Den akromatisk doublet på glas (ADG) Fresnel linse gør brug af to materialer med forskellige spredning til at reducere kromatisk aberration og øge opnåelige koncentration. I dette papir præsenteres en protokol for fuldstændig karakterisering af ADG Fresnel-linse.
Vi præsenterer en metode til at karakterisere akromatisk Fresnel linser for fotovoltaiske applikationer. Den akromatisk doublet på glas (ADG) Fresnel linse er sammensat af to materialer, en plastik og en elastomer, hvis spredningsegenskaber (brydningsindeks variation med bølgelængde) er forskellige. Vi først designet linse geometri og derefter brugte ray-tracing simulation, baseret på metoden Monte Carlo til at analysere ydelsen fra både optisk effektivitet og den maksimalt opnåelige koncentration. Bagefter, ADG Fresnel lens prototyper blev fremstillet ved hjælp af en simpel og pålidelig metode. Det består af en forudgående injektion af plastdele og et fortløbende laminering, sammen med elastomer og et glas substrat til at fabrikere parket ADG Fresnel linser. Nøjagtigheden af de fremstillede linse profil er undersøgt ved hjælp af en optisk mikroskop, mens dens optisk ydelse vurderes ved hjælp af en sol simulator for koncentrator fotovoltaiske systemer. Simulatoren er sammensat af en xenon flash lampe hvis udsendes lyset reflekteres af en parabolsk spejl. Kollimeres lyset har en lydenergiens fordeling og en lignende til virkelige vinkelåbning solen. Vi var i stand til at vurdere den optiske ydeevne ADG Fresnel linser at tage fotografier af irradians spot støbt af linsen ved hjælp af en afgift – sammen enhed (CCD) kamera og måling af en photocurrent, genereret af flere typer af multi junction (MJ) sol celler, der har været tidligere karakteriseret ved en sol simulator for koncentrator solceller. Disse målinger har vist akromatisk funktionsmåden af ADG Fresnel linser og som en konsekvens, modellering og fremstillingsmetoder egnethed.
Koncentrator solceller (CPV) er en lovende teknologi til at reducere omkostningerne ved solar-baseret elektricitet, fordi denne teknologi kan drage fordel af den hurtige trinvise forbedring af effektiviteten af avanceret multi junction (MJ) solceller. Disse enheder er sammensat af flere underordnede celler, (normalt tre navngivet som toppen, midten og bunden) hver især består af en forskellige halvleder sammensatte. Alle underordnede celler har en forskellige bandgap resulterer i en anderledes spektrale reaktion, som gør det muligt for hver enkelt at konvertere en særskilt del af solens spektrum til elektricitet. På denne måde er MJ solceller i stand til at udnytte en bred vifte af solens spektrum (typisk 300-1800 nm) at opnå effektivitet værdier højere end 46% under koncentreret lys1. For at kompensere for de høje omkostninger ved sådanne fotovoltaisk udstyr, anvendes optiske systemer at koncentrere irradians på dem, hvilket reducerer den endelige system omkostninger. I øjeblikket, er de fleste af de kommercielt tilgængelige høj koncentration solcelle (HCPV) systemer baseret på silikone på glas (SoG) hybrid Fresnel linser2. I alle refraktive optiske systemer er kromatisk aberration den faktor, der er hårdest faldende linse ydeevne med hensyn til den maksimale opnåelige koncentration3 (dvs. minimum lys spot område). At gøre brug af en achromatic linse, det vil sige, en linse med stærkt nedsat kromatisk aberration, er det muligt at øge den maksimale opnåelige koncentration uden behov for nogen yderligere optiske elementer (benævnt som sekundære optiske elementer 4 , 5).
Design af achromatic linser (almindeligvis kaldet akromatisk dubletter fordi de er fremstillet, kobling to materialer med forskellige spredningsegenskaber) har været kendt siden 1700-tallet. Den konventionelle akromatisk doublet er sammensat af to forskellige briller: den første kaldes kronen og har lav dispersion, mens den anden kaldes flint og har høj spredning. De samlede omkostninger ved disse former for briller og deres behandling gør dem imidlertid ubetalelige for HCPV systemer. Languy og Co-forfattere har foreslået en akromatisk doublet for CPV består af to plast: poly(methyl methacrylate) (PMMA) og polycarbonat (PC)6. I deres artikel er en sammenlignende analyse af de forskellige konfigurationer og deres fordele præsenteret, men uden at tage deres manufacturability og skalerbarhed på høj produktion.
ADG Fresnel-linse her foreslåede er udformet på en sådan måde, at lys på et bestemt kort bølgelængde (“blå” lys) og en bestemt lang bølgelængde (“rød” lys) har præcis den samme brændvidde. Oplysninger om metoden design for standarden akromatisk dubletter kan findes andetsteds7. Flere ray-tracing simuleringer er foretaget til at demonstrere de forbedringer, der er fremstillet ved hjælp af en ADG Fresnel-linse i stedet for en konventionel SoG Fresnel-linse. En detaljeret rapport om de opnåede resultater blev præsenteret i4. Det vigtigste resultat er, at når erstatte en konventionel SoG Fresnel-linse med en ADG Fresnel-linse, den opnåelige koncentration øger omkring tre gange samtidig opretholde den samme optiske effektivitet. Desuden, da fremstillingsprocessen8 med henblik på at opnå ADG er meget lig en ansat til at fabrikere SoG linser, stigning i koncentrationen opnås uden væsentligt øge udgifterne.
Præsenterer her vi en protokol for at udføre en omfattende karakterisering af koncentratorer bestående af en brydningsindeks primære linse og vi anvender denne protokol til både en konventionel SoG Fresnel-linse (anvendes som benchmark) og flere ADG Fresnel lens prototyper. For at gøre det, er en sol simulator for CPV blevet brugt. En detaljeret beskrivelse af simulatoren og alle dens komponenter, samt dens principper, er blevet forelagt andetsteds9.
Metoden, der foreslås til karakterisering af ADG Fresnel linser indeholder to forskellige procedurer: den første, der bruger solceller som lyssensorer, mens andet er baseret på en CCD kamera.
Anvende en solcelle baseret procedure, en photocurrent, genereret af en MJ solcelle er blevet målt ved hjælp af forskellige Fresnel linser som koncentratorer. Som beskrevet i protokollen, CPV sol simulator gør brug af en xenon flash lampe udsender lys, der reflekteres på en parabolsk spejl. Sådan et spejl genererer en kollimeres lysstråle i måling flyet (sammenfaldende med blænden). På grund af spejlet produktions tolerancer og overfladeruhed er kollimeres lys ikke ensartet i måling flyet. Ikke ensartethed af irradiansen over tiden lavet af den sol simulator er den vigtigste kilde til fejl i vores eksperimentelle målinger10. Da store linser integrere irradians på måling flyet over et stort område, afhænger fejl på grund af ikke-ensartethed størrelsen af linsen. Den sol simulator for CPV systemer bruges på Solar Energy Institute opnår en bedre end ± 5% til 3 x 3 cm optik9ensartethed. For ADG Fresnel lens testet her, hvis optiske blænde er 40 x 40 mm, effekten af ikke-ensartethed over måling kan være kritisk. For at reducere denne usikkerhed, er en reference linse igen målt før foretage et eksperiment. Desuden, når de udfører disse målinger, det er altafgørende at være særlig omhyggelig under justeringen af cellen og linsen. Faktisk har solcellen skal placeres præcist centreret med lys stedet støbt af linsen for at undgå forskydning, fordi hvis en dårlig oprindelige placering er anvendte, photocurrent nedbringelse på grund af defocusing er ændret. En anden fejl, der kan opstå, er forårsaget af forskellige skygge faktorer af foran metallization gitter (MJ solcellen anvendes som en sensoren er kalibreret ved hjælp af ensartet irradians, men linserne støbt en Gaussisk form profil på det under målingerne). For at sikre, at metallization ikke påvirker eksperimentelle resultater, er det nyttigt at udføre flere målinger fortrænger linsen og, som en konsekvens, den lyse plet på modtager fly. Hvis den målte photocurrent varierer betydeligt når lidt bevæger den lyse plet, betyder det, at gitteret metallization påvirker målinger.
Der er andre metoder, der er velegnet til at måle den optiske effektivitet af en primær linse, fx ved hjælp af termisk irradians sensorer som thermopiles10. Den største ulempe ved denne tilgang er, at svaret fra en termisk sensor er for langsom til enhver flash-lyskilde. Det kan derfor kun anvendes til udendørs målinger, (som er meget følsomme over for den lydenergiens fordeling af irradians og andre vejrforhold). Med den foreslåede metode, er denne begrænsning undgået.
Derudover benytter solar cellen baseret procedure, det ville også være muligt at opnå på størrelse med en lys plet kastet af en linse. At gøre så photocurrents genereret af flere MJ solceller af samme type og forskellige, men lignende størrelser skal måles. For de celler, hvis størrelse er mindre end det lys plet kastet af linsen, mindsker de målte photocurrent som celle overflade falder på grund af lyset breder ud af cellen. Omvendt, at photocurrent forbliver konstant for MJ solceller hvis størrelse er større end den lyse plet, da uanset celleoverfladen, alle de lys, der overføres via linsen når solcellen. Derfor, størrelsen af den lyse plet er lig med størrelsen af den mindste celle, der opnår maksimal effektivitet. Til denne metode brugt jo højere antallet af solceller, jo højere opløsning.
Da et sæt af solceller, der er egnet til at udføre de beskrevne målinger ikke er altid tilgængelig, er CCD kamera procedure blevet foreslået til at måle lys spot størrelse. Takket være den bredt dynamikområde af CCD-sensor, ved hjælp af fotografier af lys stedet taget med kameraet, er en nøjagtig sammenligning mellem bjerg og dal værdier muligt. For at beregne den absolutte værdi af irradiansen over tiden, ville en kalibrering af det hele set-up, herunder filtre og CCD kamera, være nødvendigt. Fra fotografier er det dog muligt at adskille det belyste område fra det mørke område over et billede, og dermed, skøn lys spot størrelse. De vigtigste ulemper ved denne teknik er den spektrale uoverensstemmelse mellem CCD-sensor og en MJ solcelle og den stoej, som frembringes af lyskilder forskellige fra kollimeres strålen genereret af den sol simulator. Hvad angår det første problem, er ved at føje et varmt eller koldt spejl til CCD-kamera, det muligt at opnå en spektrale reaktion meget lig den af øverste og midterste underordnede celler (Se figur 6). Derudover for at begrænse baggrundsstøj, er det nødvendigt at helt mørkere kammer af CPV-simulator. Da det er næsten umuligt at helt undgå eksterne lyskilder, billedbehandling er meget vigtigt og skal programmeres godt. Den mest kritiske trin er fjernelse af baggrundsstøj. Støjfiltrering kan være delvist automatiseret, men på grund af den stærke afhængighed med eksterne faktorer, der er næppe forudsigelige, hver forarbejdede billedet gennemgår en visuel undersøgelse.
CCD procedure kan bruges til at opnå udvikling af den lette spot størrelse som funktion af linse temperatur ved at føje til systemet en termisk kammer hvor linser er placeret. I dette tilfælde, udover de fejlkilder, der tidligere er beskrevet, skyldes usikkerhed linse temperaturmålinger. Kontrol termoelement (den ene er direkte tilsluttet computeren) repræsenterer ikke den rigtige linse temperatur, fordi sensoren er placeret i et punkt af den termiske kammer tæt men ikke er direkte forbundet til linserne skal måles. Derfor, temperaturen målt ved hjælp af sådanne termølement er en gennemsnitlig temperatur på miljøet omkring linser og det svarer ikke nødvendigvis til den rigtige linse temperatur. Det er derfor forbinder hver linse til en uafhængig termoelement anbefales. Alligevel er der sandsynligvis en temperaturgradient mellem forskellige punkter af linsen. For at kvantificere denne usikkerhed, når den termiske kammer opnår den ønskede temperatur, og før du udfører nogen måling, det er bedre at vente 15-20 minutter for at lade systemet temperatur bliver så ensartet som muligt.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbejde er blevet delvist understøttet af det spanske ministerium for økonomi og konkurrenceevne under Acromalens-projektet (ENE2013-45229-P) og det har modtaget støtte fra EUs Horisont 2020 forskning og innovation program inden for projektets CPV Passer under grant aftale nej 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 |