유리에 무색 남자 용 상의 (ADG) 프레넬 렌즈는 색수차를 줄이기 위해 달성 가능한 농도 증가를 다른 분산 된 2 개의 물자의 사용. 이 논문에서는, ADG 프레넬 렌즈의 완전 한 특성에 대 한 프로토콜 제공 됩니다.
우리는 태양광 응용 프로그램에 대 한 색 프레넬 렌즈를 특성화 하는 방법을 제시. 유리 (ADG) 프레넬 렌즈에 무색 남자 용 상의 두 재료, 플라스틱 및 그 분산 특성 (굴절률 변화 파장)은 다른는 탄성 중합체로 구성 됩니다. 우리는 먼저 렌즈 형상을 설계 하 고 광선 추적 시뮬레이션, 몬테 카를로 방법에 따라 광 효율 및 최대 달성 가능한 농도의 관점에서의 성능 분석을 사용 하. 이후에, ADG 프레넬 렌즈 시 제품 간단 하 고 신뢰할 수 있는 메서드를 사용 하 여 제조 되었다. 사전 주입 플라스틱 부품 및 고 탄성 및 ADG 프레넬 렌즈의 마루를 조작 하는 유리 기판 연속 적 층의 그것에 의하여 이루어져 있다. 제조 렌즈 프로 파일의 정확도 광학 성능을 집중 장치 태양광 시스템을 위한 태양 시뮬레이터를 사용 하 여 계산 하는 동안 광학 현미경을 사용 하 여 검사 합니다. 시뮬레이터의 방출된 빛 포물선 거울에 의해 반영 된다 크 세 논 플래시 램프로 구성 된다. 조명을 태양 스펙트럼 분포와 진짜 비슷한 각도 조리개 있다. 전 하 결합 소자 (CCD) 카메라를 사용 하 여 및 멀티 정션 (MJ) 태양의 여러 종류에 의해 생성 된 광 전류 측정 렌즈에 의해 캐스팅 irradiance 자리 사진 복용 ADG 프레넬 렌즈의 광학 성능을 평가 수 있었습니다. 셀 이전에 집중 장치 태양 전지에 대 한 솔 라 시뮬레이터에서 특징. 이러한 측정 결과, 모델링과 제조 방법의 적합성, 그리고 ADG 프레넬 렌즈의 색 동작 설명 했다.
집중 장치 태양광 (자당 비용) 때문에이 기술을 이용할 수 있습니다 빠른 증분 개선의 고급 다중의 효율성에 접합 (MJ) 태양 전지 기반의 태양 전기의 비용을 줄이기 위해 유망한 기술 이다. 이 소자는 여러 하위 셀 (일반적으로 3 위쪽, 가운데 및 아래쪽 서) 각각의 만든 다른 반도체의 화합물의 구성 됩니다. 모든 하위 셀 각각 전기로 태양 스펙트럼의 다른 부분을 변환할 수 있는 다른 스펙트럼 반응의 결과로 다른 갭을 있다. 이 방법에서는, 엠 제이 태양 전지 효율 값 보다 높은 집중 조명146% 달성 (일반적으로 300-1800 nm) 태양 스펙트럼의 넓은 범위를 이용 할 수 있다. 이러한 태양광 디바이스의 높은 비용에 대 한 보상, 광학 시스템은 집중 최종 시스템 비용을 감소 시키는 그들에, irradiance를 사용 합니다. 현재, 상업적으로 이용 가능한 높은 농도 태양광 (HCPV) 시스템의 대부분은 유리에 실리콘 (SoG) 하이브리드 프레넬 렌즈2기반으로 합니다. 모든 굴절 광학 시스템, 색수차는 렌즈 성능 최대 달성 가능한 농도3 (즉, 최소 가벼운 자리 지역)에서 가장 심각 하 게 감소 요인이 다. Achromatic 렌즈, 즉, 매우 감소 된 색수차, 렌즈를 사용 하 고 그것은 어떤 추가적인 광학 요소 (라고도 보조 광학 요소에 대 한 필요 없이 최대 달성 가능한 농도 현저히 증가 시킬 수 4 , 5)입니다.
Achromatic 렌즈 (일반적으로 불리는 색 남자 그들은 다른 분산 특성을 가진 2 개의 물자를 커플링 조작 때문에)의 디자인은 18 세기 이후 잘 알려진 되었습니다. 기존의 무색 남자 용 상의 두 개의 다른 안경 구성: 첫 번째 왕관 이라고와 낮은 분산, 두 번째는 플린트 라고 있고 있다 높은 분산. 그러나, 이러한 종류의 안경 및 그들의 처리의 전반적인 비용 그들을 unaffordable HCPV 시스템 만든다. 자당 비용 두 플라스틱의 구성에 대 한 Languy 및 공동 저자는 무색 남자 용 상의 제안: poly(methyl methacrylate) (PMMA)와 폴 리 카보 네이트 (PC)6. 그들의 기사에서 다른 구성 및 그들의 이점에 대 한 비교 분석은 제시 하지만 그들의 제조 및 높은 생산에서 확장성을 해결 하지 않고.
여기에 제안 된 ADG 프레넬 렌즈 특정 짧은 파장 (“블루” 빛)와 특정 긴 파장 (“빨간” 빛)에 빛이 정확히 같은 초점 거리는 그런 방법으로 설계 되었습니다. 표준 색 남자에 대 한 설계 방법의 자세한 내용은 다른7을찾을 수 있습니다. 몇 가지 광선 추적 시뮬레이션 대신 기존의 SoG 프레넬 렌즈는 ADG 프레넬 렌즈를 사용 하 여 얻은 향상 된 기능을 보여 주기 위해 실시 되었습니다. 얻은 결과 대 한 자세한 보고서4에 제시 했다. 가장 중요 한 결과 그 때 대체 ADG 프레넬 렌즈와 기존의 SoG 프레넬 렌즈, 달성 가능한 농도 증가 약 3 배 같은 광 효율을 유지 하면서. 또한, 제조 공정 이후8 는 ADG를 상상 SoG 렌즈를 조작 하는 것 매우 비슷합니다, 농도 증가 비용을 크게 증가 하지 않고 얻을 것 이다.
여기에 우리가 현재 집중 굴절 기본 렌즈 구성의 포괄적인 특성화를 수행 하는 프로토콜 고 우리 (벤치 마크로 서 사용) 기존의 SoG 프레넬 렌즈와 여러 ADG 프레넬 렌즈 시 제품에이 프로토콜을 적용 합니다. 이렇게 하려면, 방문 자당 비용에 대 한 솔 라 시뮬레이터 사용 되었습니다. 운영 원리, 뿐만 아니라 시뮬레이터 및 모든 구성 요소에 대 한 자세한 설명을 제시 하고있다 다른9.
메서드를 두 개의 서로 다른 프로시저를 포함 하는 ADG 프레넬 렌즈의 특성에 대 한 제안: 첫 번째 사용 태양 전지 광 센서로 두 번째는 CCD 카메라를 기반으로 하는 동안.
태양 전지 적용 절차, 엠 제이 태양 전지에 의해 생성 된 광 전류 집중으로 다른 프레넬 렌즈를 사용 하 여 측정 되었다. 방문 자당 비용 태양 시뮬레이터 만드는 프로토콜에 설명 된 대로 포물선 거울에 반영 되는 빛을 방출 하는 크 세 논 플래시 램프의 사용. 이러한 거울 측정 평면 (렌즈 조리개와 일치)에 조명을된 광선을 생성합니다. 거울 제조 허용 오차 및 표면 거칠기는 조명을 측정 평면에 획 일 하다. 솔 라 시뮬레이터에 의해 만들어진 irradiance 균일도 우리의 실험 측정10오류의 주요 원천입니다. 큰 렌즈는 큰 영역 측정 비행기에서 방사를 통합, 이후 비 균일성 인 오류는 렌즈의 크기에 따라 달라 집니다. 태양 에너지 연구소에서 사용 하는 방문 자당 비용 시스템을 위한 태양 시뮬레이터 3 x 3 cm 광학9± 5% 보다 더 나은 균일성 달성. 여기 테스트 ADG 프레넬 렌즈에 대 한 누구의 광학 조리개 40 x 40 mm, 측정을 통해 비 균일성의 효과 긴요 할 수 있다. 이 불확실성을 줄이기 위해 참조 렌즈는 어떤 실험을 실시 하기 전에 다시 측정 합니다. 또한, 이러한 측정을 수행 하는 경우 셀 및 렌즈의 정렬 동안에 특히 조심을 최고입니다. 사실, 태양 전지 defocusing 인해 광 전류 감소 변경 나쁜 초기 위치를 사용 하는 경우 때문에 오차를 피하기 위하여 렌즈에 의해 캐스팅 빛 자리와 정확 하 게 중심으로 배치 했다. 발생할 수 있는 다른 오류는 전면 금속 격자 (엠 제이 태양 전지는 센서 균일 한 방사를 사용 하 여 보정은 하지만 렌즈 측정 동안에 가우스 모양 프로필 캐스팅을 사용)의 다른 음영 요인에 의해 발생 하는. 금속 실험 결과는 영향을 미치지 않습니다 보장 하기 위해, 결과적으로, 수신기 비행기에 백색 반점, 및 렌즈를 전치 하는 여러 측정을 수행 하기 위해 유용 합니다. 측정 된 광 전류 변화 크게 때 약간 가벼운 자리 이동, 금속 그리드는 측정에 영향을 의미 합니다.
예를 들어, thermopiles10등 열 방사 센서를 사용 하 여 기본 렌즈의 광학 효율을 측정 하는 적당 한 다른 방법이 있다. 이 방법의 주요 결점 열 센서의 응답 어떤 플래시 광원에 대 한 너무 느려입니다. 따라서, 그것은 단지 (는 irradiance 및 다른 기상 조건의 스펙트럼 분포에 매우 민감한) 야외 측정에 적용할 수 있습니다. 제안 된 방법으로이 제한 피 한다.
또한, 프로시저 기반 태양 전지를 사용 하 여, 그것은 또한 렌즈에 의해 빛 반점의 크기를 얻을 수 것. 이렇게 하려면, 같은 종류의 여러 엠 제이 태양 전지에 의해 생성 된 및 비슷한 크기 하지만 다른 photocurrents 측정 될 필요가 있다. 그 크기는 렌즈에 의해 빛 자리 캐스트 보다 작은 셀에 대 한 측정 된 광 전류 셀 표면 감소 때문에 셀 밖으로 흘리 고 빛으로 감소 한다. 반대로,는 광 전류 크기 보다 크면 빛 자리, 세포 표면에 렌즈에 의해 전송 하는 모든 빛 도달 태양 전지 이후 엠 제이 태양 전지에 대 한 상수 남아 있습니다. 따라서, 백색 반점의 크기는 최대 효율성을 달성 하는 가장 작은 셀의 크기입니다. 이 방법에 대 한 더 높은 수의 태양 전지 사용, 높은 해상도.
태양 전지 기술된 측정 수행에 적합 한 집합은 항상 사용할 수, 이후 CCD 카메라 절차 빛 자리 크기를 측정 하 제안 되었습니다. 사용 하는 카메라와 함께 찍은 빛의 사진 CCD 센서의 넓은 동적 범위 덕분에 피크와 밸리의 값 사이의 정확한 비교는 가능 하다. irradiance의 절대 값을 계산 하려면 필터 및 CCD 카메라를 포함 하 여 전체 설정의 교정 필요한 것입니다. 그럼에도 불구 하 고, 사진에서 이미지에 어두운 영역에서 조명된 영역을 분리 하 고, 따라서, 가벼운 자리 크기를 추정 가능 하다. 이 방법의 주요 결점은 CCD 센서와 엠 제이 태양 전지는 빛의 근원에 의해 생성 하는 잡음 사이 스펙트럼 불일치 태양 시뮬레이터에 의해 생성 된 조명을된 빔에서 다른. 첫 번째 문제에 대해서 CCD 카메라에 뜨거운 또는 차가운 거울을 추가 하 여 그건 상단과 중간 하위 셀 ( 그림 6참조) 매우 유사한 스펙트럼 응답을 얻을 수 있습니다. 또한, 배경 잡음을 제한 하기 위해 그것은 자당 비용 시뮬레이터의 챔버를 완전히 어둡게 하는 데 필요한입니다. 이후 완전히 외부 광원을 피하기 위해 거의 불가능 합니다, 이미지 처리 매우 중요 하 고 프로그램 잘 될 수 있다. 가장 중요 한 단계는 배경 잡음의 제거 이다. 노이즈 필터링를 부분적으로 자동화 될 수 있다 그러나, 거의 예측 가능한 외부 요인으로 강한 의존 때문 모든 처리 이미지 시각적인 검사를 거칩니다.
렌즈 배치 됩니다 열 챔버 시스템에 추가 하 여 렌즈 온도의 기능으로 빛 자리 크기의 진화를 CCD 프로시저를 사용할 수 있습니다. 이 경우, 앞서 설명한 오류 소스 외에 불확실성 렌즈 온도 측정에서 발생 합니다. 컨트롤 열전대 (직접 컴퓨터에 연결 하는 하나) 센서 가까이 열 챔버의 지점에 배치 하지만 측정 렌즈에 직접 연결 되어 있기 때문에 실제 렌즈 온도 대표 하지 않는다. 따라서, 이러한 열전대를 사용 하 여 측정 하는 온도 렌즈 주변 환경의 평균 온도 이며 실제 렌즈 온도에 반드시 일치 하지 않습니다. 그 때문에 독립적인 열전대에 연결 하는 각 렌즈는 것이 좋습니다. 그럼에도 불구 하 고, 있다 아마 온도 기울기는 렌즈의 다른 점 사이. 일단 열 챔버 원하는 온도 달성 하 고 모든 측정을 수행 하기 전에 그것은 시스템 온도 가능한 통일 될 수 있도록 15-20 분을 기다려야 더 나은이 불확실성을 수량화 해야 합니다.
The authors have nothing to disclose.
이 작품은 부분적으로 지원 되었습니다 경제와 경쟁력의 스페인 정부에 의해 Acromalens 프로젝트 (ENE2013-45229-P) 그리고 유럽 연합의 지평선 2020 연구 및 방문 자당 비용 프로젝트 내에서 혁신 프로그램에서 자금을 받았습니다. 부여 계약 번호 640873에서 일치.
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 |