Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
1. lens modellering met behulp van Ray-Tracing simulatie
- Model voorbereiding
- Import ADG Fresnel lens geometrie in ray-tracing simulatiesoftware en instellen van eigenschappen van het materiaal zoals doorlating en brekingsindex.
Opmerking: Het ADG Fresnel-ontwerp is ontwikkeld op het zonne-energie-Instituut en het bestaat uit de computercode gebaseerd op fundamentele optica principes zoals Fermat ' s principe en Snell ' s recht. Dispersie curven van de materialen voor het samenstellen van de lens zijn gebruikt de ontwerpmethode te ontwikkelen. Een gedetailleerde beschrijving van de ontwerpmethode wordt gepresenteerd elders 4. - Instellen van een lichtbron met real eigenschappen van de zon zoals hoekige diafragma en spectrale distributie.
- Plaats een ontvanger op een afstand van de lens gelijk is aan de nominale scherpstelafstand.
- Import ADG Fresnel lens geometrie in ray-tracing simulatiesoftware en instellen van eigenschappen van het materiaal zoals doorlating en brekingsindex.
Figuur 1. Screenshot van de ray-tracing simulatiemodel. Het is mogelijk om te observeren van de lichtbron, de ADG Fresnel lens (bestaande uit het glas-substraat, de elastomeer, en de plastic bi-Fresnel lens) en de ontvangers gebruikt voor het meten van de bestralingssterkte op de opening van de lens (lens ontvanger) en de bestralingssterkte bij de uitgang (zonne- cel ontvanger). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
- uitgevoerd van de simulatie en gewenste resultaten zoals de maximaal haalbare concentratie en lens optische efficiëntie te berekenen. Haalbare concentratie wordt gedefinieerd als de verhouding tussen het optische diafragma van de lens en het gebied van de receiver waar de plek is gegoten. Optische efficiëntie wordt gedefinieerd als de verhouding tussen het vermogen bij de ontvanger en de kracht op de lens optische diafragma 10.
Opmerking: Het gebied van de ontvanger is veel groter dan de lichte plek gegoten door de lens om ervoor te zorgen dat de ontvanger elke ray verzonden door de lens verzamelt. Op deze manier houdt de berekende optische efficiëntie rekening verliezen als gevolg van materialen absorptie, reflectie, en de productie van beperkingen (concepthoeken en tip afronding op hoek en valleien). - Herhaal stap 1.1. en 1.2. simuleren van een conventionele siliconen-op-glas (SoG) Fresnel in plaats van een ADG Fresnel lens moet worden gebruikt als maatstaf.
2. Karakterisering van de zonnecel
Figuur 2. Zonne-simulator voor concentrator zonnecellen. Foto van de zonne-simulator gebruikt om te karakteriseren zonnecellen onder geconcentreerde bestralingssterkte. Op de bovenkant van de figuur is het mogelijk om te observeren de lamp waarvan de positie het concentratieniveau bepaalt. Op de bodem, is het meten vliegtuig met referentie component zonnecellen en de DUT komt te staan. Aan de linkerkant van de foto is het mogelijk om te waarderen de elektronische apparatuur (voeding en DAQ) en de computer die wordt gebruikt voor het uitvoeren van de karakterisering. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
- Kalibratie van zonne-simulator voor de karakterisering van het zonne-cel
- plaats binnen de zonne-simulator de verwijzing component cellen (boven, Midden en beneden), ook bekend als isotypes, die onder een verwijzing zijn gekalibreerd spectrum en het apparaat beproeven (DUT), dat wil zeggen de zonnecel meetoplossingen.
Opmerking: Plaats de verwijzingen naar cellen en DUT zo dicht bij elkaar mogelijk teneinde mogelijke fouten ten gevolge van de niet-uniforme verlichting op het meetinstrument vliegtuig. - Pas de flitslamp positionering (hoogte) om te komen tot het gewenste niveau van concentratie. Hoe verder de lamp komt uit het meten vliegtuig, hoe lager de concentratie bereikt.
- De spectrale verdeling is afhankelijk van de positie van de lamp en de intensiteit van de flits. Het toevoegen van de nodige filters om aan te passen van de spectrale verdeling. De procedure voor het verkrijgen van een soortgelijk aan het referentiespectrum verdeling wordt beschreven in stap 2.2.1.
- De isotypes en de DUT verbinden met de Data-acquisitie (DAQ) Raad van bestuur van de zonne-simulator.
- Met behulp van een teksteditor, maak een tekstbestand met de polarisatie-waarden worden gebruikt in de cel stroom-spanning (IV) curve meting. Het tekstbestand bevat één regel per punt van spanning. Meer spanning punten resulteren in hogere resolutie van de curve. Aangezien de betrokken zonnecellen MJ zonnecellen, de polarisatie-waarden bestaan uit waarden tussen 0 V en 3.1 V.
- plaats binnen de zonne-simulator de verwijzing component cellen (boven, Midden en beneden), ook bekend als isotypes, die onder een verwijzing zijn gekalibreerd spectrum en het apparaat beproeven (DUT), dat wil zeggen de zonnecel meetoplossingen.
- Maten
- de lichtintensiteit in de flash verval heeft een eerste piek en dan begint te verminderen ( Figuur 3). De spectrale lichtverdeling wordt ook gewijzigd gedurende de flash pols. Een conventionele MJ zonnecel bestaat uit drie sub cellen met verschillende bandgaps die in serie zijn geschakeld. Elke sub cel kunt omzetten in elektriciteit in een ander deel van het zonnespectrum. Daarom wordt de huidige gegenereerd door de zonnecel MJ altijd beperkt door de sub cel produceren de minst recente. Voor het uitvoeren van een nauwkeurige meting, selecteer een bestralingssterkte waar beide isotypes, overeenkomt met de bovenste en middelste sub cellen, precies hetzelfde bestralingssterkte niveau aangeven. Dit bevestigt dat de cel onder het streefniveau voor de concentratie en het spectrum wordt gemeten. Het feit dat het niveau van de bestralingssterkte aangegeven door de onderste sub cel niet samenvallen, kan worden verwaarloosd. Dit is omdat commerciële Ge gebaseerde MJ zonnecellen nooit huidige limited door deze sub cel zijn. Figuur 3 toont een grafische uitleg van deze procedure.
- Zodra de gewenste bestralingssterkte niveau voor meting is aangeduid, start de IV-test. De simulator leest polarisatie punten uit het tekstbestand gedefinieerd in stap 2.1.4.; voor elk punt, de apparatuur polariseert de cel op de gewenste spanning, activeert de flitser, en meet de huidige gegenereerd door de zonnecel. Het paar van stroom- en waarden, dat wil zeggen de IV-curve, wordt weergegeven op het computerscherm.
Opmerking: Vanaf de IV-curve, is het mogelijk om de kortsluitstroom (ik sc), open circuit voltage (V oc), opvulfactor (FF) en efficiëntie van het DUT (hoewel in de volgende secties alleen de huidige kortsluiting wordt). - Herhaal stap 2.2.2. op verschillende concentraties om te controleren dat de zonnecel photocurrent lineair afhangt van de concentratie-niveau (Zie Figuur 4) en, vandaar, de geijkte cel kan worden gebruikt als een lichtsensor om te het bepalen van de bestralingssterkte bij het brandvlak van de lens. Voor elk concentratieniveau, het aanpassen van de spectrale verdeling van het flitslicht met behulp van geschikte filters om het uitvoeren van metingen wanneer zowel isotypes, boven- en middelste sub cellen, geven de gelijke van de bestralingssterkte, zoals uitgelegd in stap 2.2.1.
Figuur 3. De tijdsevolutie van de gemeten grootheden in de flash verval. In de grafiek, is het gemarkeerd op het moment wanneer de isotype cellen, overeenkomt met de bovenste en middelste sub cellen, de hetzelfde niveau van de bestralingssterkte meet. Na de zwarte onderbroken lijn die begint vanaf het snijpunt van de curven overeenkomt aan de boven- en Midden subcells, is het mogelijk om te identificeren van de huidige waarde van DUT (zwarte cirkel) als de huidige gemeten in het nauwkeurige moment in welke bovenste en middelste referentie sub cellen zien hetzelfde bestralingssterkte niveau. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 4. (A) schema van de installatie kunnen voeren experimentele testen. (B) foto van de experimentele opstelling en bijbehorende onderdelen (lichtbron met het integreren van de bol, lens monster, CCD-camera en zonnecellen gebruikt als lichte sensoren). De parabolische spiegel en filters zijn niet zichtbaar op deze foto. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
3. lens karakterisering.
Figuur 5. Grafiek vertegenwoordigen de evolutie van de photocurrent die is gegenereerd door een zonnecel MJ als een functie van de concentratie. Zoals verwacht is er een lineaire afhankelijkheid. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
- Setup voorbereiding.
- Mount de 3-assige geautomatiseerd positionering platform: een gesubsidieerde bewegende computerplatform kunnen nauwkeurig controleren van de relatieve positie tussen de geijkte zonnecel/CCD-camera en de lens te meten.
- Controleer of de 3-assige geautomatiseerde positionering platform perfect horizontaal met behulp van een waterpas is.
- De ondersteuning van de zonnecel/CCD-camera's monteren op het platform ' s verplaatsen houder op zodanige wijze dat het mogelijk is te zijn positie langs x, y- en z-assen bepalen.
- Mount de lens ondersteuning in het platform voor de bewegende houder in stap 3.1.2 beschreven. Met behulp van de bewegende houder op de x- en y assen, het is mogelijk om perfect het midden van de lens met betrekking tot de doelstelling van de zonnecel/CCD camera. De houder langs de z-as te verplaatsen, is het mogelijk om de zonnecel/CCD camera doelstelling in de optimale brandpunt van de lens (plek minimummaat) en om deze te verplaatsen langs de optische as.
- Elk apparaat (automatische positionering platform, DAQ board voor het meten van de cel photocurrent, de CCD-camera, en de xenon lamp) verbinden met de computer die wordt gebruikt voor het uitvoeren van de volledige experimentele test
- Test de verbinding en de werking van alle aangesloten apparaten.
- De beheersing van de zonne-simulator voor CPV software niet openen en druk op de knop " licht pols " om te kunnen fotograferen van een flitser. Als de flash verval grafiek op Figuur 3 lijkt, betekent dit dat DAQ bestuur, xenon lamp isotype subcells en DUT correct werken.
- De controle van de CCD-camera om te controleren of de camera goed werkt software niet openen.
- De besturen van de gesubsidieerde bewegende computerplatform software niet openen en gebruiken voor het verplaatsen van de bewegende houder langs de drie assen. Te doen, moet u één as onder de assen genoteerd op de top links van het venster software, dan invoegen een positie in " zet absolute " en pulse " uitvoeren ". Wanneer de houder van de bewegende beweegt, zoals verwacht, het betekent dat de bewegende platform functioneert.
- Clean en plaats de lens te meten op de vaste steun gemonteerd op de automatische positionering platform.
- Aan de voorkant van de sensor, plaats of een hete spiegel (korte pass filter blokkeren licht waarvan de golflengte is meer dan 700 nm) of een koude spiegel (lange pass filter blokkeren licht waarvan de golflengte korter dan 700 is nm).
Opmerking: Stap 3.1.7. is alleen nodig voor metingen met behulp van de CCD-camera. - Gebruik van de bewegende houder te centreren de zonnecel/CCD-camera met betrekking tot de lens en het in de optimale brandpunt.
- Met behulp van een willekeurige teksteditor, maak een tekstbestand waarin elke regel in de coördinaten die overeenkomt met een meetpunt (een bepaalde lens-to-ontvanger afstand) dat vanaf een positie van de cel/CCD camera 5 mm dichter naar de lens dan de optimale scherpstelafstand en tot een positie verder 5 mm.
- Mount de 3-assige geautomatiseerd positionering platform: een gesubsidieerde bewegende computerplatform kunnen nauwkeurig controleren van de relatieve positie tussen de geijkte zonnecel/CCD-camera en de lens te meten.
- Meting fase
- zonnecel metingen
Opmerking: op dezelfde manier als de zonne-simulator voor zonnecellen beschreven in de vorige sectie, de lichtintensiteit en de spectrale verdeling van de zonne-simulator voor CPV wijzigingen gedurende het flash verval. De grafische weergave van de flash verval is vergelijkbaar met degene die zijn verkregen met de zonne-simulator voor concentrator cellen beschreven in stap 2.2.1. en afgebeeld in Figuur 3. Er is een eerste piek en vervolgens het vermindert. De spectrale lichtverdeling wijzigingen gedurende het flash verval. De meting wordt uitgevoerd op het moment waar beide isotypes, overeenkomt met de bovenste en middelste sub cellen, geven de gelijke van de bestralingssterkte.
Opmerking: In tegenstelling tot het geval van de zonne-simulator voor zonnecellen in dit geval het enige besturingselement dat we over het niveau van de bestralingssterkte hebben is de flash lichtintensiteit en neutrale filters- zodra het optimale bestralingssterkte niveau is geconstateerd, is het mogelijk om te beginnen de test. Voor elke positie gedefinieerd in stap 3.1.9., leiden tot het flitslicht. De simulator vervolgens genereert een tekstbestand met gegevens signalen in de flash verval waaruit je kan afleiden zonnecel huidige generatie onder licht door de lens geconcentreerd.
- Herhaal stap van 3.1.7. aan 3.2.1.3. voor elke lens meetoplossingen.
- CCD camera metingen
- voor elke positie gedefinieerd in 3.1.9., met behulp van de CCD-camera, neem een foto van de gegenereerde licht plek.
Opmerking: De CCD sensor van de camera in combinatie met een warme of koude spiegel heeft een spectrale respons vergelijkbaar aan de bovenkant en de midden sub cel, respectievelijk (Zie Figuur 6). Bovendien, om foto's met nuttige informatie, het is noodzakelijk om enkele voorzorgsmaatregelen nemen. In de eerste plaats moet de lichtsterkte van de flitser te krijgen een goede signal-to-noise verhouding, op hetzelfde moment, niet verzadigen de CCD-sensor worden aangepast. Om dit te doen, is het mogelijk voor het direct wijzigen van de intensiteit van de flits of neutrale filters worden gebruikt om de gewenste bestralingssterkte niveau. In de tweede plaats is het belangrijk dat de simulator kamer helemaal donker om te voorkomen dat de invloed van externe lichtbronnen op metingen. - Temperatuurmetingen
- de lens te plaatsen gemeten insIDE de thermische kamer gebruikt om de temperatuur van de lens tijdens de test
- Met behulp van de thermische zaal, variëren de lens temperatuur van 10 ° C tot 50 ° C met stappen gelijk is aan 10 ° C. Om dit te doen, plaatst u de lenzen in een thermische kamer met een transparante voorzijde kaft.
- Uitvoeren van meting voor verschillende temperaturen met behulp van de CCD-camera op dezelfde manier beschreven in 3.2.2.1.
Opmerking: De temperatuur van de lens wordt getest wordt rechtstreeks gemeten door middel van thermokoppels die eraan verbonden zijn. Het temperatuurverschil over het oppervlak van de lenzen is lager dan 2 ° c
- voor elke positie gedefinieerd in 3.1.9., met behulp van de CCD-camera, neem een foto van de gegenereerde licht plek.
- zonnecel metingen
Figuur 6. Spectrale respons (SR) van de CCD camera silicon sensor gefilterd op een koude spiegel of een warmte-glas (leeg dots) te simuleren de SR van de middelste en bovenste sub cellen van een 3 J rooster-matched zonnecel (vaste punten). Dit cijfer is gewijzigd van 10.
- verwerking van de resultaten van de meting van de zonnecel.
- Gebruiken die zijn gekalibreerd isotype celbestanddelen ter referentie, bepalen de photocurrent gegenereerd door de bovenste en middelste sub cellen van de zonnecel gebruikt als een lichte sensor voor elke positie (voor een gedetailleerde bespreking over hoe te schatten boven en Midden photocurrents van de signalen opgenomen tijdens het flash verval verwijzen naar 11).
- Tekenen van een grafiek vertegenwoordigen de benaderd photocurrent als een functie van de afstand van de lens-to-ontvanger voor zowel boven- als middelste sub cellen.
- Vergelijken de resultaten verkregen met behulp van de ADG Achromatische fresnellens met die van de SoG fresnellens.
- Verkregen met CCD camera meting verwerkingsresultaten.
- Bepalen dat het zwaartepunt van het licht in de foto's genomen met de camera CCD.
Opmerking: De " centroid van licht " van de kaart van een bestralingssterkte distributie is het centrum van het gebied waarvan bestralingssterkte niveau hoger dan 90% van de maximale bestralingssterkte van de kaart is. - Zodra de plek centroid is geïdentificeerd, een aantal mogelijke radiuses definiëren en voor elke één, bereken het percentage van het licht opgenomen binnen de cirkel met betrekking tot de totale bestralingssterkte opgenomen in de foto.
- Berekenen de plek straal. Het is gedefinieerd als de straal met 95% van de totale bestralingssterkte.
Opmerking: Een waarde van 95% heeft gekozen om te voorkomen dat een kunstmatig grote plek als gevolg van het lawaai veroorzaakt door licht vervolgt zijn van externe bronnen, dat wil zeggen, direct licht van de xenon lamp of licht uit de omgeving. - Stappen voor verwerking van 3.4.1. aan 3.4.3. voor metingen met een warme en koude spiegel.
- Plot een grafiek vertegenwoordigen de lichte plek diameter als een functie van de afstand van de lens-to-ontvanger met betrekking tot de optimale positie (spot minimummaat) voor zowel blauw als rood licht (warm spiegel en koude spiegel metingen, respectievelijk).
- Bepalen dat het zwaartepunt van het licht in de foto's genomen met de camera CCD.
Representative Results
De belangrijkste resultaten van de eerder beschreven experimentele tests zijn de volgende:
-Achromatische gedrag van ADG Fresnel lens is aangetoond met behulp van CCD camera metingen (Figuur 7).
-De optische efficiëntie (in verhouding staan tot de huidige gemeten door de MJ cel gebruikt als een lichtsensor) van de ADG Fresnel lens toont een grote tolerantie wanneer de cel wordt verplaatst van de optimale scherpstelafstand en langs de as van de brandpuntsafstand (Figuur 8).
-De grootte van de ter plaatse gegoten door de lens van ADG toont een grote tolerantie voor verschillende temperaturen (Figuur 9).
De evolutie van de plek diameter als een functie van de afstand van de lens-to-ontvanger wordt getoond in Figuur 7 voor zowel lenzen, een conventionele SoG Fresnel-lens en de ADG Fresnel lens. De bovenste en middelste sub cellen hebben afzonderlijk geanalyseerd door middel van twee dichroïde filters, een hete mirror filter licht met een golflengte hoger dan 700 nm en een koude spiegel filteren licht waarvan de golflengte korter dan 700 is nm. In figuur 7ablijkt dat de minima van de twee krommen zijn ontheemd. Dit is te wijten aan de chromatische aberratie: aangezien de brekingsindex voor korte golflengten hoger is, het focal point voor blauw licht is dichter bij de lens. Vervolgens de minimale plek voor blauw licht wordt verplaatst naar links (richting de lens) en de minimale plek voor rood licht wordt verplaatst naar rechts (richting oneindigheid). Omgekeerd, in de figuur 7b, kan worden geconstateerd dat voor de ADG Fresnel lens, de positie van de minimale plek voor blauw licht komt precies met de minimale plek voor rood licht overeen, bewijzen dat de lens Achromatische gedrag vertoont.
De evolutie van de genormaliseerde photocurrent gegenereerd door een zonnecel van MJ verlicht door een gecentraliseerd lens als een functie van relatieve cel-lens afstand wordt weergegeven in Figuur 8. Het bredere aspect van de curve voor de ADG Fresnel lens betekent dat, dankzij het Achromatische ontwerp, het een hogere tolerantie tot een verplaatsing van de lens van de optimale positie langs de optische as dan een conventionele SoG Fresnel lens heeft. Dientengevolge, zijn ADG lenzen meer tolerante assembleren fouten of een verschijnsel dat de scherpstelafstand, bijvoorbeeld, een variatie van de temperatuur verandert.
Tot slot, de variatie van het licht ter plaatse gegoten door de lens als een functie van de temperatuur van de lens wordt weergegeven in Figuur 9. De bovenste en middelste sub cellen hebben afzonderlijk geanalyseerd door middel van dichroïde filters (warm en koud spiegels). Lenzen zijn gezet in een thermische kamer met een transparante cover glas om te controleren hun temperatuur12. De grafieken in Figuur 9 tonen hoe de variatie van de temperatuur een lagere impact heeft op de ADG Fresnel lens dan op de verwijzing SoG fresnellens. In feite, voor het laatste, voor een toename van de temperatuur van 20 ° C, de uitbreiding van de lichte plek grootte is belangrijk: de diameter is ongeveer 30% groter is voor de bovenste sub cel en maximaal 60% groter is voor de middelste sub cel. Integendeel, voor de ADG lens, zelfs in het ergste geval de stijging is onder de 20%. Dat betekent dat zelfs onder buiten bedrijfsomstandigheden met sterke thermische excursie met behulp van de ADG lens de systeemprestaties stabieler maken zou.
Figuur 7. Gemeten ter plaatse diameter als een functie van de afstand van de lens-to-ontvanger. De diameter van de spot wordt gedefinieerd als dat inclusief 95% van de energie. Rode onderbroken lijnen geven de plek diameters voor langere golflengten (die meestal geconverteerd door de middelste sub cel in MJ zonnecellen, dwz., 650-900 nm) en blauwe ononderbroken lijnen geven de plek diameters voor kortere golflengten (die meestal gedekt door de hoogste subcell, dat wil zeggen, 350-650 nm). (een) SOG Fresnel lens, (b) ADG Fresnel lens. Dit cijfer is gewijzigd van8. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 8. Genormaliseerde photocurrent gegenereerd door een zonnecel van MJ waarvan buitendiameter 3 mm als een functie van de relatieve afstand van de cel-naar-lens is. Elke kromme is verdeeld door de maximale waarde. De nul in de x-as voor drie lenzen vertegenwoordigt de optimale scherpstelafstand (waar de plek minimaliseert). Achtergrond curven vertegenwoordigen de genormaliseerde photocurrents gegenereerd door de top (cirkelvormige markeringen) en Midden (driehoekige markeringen) sub cellen. ADG_v2 is een verbeterd ontwerp van de ADG Fresnel lens. De genormaliseerde huidige geproduceerd door de zonnecel MJ (de minimale waarde tussen de bovenkant en de Midden photocurrents) is duidelijkheidshalve opgemerkt. Dit cijfer is gewijzigd van 13. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Figuur 9. Relatieve plek grootte als functie van de temperatuur van de lens. (A) resultaten met betrekking tot de bovenste sub cel (meting uitgevoerd met behulp van een filter dichroïde hete spiegel). (B) resultaten met betrekking tot de middelste sub cel (meting uitgevoerd met behulp van een filter dichroïde koude spiegel). De relatieve grootte van de plek wordt verkregen de plek grootte verdelen door de minimale waarde gemeten voor elke lens. Dit cijfer is gewijzigd van13. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.
Discussion
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.
Disclosures
Wij hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
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.
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).
