Den akromatisk doublet på glas (ADG) Fresnel lins gör användning av två material med olika spridning att minska kromatisk aberration och öka uppnåeliga koncentration. I detta papper presenteras ett protokoll för fullständig karakterisering av ADG Fresnel linsen.
Vi presenterar en metod för att karakterisera akromatisk Fresnellinser för solcellsapplikationer. Den akromatisk doublet på glas (ADG) fresnellins består av två material, en plast och en elastomer, vars spridningskarakteristika (brytningsindex variant med våglängd) är olika. Vi först utformad lins geometri och sedan används ray-tracing simulering, baserat på Monte Carlo metoden, för att analysera dess prestanda från synpunkt av både optisk effektivitet och den högsta uppnåeliga koncentrationen. Efteråt, ADG Fresnel lins prototyper tillverkades med en enkel och pålitlig metod. Den består av en tidigare injektion av plastdetaljer och en sammanhängande laminering, tillsammans med elastomer och en glass substrate att fabricera parketten ADG Fresnel linser. Riktigheten av tillverkade lins profil undersöks med ett optiskt mikroskop medan dess optiska prestanda utvärderas med en solsimulator för koncentrator solceller system. Simulatorn består av en xenon blixt lampa vars utsända ljuset reflekteras av en parabolisk spegel. Kollimerad ljuset har en Spektral fördelning och en kantig bländare liknar riktiga solen. Vi har kunnat bedöma de optiska prestanda av ADG Fresnel linser genom att ta fotografier av irradiansen spot kastas av objektivet med hjälp av en kostnad – tillsammans enhet (CCD) kamera och mäta den photocurrent som genereras av flera typer av multi junction (MJ) solar celler, som tidigare har präglats på en solsimulator för koncentrator solceller. Dessa mätningar har visat akromatisk beteendet av ADG Fresnellinser och som en följd, modellering och tillverkningsmetoder lämplighet.
Koncentrator solceller (CPV) är en lovande teknik för att minska kostnaden för solenergi-baserade El eftersom denna teknik kan dra nytta av den snabba inkrementell förbättringen av effektiviteten i avancerade multi junction (MJ) solceller. Dessa enheter är sammansatt av flera sub celler (vanligtvis tre benämn så toppen, mitten och längst ner) som alla är gjorda av olika halvledare förening. Varje sub cell har en olika bandgap vilket resulterar i en olika spektrala, som gör det möjligt för var och en att omvandla en tydlig del av solens spektrum till elektricitet. På detta sätt solcellerna MJ kan utnyttja ett brett utbud av solens spektrum (normalt 300-1800 nm) att uppnå effektivitet värden högre än 46% under koncentrerad ljus1. För att kompensera för de höga kostnaderna för sådana solceller enheter, används optiska system att koncentrera irradiansen på dem, vilket minskar den slutliga kostnaden. För närvarande, är de flesta av de kommersiellt tillgängliga hög koncentration solceller (HCPV) system baserat på silikon-på-glas (SoG) hybrid Fresnel linser2. I alla refraktiva optiska system är kromatisk aberration den faktor som mest allvarligt minskar lins prestanda när det gäller de högsta uppnåeliga koncentration3 (dvs minsta ljus spot område). Att använda sig av en akromatisk lins, det vill säga en lins med mycket nedsatt kromatisk aberration, är det möjligt att avsevärt öka den högsta uppnåeliga koncentrationen utan behov av någon ytterligare optiska element (benämns sekundär optiska element 4 , ( 5).
Utformningen av akromatisk linser (vanligen kallad akromatisk midjekort jacka eftersom de tillverkas koppling två material med olika spridningskarakteristika) har varit väl känt sedan 1700-talet. Den konventionella akromatisk doublet består av två olika glas: ena heter kronan och har låg dispersion, medan den andra heter flintan och har hög spridning. Totalkostnaden för dessa typer av glasögon och deras bearbetning gör dem dock för dyr för HCPV system. Languy och medförfattare föreslås en akromatisk doublet för CPV består av två plast: poly(methyl methacrylate) (PMMA) och polykarbonat (PC)6. I sin artikel är en jämförande analys av de olika konfigurationerna och deras fördelar presenteras men utan att ta itu med sin producerbarhet och skalbarhet till hög produktion.
ADG Fresnel linsen föreslås här har utformats på ett sådant sätt att ljus vid en viss kort våglängd (”blått” ljus) och en viss lång våglängd (”röd” ljus) har exakt den samma brännvidd. Detaljer för dimensioneringsmetod för standard akromatisk midjekort jacka kan hittas någon annanstans7. Flera ray-tracing simuleringar har utförts för att påvisa de förbättringar som erhålls med en ADG Fresnel lins istället för en konventionell SoG fresnellins. En detaljerad rapport om de erhållna resultaten presenterades i4. Det viktigaste resultatet är att när du ersätter en konventionell SoG Fresnel lins med en ADG Fresnel lins, uppnåeliga koncentrationen ökar ungefär tre gånger bibehållen samma optiska effektivitet. Dessutom, eftersom tillverkningsprocessen8 gäller för inhämtande av ADG är mycket liknande den som används för att tillverka SoG objektiv, ökningen av koncentrationen kommer att erhållas utan att avsevärt öka kostnaden.
Presenterar här vi ett protokoll för att utföra en omfattande karakterisering av koncentratorer bestående av ett brytningsfel primära linsen och vi tillämpar detta protokoll till både en konventionell SoG fresnellins (används som riktmärke) och flera ADG Fresnel lins prototyper. Gör har en solsimulator för CPV använts. En detaljerad beskrivning av simulatorn och alla dess komponenter, samt dess principer, har presenterats någon annanstans9.
Metoden som föreslås för karakterisering av ADG Fresnellinser innehåller två olika förfaranden: den första som använder solceller som ljussensorer, medan andra är baserad på en CCD-kamera.
Tillämpa solcellen baserat förfarande, den photocurrent som genereras av en MJ solcell har mätts med hjälp olika Fresnel-linser som koncentratorer. Som beskrivs i protokollet, den CPV solsimulator gör användning av en xenon blixt lampa avger ljus som reflekteras på en parabolisk spegel. Sådan en spegel genererar en kollimerad ljusstråle på mäta planet (sammanfaller med bländaröppning). Tack vare spegeln tillverkningstoleranser och ytjämnhet är kollimerad ljuset inte enhetlig på mäta planet. Non-likformigheten av irradiansen skapad av solsimulator som är den huvudsakliga källan till fel i våra experimentella mätningar10. Eftersom stora linser integrera irradiansen på mäta planet över ett stort område, beror felet på grund av icke-enhetlig på storleken på linsen. Solsimulator för CPV-system som används på Solar Energy Institute uppnår en bättre än ± 5% för 3 x 3 cm optik9enhetlighet. För ADG Fresnel lins testade här, vars optiska bländaren är 40 x 40 mm, effekten av icke-enhetlig över mätningen kan vara kritisk. För att minska denna osäkerhet, är en referens-lins åter uppmätt före genomför några experiment. Dessutom när de utför dessa mätningar, är det avgörande att vara särskilt försiktig under anpassningen av cellen och linsen. Solcellen har faktiskt placeras exakt centrerad med ljusfläcken kastas av objektivet för att undvika snedställning, eftersom om en dålig initial positionering används, photocurrent minskning på grund av oskärpa ändras. Ett annat fel som kan uppstå är som orsakas av olika skuggning faktorer av rutnätet främre metallisering (MJ solcellen används som en sensor är kalibrerad med enhetliga irradians men linserna kasta en Gaussisk form profil på det under mätningarna). För att säkerställa att metallisering inte påverkar experimentella resultat, är det lämpligt att utföra flera mätningar undantränger linsen och som en följd, ljusfläcken på mottagaren planet. Om den uppmätta photocurrent varierar betydligt när något rör ljusfläcken, innebär det att rutnätet metallisering påverkar mätningarna.
Det finns andra metoder som är lämpliga för att mäta optisk effektiviteten av en primär lins, t.ex. med hjälp av termiska irradians sensorer såsom thermopiles10. Den största nackdelen med detta tillvägagångssätt är att svaret från en termisk sensor är för långsam för någon flash-ljus källa. Det kan därför endast tillämpas på utomhus mätningar (som är mycket känsliga för fördel‑ spektral irradians och andra väderförhållanden). Med den föreslagna metoden undviks denna begränsning.
Dessutom använder solcellen baserat förfarande, det skulle också vara möjligt att få storleken på ljus plats gjutna av en lins. Att göra så, att photocurrents genererade av flera MJ solceller av samma typ och olika men liknande storlekar behöver mätas. För de celler vars storlek är mindre än den lätta spot gjuten av linsen, minskar den uppmätta photocurrent när cellen yta minskar på grund av ljuset rinner ut ur cellen. Omvänt, photocurrent konstant för MJ solceller vars storlek är större än ljusfläcken, eftersom oavsett cellytan, alla ljuset överförs av objektivet når solcellen. Storleken på ljusfläcken därför lika med storleken på den minsta cell som uppnår maximal effektivitet. För denna metod används ju högre antalet solceller, ju högre upplösningen.
Eftersom en uppsättning av solceller som är lämplig att utföra mätningarna som beskrivs inte är alltid tillgängliga, har CCD kamera förfarandet föreslagits att mäta storleken på ljus plats. Tack vare den breda dynamiska räckvidd CCD sensor, använder fotografier av ljusfläcken tagit med kameran, är en korrekt jämförelse mellan topp och dal värden möjligt. För att beräkna absolutvärdet av irradiansen, skulle en kalibrering av hela set-up, inklusive filter och CCD-kamera, vara nödvändigt. Dock från fotograferar är det möjligt att separera det belysta området från det mörka området över en bild och, således uppskatta storleken på ljus plats. De viktigaste nackdelarna med denna teknik är den spektrala obalansen mellan CCD-sensor och en MJ solcell och det ljud som alstras av ljuskällor skiljer sig från den kollimerad stråle som genereras av solsimulator. Angående det första problemet, är genom att lägga till en varm eller kall spegel CCD kameran, det möjligt att erhålla en spektrala som är mycket liknande till det av övre och mellersta underordnade celler (se figur 6). Dessutom, för att begränsa bakgrund buller, är det nödvändigt att helt mörkare kammaren av CPV simulatorn. Eftersom det är nästan omöjligt att helt undvika externa ljuskällor, bildbehandling är mycket viktigt och måste programmeras väl. Den mest kritiska steget är att eliminera bakgrundsljud. Buller filtrering delvis kan automatiseras, men på grund av det starka beroendet med yttre faktorer som är knappast förutsägbara, varje bearbetade bilden genomgår en okulärbesiktning.
CCD förfarandet kan användas för att erhålla utvecklingen av ljus spot storlek som en funktion av linsen temperaturen genom att lägga till systemet en termiska kammare där linser är placerade. I detta fall, förutom de felkällor som tidigare beskrivits, uppstår osäkerhet från objektiv temperaturmätningar. Det kontroll termoelementet (en direkt ansluten till datorn) representerar inte riktiga lins temperaturen eftersom sensorn är placerad i en punkt på den termiska avdelningen nära men inte är direkt kopplade till linser som skall mätas. Därför temperaturen mätt med sådan en termoelement är en genomsnittlig temperatur av miljön kring linserna och det motsvarar inte nödvändigtvis riktiga lins temperaturen. Det är därför ansluta varje lins till en oberoende termoelement rekommenderas. Dock finns det förmodligen en temperaturgradient mellan olika punkter av linsen. För att kvantifiera denna osäkerhet, när den termiska avdelningen uppnår önskad temperatur, och innan du utför någon mätning, är det bättre att vänta 15-20 minuter för att låta systemet temperaturen blir så enhetlig som möjligt.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete har stötts delvis av det spanska ministeriet för ekonomi och konkurrenskraft inom ramen för Acromalens-projektet (ENE2013-45229-P) och det har fått finansiering från EU: s Horizon 2020 forsknings- och innovationsprogram inom projektet CPV Matcha under lån avtal nr 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 |