Den akromatisk doublet på glass (ADG) Fresnel objektivet gjør bruk av to materialer med ulike spredning å redusere kromatisk aberrasjon og øke oppnåelige konsentrasjon. I dette papiret vises en protokoll for komplett karakterisering av ADG Fresnel-linse.
Vi presenterer en metode for å karakterisere akromatisk Fresnel linser for photovoltaic programmer. Den akromatisk doublet på glass (ADG) Fresnel-linse består av to materialer, en plast og en elastomer, som fargespredning (brytningsindeks variasjon med bølgelengde) er annerledes. Vi først designet linsen geometri og deretter brukt gjengivelsesenhet simulering, basert på Monte Carlo metoden, for å analysere ytelsen fra synspunkt av både optisk effektivitet og maksimal oppnåelig konsentrasjon. Etterpå ble ADG Fresnel linsen prototyper produsert med en enkel og pålitelig metode. Det består av en forutgående injeksjon av plastdeler og en påfølgende laminering, elastomer og en barometer substrate å dikte parkett ADG Fresnel linser. Nøyaktigheten av produsert linsen profilen undersøkes bruker en optisk mikroskop mens optiske ytelsen evaluert med en solenergi simulator for konsentratoren photovoltaic systemer. Simulatoren består av en xenon flash lampe som slippes ut lys reflekteres av en parabolske speil. Collimated lys har en spektral distribusjon og en kantete blenderåpning ligner på ekte solen. Vi kunne vurdere optisk ADG Fresnel linser med tar fotografier av Irradians spot kastet av linsen med en kostnad – sammen enhet (CCD) kamera og måler photocurrent generert av flere typer multi krysset (MJ) solar celler, som har vært tidligere preget på en solar simulator for konsentratoren solceller. Disse målingene har vist akromatisk virkemåten av ADG Fresnel linser, og som en konsekvens, hensiktsmessigheten av modellering og produksjonsmetoder.
Konsentrator photovoltaic (CPV) er en lovende teknologi for å redusere kostnadene for solenergi-basert strøm fordi denne teknologien kan dra nytte av rask inkrementell forbedring i effektivitet av avanserte multi krysset (MJ) solceller. Disse enhetene er sammensatt av flere sub celler (vanligvis tre benevnt idet topp, midt på og bunn) hver er laget av en annen halvleder sammensatte. Hver sub celle har en annen bandgap som resulterer i et annet spectral svar, som gjør det mulig for alle å konvertere en distinkt del av solenergi til elektrisitet. På denne måten er MJ solceller i stand til å utnytte et bredt spekter av solens spektrum (vanligvis 300 1800 nm) å oppnå effektivitet verdier høyere enn 46% under konsentrert lys1. For å kompensere for de høye kostnadene ved slike photovoltaic enheter, brukes optiske systemer å konsentrere Irradians på dem, som reduserer siste systemet kostnadene. For tiden er de fleste kommersielt tilgjengelige høy konsentrasjon solenergianlegg-(HCPV) basert på silikon-på-glass (SoG) hybrid Fresnel linser2. I alle refraktiv optiske systemer er kromatisk aberrasjon faktoren som mest alvorlig redusere linsen ytelse i forhold til det høyeste oppnåelige konsentrasjon3 (dvs. minst lys spot område). Å bruke en achromatic lens, dvs en linse med svært redusert kromatisk aberrasjon, er det mulig å betydelig øke maksimal oppnåelig konsentrasjon uten behov for noen ekstra optiske elementer (referert til som sekundær optiske elementer 4 , 5).
Utformingen av achromatic linser (ofte kalt akromatisk doublets fordi de er fabrikkerte kopling to materialer med forskjellige fargespredning) har vært kjent siden 1700-tallet. Den konvensjonelle akromatisk doublet består av to forskjellige glass: første kalles kronen og har lav spredning, mens den andre kalles kaste og har høy spredning. Men gjør totalkostnadene for slike briller og behandlingen dem unaffordable for HCPV systemer. Languy og medforfattere foreslått en akromatisk doublet for CPV består av to plast: poly(methyl methacrylate) (PMMA) og polykarbonat (PC)6. I sin artikkel er en komparativ analyse på de ulike konfigurasjonene og deres fordeler presentert, men uten å ta opp deres manufacturability og skalerbarhet på høy produksjon.
ADG Fresnel-linse som er foreslått her er utviklet slik at lyset på en bestemt kort bølgelengde (“blå” lys) og en bestemt lang bølgelengde (“rødt” lys) har nøyaktig samme fokus avstand. Detaljer om design metoden for standard akromatisk doublets kan finnes andre steder7. Flere gjengivelsesenhet simuleringer har utført for å demonstrere forbedringene får en ADG Fresnel-linse i stedet for en konvensjonell SoG Fresnel-linse. En detaljert rapport på fått resultatene ble presentert i4. Det viktigste resultatet er at når du erstatter en konvensjonell SoG Fresnel-linse med en ADG Fresnel-linse, oppnåelige konsentrasjonen øker omtrent tre ganger samtidig opprettholde samme optiske effektiviteten. Videre siden produksjonsprosessen8 forutsett for å få ADG er svært lik en ansatt å dikte SoG linser, økningen i konsentrasjon oppnås uten å betydelig øke kostnadene.
Presenterer her vi en protokoll for å utføre omfattende karakteristikk av konsentratorer bestående av en refraktiv primære linse og vi bruke denne protokollen til både en konvensjonell SoG Fresnel-linse (brukt som en målestokk) og flere ADG Fresnel linsen prototyper. Gjør er en solar simulator for CPV brukt. En detaljert beskrivelse av simulatoren og alle dens komponenter, samt dens prinsippene, presentert andre steder9.
Metoden foreslått for karakterisering av ADG Fresnel linser inneholder to forskjellige prosedyrer: første bruker solceller som lys sensorer, mens andre er basert på en CCD kamera.
Bruke solenergi basert prosedyre, photocurrent generert av en MJ solcelle er målt med forskjellige Fresnel linser som konsentratorer. Som beskrevet i protokollen, CPV solar simulatoren gjør bruk av en xenon flash lampe emitting lys som reflekteres på en parabolske speil. Slike et speil genererer en collimated lysstråle på måling flyet (samtidig med blenderåpning). Speilet produksjon toleranser og overflateruhet er collimated lys ikke ensartet på måling flyet. Det ikke-enhetlighet Irradians skapt av solar simulator er den viktigste kilden til feilen i vår eksperimentelle målinger10. Siden store linser integrere Irradians på måling flyet over et stort område, avhenger feil på grunn av ingen-enhetlighet av størrelsen på linsen. Solar simulator for CPV systemer brukes på the Solar Energy Institute oppnår en ensartethet bedre enn ± 5% for 3 x 3 cm optikk9. For linsen ADG Fresnel testet her, som optisk aperture er 40 x 40 mm, effekten av ingen-enhetlighet over målingen kan være avgjørende. For å redusere denne usikkerheten, er en referanse objektivet nytt målt før gjennomfører noen forsøk. Dessuten, når du utfører disse målingene, er det viktig å være spesielt forsiktig under justering av cellen og linsen. Faktisk, må solenergi plasseres nøyaktig sentrert med lys stedet kastet av linsen for å unngå skjevheter, fordi hvis en dårlig innledende posisjonering brukes, photocurrent reduksjon på grunn av defocusing er endret. En annen feil som kan oppstå er forårsaket av ulike skyggelegging faktorer i front metallization rutenettet (MJ solar cellen som brukes som en sensoren er kalibrert med uniform Irradians men linsene kastet en Gaussian figur profil på den under målene). For å sikre at metallization ikke påvirker eksperimentelle resultater, er det nyttig å bære ut flere målinger fortrenge linsen, og som en konsekvens, lys stedet på mottakeren flyet. Hvis den målte photocurrent varierer betydelig når litt bevege lys stedet, betyr det at metallization rutenettet påvirker målingene.
Det finnes andre metoder som er egnet til å måle den optiske effektiviteten til en primær linse, f.eks bruke termisk Irradians sensorer som thermopiles10. Det hovedavdeling ulempen av denne tilnærmingen er at responsen på en termisk sensor er for treg for alle flash-lyskilde. Derfor kan det bare brukes til utendørs målinger (som er svært følsomme for spectral distribusjon av Irradians og andre værforhold). Med den foreslåtte metoden unngås denne begrensningen.
I tillegg bruker solenergi basert prosedyre, det vil også være mulig å få størrelsen på lyset spot kastet av en linse. Gjør photocurrents genereres av flere MJ solceller av samme type og forskjellige men lignende størrelser må måles. For celler som er mindre enn lyset spot kastet av linsen, reduserer den målte photocurrent som cellen overflaten reduseres på grunn av lys søle ut av cellen. Omvendt, photocurrent forblir konstant for MJ solceller som er større enn lys stedet, siden uansett celleoverflaten, de lyse av linsen når solenergi. Derfor er størrelsen på lys stedet lik størrelsen på minste cellen som oppnår maksimal effektivitet. For denne metoden brukes jo høyere antall solceller, jo høyere oppløsning.
Siden en rekke solceller egnet til å utføre beskrevet målingene ikke er alltid tilgjengelig, har CCD kamera prosedyren blitt foreslått å måle lys størrelsen. Takket være det bredt dynamisk området av CCD sensor, med fotografier av lys sted tatt med kameraet, er en nøyaktig sammenligning mellom topp- og dalen mulig. For å beregne den absolutte verdien av Irradians, vil en kalibrering av hele oppsettet, inkludert filtre og CCD kamera, være nødvendig. Likevel fra bildene er det mulig å skille opplyst området fra den mørke området over et bilde, og dermed beregne lys størrelsen. De viktigste ulempene med denne teknikken er spectral misforholdet mellom CCD-sensor og en MJ solcelle og støy produsert av lyskilder forskjellig fra collimated strålen genereres av solenergi simulatoren. Når det første problemet, er ved å legge en varm eller kald speil CCD kameraet, det mulig å få en spektral reaksjon ligner på toppen og midtre sub celler (se figur 6). I tillegg for å begrense bakgrunnsstøy, er det nødvendig å mørkne helt Mysteriekammeret CPV simulatoren. Siden det er nesten umulig å helt unngå eksterne lyskilder, image bearbeiding er svært viktig og må programmeres godt. Det viktigste trinnet er eliminering av bakgrunnsstøy. Støyfiltrering kan være delvis automatisert, men på grunn av sterk avhengighet med eksterne faktorer som er neppe forutsigbar, alle behandlet bildet gjennomgår en visuell undersøkelse.
CCD prosedyren kan brukes til å få utviklingen av lys størrelsen som en funksjon av linsen temperaturen ved å legge til systemet en termisk kammer hvor linser er plassert. I dette tilfellet, foruten feil kildene beskrevet tidligere, oppstår usikkerhet temperaturmålinger linsen. Kontroll thermocouple (en direkte koblet til datamaskinen) representerer ikke ekte linse temperaturen fordi sensoren er plassert i et punkt av termisk chamber nær, men ikke direkte koblet til linsene som skal måles. Derfor temperaturen målt ved hjelp av slike en thermocouple er en gjennomsnittlig temperatur på miljøet rundt linser og det er ikke nødvendigvis knyttet til ekte linse temperatur. Det er derfor kobler hver linse til en uavhengig thermocouple anbefales. Likevel er det sannsynligvis en temperaturgradient mellom forskjellige linsen. For å kvantifisere denne usikkerheten, når termisk kammeret oppnår ønsket temperatur, og før du utfører noen mål, er det bedre å vente 15-20 minutter til systemtemperaturen blir som uniform som mulig.
The authors have nothing to disclose.
Dette arbeidet har vært delvis støttet av det spanske departementet for økonomi og konkurranseevne under Acromalens prosjektet (ENE2013-45229-P) og den har fått støtte fra EUs horisonten 2020 research og innovasjon innenfor prosjektet CPV Sammenligne med, under grant avtalen ingen 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 |