2009).
- Languy, F., et al. Flat Fresnel doublets made of PMMA and PC: combining low cost production and very high concentration ratio for CPV. Opt. Express. 19, Suppl 3. A280 (2011).
- Hecht, E. Optics, Third Edition. , Addison Wesley Longman, Inc. (1998).
- Vallerotto, G., Askins, S., Victoria, M., Antón, I., Sala, G. A novel achromatic Fresnel lens for high concentrating photovoltaic systems. AIP Conf. Proc. , AIP Publishing. 050007 (2016).
- Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. Solar simulator for concentrator photovoltaic systems. Opt. Express. 16, 14894 (2008).
- Victoria, M., Askins, S., Herrero, R., Antón, I., Sala, G. Assessment of the optical efficiency of a primary lens to be used in a CPV system. Solar Energy. 134, 406-415 (2016).
- Domínguez, C., Antón, I., Sala, G., Askins, S. Current-matching estimation for multijunction cells within a CPV module by means of component cells: Current-matching estimation for MJ cells within a concentrator. Prog. Photovolt. Res. Appl. 21, 1478 (2013).
- Askins, S., Victoria, M., Herrero, R., Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. Effects of Temperature on Hybrid Lens Performance. AIP Conf. Proc. , AIP Publishing. 57-60 (2011).
- Vallerotto, G., Askins, S., Victoria, M., Antón, I., Sala, G. Experimental Characterization of Achromatic Doublet on Glass (ADG) Fresnel Lenses. AIP Conf. Proc. , AIP Publishing. (2017).
