실내 실험 평가의 효율성과 집중 태양광 발전에 대 한 유리 (ADG) 프레넬 렌즈에 무색 남자 용 상의의 Irradiance 자리

Engineering
 

Summary

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.

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Vallerotto, G., Victoria, M., Askins, S., Antón, I., Sala, G., Herrero, R., Domínguez, C. Indoor Experimental Assessment of the Efficiency and Irradiance Spot of the Achromatic Doublet on Glass (ADG) Fresnel Lens for Concentrating Photovoltaics. J. Vis. Exp. (128), e56269, doi:10.3791/56269 (2017).

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Abstract

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.

Introduction

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.

Protocol

1. 렌즈 광선 추적 시뮬레이션을 사용 하 여 모델링

  1. 모델 준비
    1. 가져오기 ADG 프레넬 렌즈를 광선 추적 시뮬레이션 소프트웨어에 형상 하 고 투과율 등 소재 속성을 설정 하 고 굴절 인덱스.
      참고: ADG 프레넬 디자인 태양 에너지 연구소에서 개발 되었습니다와 그것은 이루어져 있다 페르마 같은 기본적인 광학 원리에 근거 하는 컴퓨터 코드 ' s 원리와 Snell ' s 법률. 렌즈를 구성 하는 재료의 분산 곡선 설계 기법을 개발 하기 위해 사용 되었습니다. 디자인 방법에 대 한 자세한 설명을 제공가 다른 4.
    2. 광원 각도 조리개와 스펙트럼 분포 등 태양의 실제 속성 설정.
    3. 공칭 초점 거리와 동일 렌즈에서 거리에 수신기를 놓습니다.

Figure 1
그림 1. 광선 추적 시뮬레이션 모델의 스크린샷입니다. 광원, ADG 프레넬 렌즈 (유리 기판, 탄성 중합체, 플라스틱 이중 프레넬 렌즈 구성)와 렌즈 조리개 (렌즈 수신기)에서 방사 및 출구 (태양에서 방사를 측정 하는 데 사용 하는 수신기 수 셀 수신기)입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

  1. 시뮬레이션을 실행 하 고는 최대 달성 가능한 농도 렌즈 광 효율 등 원하는 결과 계산. 달성 가능한 농도 렌즈 광학 조리개와 자리 캐스팅 되는 수신기의 영역 사이의 비율으로 정의 됩니다. 광 효율은 수신기에서 전력 및 렌즈 광학 조리개 10 전력 사이의 비율으로 정의 됩니다.
    참고: 수신기의 위치는 수신기 모든 광선은 렌즈에 의해 전송 수집을 지키기 위하여 렌즈에 의해 캐스팅 빛 자리 보다 훨씬 큽니다. 이 방법으로 계산 된 광 효율 자료 흡수, 반사, 및 제조 제약 (초안 각도 팁 코너와 계곡에 반올림) 계정 손실에 걸립니다.
  2. 반복 단계 1.1. 그리고 1.2. 기준으로 사용할 대신 ADG 프레넬 렌즈는 기존의 유리에 실리콘 (SoG) 프레넬 시뮬레이션.

2. 태양 전지 특성

Figure 2
그림 2. 집중 장치 태양 전지에 대 한 태양 시뮬레이터입니다. 집중된 방사에서 태양 전지를 특성화 하는 데 사용 하는 태양 시뮬레이터의 사진. 그림 상단 위치가 농도 수준을 결정 하는 램프를 관찰 하는 것이 가능 하다. 아래에 참조 구성 요소 태양 전지 및 DUT 측정 평면 표시 됩니다. 사진의 왼쪽에 전자 장비 (전원 공급 장치 및 DAQ)와 특성화를 수행 하는 데 사용 하는 컴퓨터 수는. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

    1. 태양 전지 특성화에 대 한 솔 라 시뮬레이터의 교정
      1. 장소 태양 시뮬레이터 내부 참조 구성 요소 셀 (상단, 중간, 그리고 하단), 대 한 참조에서 보정 했다 isotypes 라고도 스펙트럼 및 테스트 (DUT), 즉, 태양 전지 측정 장치.
        참고: 배치 참조 셀 및 DUT 가깝게 가능한 측정 평면에서 균일 하지 않은 조명 때문에 가능한 오류를 줄이기 위해.
      2. 는 플래시 램프 (높이) 농도의 원하는 수준에 도달 하기 위해서는 위치를 조정 합니다. 더는 램프는 측정에서 비행기, 달성 하는 낮은 농도.
        1. 스펙트럼 분포는 램프와 플래시 강도의 위치에 따라 달라 집니다. 스펙트럼 분포를 조정 하는 데 필요한 필터를 추가 합니다. 비슷한 참조 스펙트럼 분포를 얻기 위해 절차 단계 2.2.1에서에서 설명.
      3. 태양 시뮬레이터의 데이터 수집 (DAQ) 보드에 isotypes와 DUT를 연결.
      4. 셀 전류-전압 (IV) 곡선 측정에 사용 되는 분극 값이 포함 된 텍스트 파일을 만들고 텍스트 편집기를 사용 하 여. 텍스트 파일 전압 포인트 당 한 줄을 포함합니다. 더 많은 전압 포인트 높은 곡선 정의에 결과. 분극 값 0 V 3.1 대 사이의 값의 구성 되어 있기 때문에 모든 관련 된 태양 전지는 엠 제이 태양 전지,
    2. 측정
      1. 플래시 부패에 걸쳐 빛의 강도 초기 피크는 그리고 감소 ( 그림 3) 시작. 빛 스펙트럼 분포 또한 플래시 펄스를 통해 수정 됩니다. 기존의 엠 제이 태양 전지는 시리즈에서 연결 된 다른 bandgaps와 세 개의 하위 셀 구성 됩니다. 각 하위 셀 태양 스펙트럼의 다른 부분에 전기를 변환할 수 있습니다. 따라서, 엠 제이 태양 전지에 의해 생성 된 전류 항상 하위 셀 이상 현재 생산에 의해 제한 됩니다. 정확한 측정을 수행 하려면 상단 및 중간 하위 셀에 해당 하는 두 isotypes 정확 하 게 동일한 방사 레벨을 표시 하는 방사 수준을 선택 합니다. 이 셀은 대상 농도 수준 및 스펙트럼 측정을 확인 한다. Irradiance 수준 아래 하위 셀에 표시 된 일치는 사실 무시 될 수 있습니다. 이것은 상업 MJ Ge 기반 태양 전지는이 하위 셀에 의해 현재 제한 때문 에입니다. 그림 3은이 절차에 대 한 그래픽 설명을 묘사.
      2. 측정에 대 한 한 번 원하는 irradiance 수준 식별, 4 테스트를 시작 합니다. 시뮬레이터 2.1.4 단계에서 정의 하는 텍스트 파일에서 분극 포인트 읽습니다.; 모든 지점에 대 한 장비는 태양 전지에 의해 생성 된 전류 측정을 트리거 플래시, 원하는 전압에 셀에서. IV 커브는 전류 및 전압 값의 쌍 컴퓨터 화면에 표시 됩니다.
        참고: IV 커브에서 그것은 얻을 수는 단락 회로 전류 (나 sc), 열 회로 전압 (V oc), 채우기 비율 (FF), DUT의 효율성 (비록 다음 섹션의 단락 전류에만 사용 됩니다).
      3. 반복 단계 2.2.2. 태양 전지 광 전류는 농도에 선형으로 달려 보려고 다른 농도 수준에서 수준 ( 그림 4 참조) 하 고, 따라서, 보정된 셀에 빛 센서로 사용할 수 있습니다 렌즈의 초점면에 irradiance를 확인 합니다. 각 농도 수준에 대 한 측정을 수행 하기 위해 적절 한 필터를 사용 하 여 플래시 빛의 스펙트럼 분포를 조정 때 isotypes, 상단과 중간 하위 셀 표시 동일한 방사 레벨 단계 2.2.1에서에서 설명한 대로.

    Figure 3
    그림 3. 플래시 부패에 걸쳐 측정 된 크기의 시간 진화. 그래프에서 그것 표시 되었습니다 즉시 해당 위쪽 및 가운데 하위 셀 하 isotype 셀 같은 방사 수준을 측정 하는 경우. 검은 점선 상단과 중간 subcells에 해당 하는 곡선의 교점에서 시작, 다음는 상단과 중간 참조에서 정확한 순간에 측정 전류 DUT 전류 값 (검은 원) 식별 가능 하다 하위 셀 같은 방사 레벨을 참조 하십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

    Figure 4
    그림 4. (A) 체계 실험 테스트를 수행 하는 데 사용 하는 설정입니다. 실험 설정 및 구성 요소 (통합 영역, 렌즈 샘플, CCD 카메라, 및 광 센서로 사용 하는 태양 전지로 광원)의 (B) 사진. 포물선 거울 및 필터가이 사진에 표시 되지 않습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

    3. 특성화 렌즈.

    Figure 5
    그림 5. 농도의 기능으로는 엠 제이 태양 전지에 의해 생성 된 광 전류의 진화를 나타내는 그래프. 예상 대로 선형 종속성이입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

    1. 설치 준비.
      1. 마운트 3 축 자동 위치 플랫폼: 컴퓨터 보조 이동 플랫폼 보정된 태양 전지/CCD 카메라와 측정 렌즈 사이의 상대적 위치를 정확 하 게 제어할 수.
        1. 3 축 자동된 위치 플랫폼은 완벽 하 게 수평 버블 수준을 사용 하 여 확인 하십시오.
      2. 태양 전지/CCD 카메라 지원 플랫폼에 탑재 ' 홀더 x, y 및 z 축 따라 위치를 제어 하는 방식으로 이동 하는 s.
      3. 렌즈 지원 단계 3.1.2에서에서 설명한 이동 홀더 앞에 플랫폼에 탑재. 움직이는 홀더를 사용 하 여 x 및 y 축, 그것은 완벽 하 게 태양 전지/CCD 카메라 목표에 관하여 렌즈 센터 수. 홀더 z 축 따라 이동, 그것은 태양 전지/CCD 카메라 목표 렌즈 (최소 점 크기)의 최적의 초점에서 고 광 축을 따라 이동 가능.
      4. 전체 실험 테스트를 수행 하는 데 사용 하는 컴퓨터에 연결할 모든 장치 (자동된 위치 플랫폼, 셀 광 전류, CCD 카메라, 그리고 크 세 논 램프를 측정 하기 위해 DAQ 보드)
      5. 연결 및 모든 연결 된 장치의 작동을 테스트합니다.
        1. 자당 비용에 대 한 솔 라 시뮬레이터를 제어 하는 소프트웨어를 열고 버튼을 누르면 " 펄스 빛 " 플래시 촬영 하기 위하여. 플래시 감퇴 그래프 그림 3와 비슷합니다, DAQ 보드, 크 세 논 램프, isotype subcells, 그리고 DUT는 제대로 작동 하는 의미.
        2. 카메라가 제대로 작동 하는지 확인 하는 CCD 카메라를 제어 하는 소프트웨어를 엽니다.
        3. 는 컴퓨터 보조 이동 플랫폼을 제어 하는 소프트웨어 열고 3 개의 축 따라 이동 홀더를 이동 하려면 사용 합니다. 그래서, 선택 중 하나 축 축 위에 나열 된 소프트웨어 창의 왼쪽 다음 삽입 된 위치에 " 이동 절대 " 및 펄스 " 실행 ". 움직이는 홀더 이동 예상 대로, 그것은 움직이는 플랫폼 제대로 작동 의미.
      6. 깨끗 하 고 장소 고정된 지원에 측정 렌즈 자동된 위치 플랫폼에 탑재.
      7. 앞에 센서의 배치 중 뜨거운 거울 (짧은 패스 필터 차단 빛의 파장은 700 이상 nm) 또는 차가운 거울 (오랫동안 통과 필터 차단 빛의 파장은 700 보다 짧은 nm).
        참고: 단계 3.1.7입니다. CCD 카메라를 사용 하 여 측정만 필요 하다.
      8. 이동 홀더를 사용 하 여 태양 전지/CCD 카메라 렌즈에 관하여를 중심을 최적의 초점에서 그것을 배치.
      9. 모든 라인에 5 m m 가까이 셀/CCD 카메라의 위치에서 시작 하는 최적의 초점 거리 보다 렌즈에 측정 지점 (특정 렌즈에 수신기 거리)에 해당 하는 좌표를 포함 하는 텍스트 파일을 만듭니다 임의의 텍스트 편집기를 사용 하 여 그리고 위치 5mm 더.
    2. 측정 단계
      1. 태양 전지 측정
        참고: 태양 전지에 대 한 태양 시뮬레이터로 같은 방식으로 이전 섹션, 빛의 강도에 대 한 태양 시뮬레이터의 스펙트럼 분포 설명 방문 자당 비용 플래시 부패 통해 변경합니다. 플래시 감퇴의 그래픽 표현을 집중 셀 단계 2.2.1에서에서 설명한 태양 시뮬레이터와 함께 획득 한와 비슷합니다. 그리고 그림 3에 묘사 된. 초기 피크 이며 다음 감소. 플래시 부패에 걸쳐 빛 스펙트럼 분포 변화. 측정 순간에 수행 됩니다 상단 및 중간 하위 셀에 해당 하는 두 isotypes 같은 방사 레벨을 나타냅니다.
        참고: 태양 전지에 대 한 태양 시뮬레이터의 경우 반대이 경우에 우리 방사 레벨 이상의 유일한 컨트롤 플래시 빛의 강도 및 중립 필터
        1. 최적의 irradiance 수준 식별 되 면, 그것은 시작 하는 테스트 합니다. 3.1.9 단계에서 정의 된 모든 위치에 대 한., 저속 한 빛을 방 아 쇠. 시뮬레이터 그것은 렌즈에 의해 집중 조명 아래 현 세대 태양 전지를 추정할 수 있는 플래시 부패에 걸쳐 데이터 신호를 포함 하는 텍스트 파일을 생성 합니다.
        2. 3.1.7에서 단계를 반복. 3.2.1.3 하. 모든 렌즈 측정.
      2. CCD 카메라 측정
        1. 3.1.9에 정의 된 모든 위치에 대 한., CCD 카메라를 사용 하 여 사진을 찍다 생성 된 빛의 자리.
          참고: 뜨거운 또는 차가운 거울과 함께 하는 카메라의 CCD 센서는 상단과 중간 하위 셀에 유사한 스펙트럼 응답 각각 ( 그림 6 참조). 또한, 사진 유용한 정보를 얻기 위해 몇 가지 예방 조치를 취할 필요가 있다. 첫째, 좋은 신호 대 잡음 비율을 얻을 하 고, 동시에 CCD 센서를 포화 하지 플래시의 빛의 강도 조정 해야 합니다. 이렇게 하려면, 플래시 강도 직접 수정 하거나 원하는 방사 레벨 중립 필터를 사용 가능 하다. 둘째, 그것은 시뮬레이터 챔버 완전히 어두운 측정에 외부 광원의 영향을 피하기 위해 중요 합니다.
        2. 온도 측정
          1. 배치 되도록 렌즈 측정 기능ide는 테스트 동안 렌즈 온도 제어 하는 데 사용 하는 열 챔버
          2. 렌즈 온도 10 ° C에서 50 ° C에 10 ° c.에 동일한 단계를 다 열 챔버를 사용 하 여 이렇게 하려면 투명 표지와 열 챔버 내부 렌즈 배치.
          3. 3.2.2.1에 설명 된 동일한 방식으로 CCD 카메라를 사용 하 여 다른 온도 대 한 측정 실시.
            참고: 테스트 중인 렌즈의 온도 직접 그것에 연결 된 열전대를 통해 측정 됩니다. 렌즈 표면의 온도 차이가 2 보다 낮은 ° c.

    Figure 6
    그림 6. 콜드 미러 또는 열 유리 (빈 점) 3 J 격자 정합 된 태양 전지 (단색 점)의 중간과 상위 하위 셀의 SR을 시뮬레이션 하 여 필터링 하는 CCD 카메라 실리콘 센서의 스펙트럼 응답 (SR). 이 그림 10에서 수정 되었습니다.

    1. 태양 전지 측정으로 얻은 결과 처리. 참고로,
      1. 보정 사용 isotype 셀 구성 요소 결정 (상단과 중간을 예측 하는 방법에 대 한 자세한 내용은 대 한 모든 위치에 대 한 빛 센서로 사용 되는 태양 전지 셀의 위쪽 및 가운데 하위 세포에 의해 생성 된 광 전류 photocurrents 플래시 부패 하는 동안 기록 된 신호에서 11 참조).
      2. 위쪽 및 가운데 하위 셀 렌즈에 수신기 거리의 기능으로 근접된 광 전류를 나타내는 그래프를 그립니다.
      3. SoG 프레넬 렌즈의 ADG 무색 프레넬 렌즈를 사용 하 여 얻은 결과 비교.
    2. CCD 카메라 측정으로 얻은 결과 처리.
    3. 식별 CCD 카메라와 함께 찍은 사진에서 빛의 중심
        .
        참고: 있는 " 빛의 중심 " irradiance 지도의 분포는 지도의 최대 irradiance의 90% 이상 방사 수준은 그 지역의 중심.
      1. 자리 중심을 확인 한 가능한 반경의 수를 정의 하 고, 각 하나에 대 한 사진에 포함 된 총 방사에 관하여 원 안에 포함 된 빛의 비율을 계산.
      2. 자리 반지름을 계산합니다. 그것 총 irradiance의 95%를 포함 하는 반경으로 정의 된다.
        참고: 값이 95% 외부 원본에서 진행 하는 빛으로 인 한 소음으로 인해 인위적으로 큰 자리를 피하기 위해 선정 되었습니다, 즉, 크 세 논 램프에서 빛 이나 주변 환경에서 빛.
      3. 3.4.1에서 처리 단계를 반복. 3.4.3에. 따뜻한 것과 차가운 거울으로 측정.
      4. 파란색과 빨간 빛에 대 한 최적의 위치 (최소 점 크기)에 관하여 렌즈에 수신기 거리의 기능으로 빛 반점 직경을 나타내는 그래프를 플롯 (핫 미러 및 차가운 거울 측정, 각각).
  • Representative Results

    앞에서 설명한 실험 테스트에서 얻은 가장 중요 한 결과 다음과 같습니다.
    -무색 동작 ADG 프레넬 렌즈의 CCD 카메라 측정 (그림 7)를 사용 하 여 증명 되었습니다.
    -광 효율 (광 센서로 사용 되는 엠 제이 셀으로 측정 하는 전류에 비례) ADG 프레넬의 렌즈 최적의 초점 거리와 초점 거리 축 (그림 8) 셀을 이동할 때 큰 관용을 보여줍니다.
    -ADG 렌즈에 의해 자리 캐스트의 크기 다른 온도 (그림 9)에 대 한 큰 관용을 보여 줍니다.

    스폿 직경 렌즈에 수신기 거리의 기능으로의 진화는 렌즈, 기존의 SoG 프레넬 렌즈와 ADG 프레넬 렌즈에 대 한 그림 7 에 표시 됩니다. 상단 및 중간 부 셀 분석 된 별도로 2 색 성 필터에 의해, 하나 뜨거운 거울 700 이상의 파장을 가진 빛을 필터링, 및 1 개의 차가운 거울 빛의 파장은 700 보다 짧은 필터링 nm. 그림 7a에서 두 곡선의 최소 전치는 볼 수 있습니다. 이것은 반음계 수 차: 짧은 파장의 굴절률 높은 이기 때문에, 푸른 빛의 초점 렌즈에 더 가깝다. 그리고 푸른 빛에 대 한 최소 자리 (렌즈)를 향해 왼쪽에 난민은 붉은 빛에 대 한 최소 자리 (무한)을 향해 오른쪽으로 전치. 반대로, 그림 7b에서 그것은 관찰할 수 있습니다, ADG 프레넬 렌즈에 대 한 푸른 빛에 대 한 최소의 위치가 붉은 빛, 렌즈 전시 색 문제 증명에 대 한 최소 자리와 정확 하 게 해당.

    정규화 된 광 전류와 같이 상대 셀-렌즈 거리의 함수는 그림 8에 집중 렌즈에 의해 조명 엠 제이 태양 전지에 의해 생성 된의 진화. ADG 프레넬 렌즈에 대 한 곡선의 넓은 측면, 색 디자인 다는 것 보다 기존의 SoG 프레넬 렌즈 광학 축 따라 최적의 위치에서 렌즈의 변위를 높은 허용을 의미 합니다. 결과적으로, ADG 렌즈는 오류를 조립 하거나 초점 거리, 예를 들면, 온도 편차 변화 어떤 현상에 더 많은 관용.

    마지막으로, 렌즈 온도의 기능으로 렌즈에 의해 빛 자리 캐스트의 변화는 그림 9에 표시 됩니다. 상단과 가운데 하위 셀 dichroic 필터 (따뜻한 것과 차가운 거울)를 통해 별도로 분석 되었습니다 했습니다. 렌즈12그들의 온도 제어 하는 투명 한 커버 유리 열 챔버 안에 넣어 왔다. 그림 9 의 그래프 온도 편차 참조 SoG 프레넬 렌즈에 보다 ADG 프레넬 렌즈에 낮은 영향을가지고 하는 방법을 보여줍니다. 사실, 20 ° C의 온도 증가 대 한 후자에 대 한 빛 점 크기의 확장은 중요 한: 직경은 약 30% 상위 하위 셀 크고 최대 60% 중간 하위 셀에 대 한 더 큰. 그와 반대로, ADG 렌즈에 대 한 최악의 경우에도 증가 이다 20%. 도에 강한 열 소풍 야외 운영 조건, ADG 렌즈를 사용 하 여 만들 것 이다 시스템 성능 보다 안정적인 것이 즉.

    Figure 7
    그림 7. 스폿 직경 렌즈에 수신기 거리의 기능으로 측정. 스폿 직경 에너지 포함 95%로 정의 됩니다. 빨간 점선된 라인 대표 자리 직경 긴 파장에 대 한 (그는 일반적으로 중간 하위 셀 엠 제이 태양 전지, 에 의해 변환., 650-900 nm) 블루 연속 라인 대표 자리 직경 짧은 파장에 대 한 (그 일반적으로 적용 최고 subcell, , 350-650 nm). () SOG 프레넬 렌즈, (b) ADG 프레넬 렌즈. 이 그림8에서 수정 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

    Figure 8
    그림 8. 정규화 된 광 전류 상대 셀 렌즈 거리의 기능으로 그 직경은 3 m m 엠 제이 태양 전지에 의해 생성 된. 각 곡선의 최대 값으로 분할 되었다. 3 렌즈에 대 한 x 축에서 0 (어디 자리 최소화) 최적의 초점 거리를 나타냅니다. 배경 곡선 대표 톱 (원형 표식)에 의해 생성 된 정규화 된 photocurrents 그리고 중간 (삼각형 표식) 하위 셀. ADG_v2 향상 된 ADG 프레넬 렌즈 디자인 이다입니다. MJ 태양 전지 (상단 중간 photocurrents 사이의 최소 값)에 의해 생산 하는 정규화 된 전류 명확 하도록 말했다 되었습니다. 이 그림 13에서 수정 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

    Figure 9
    그림 9. 상대 자리 크기 렌즈 온도의 기능으로. (A) 결과 상위 하위 셀 (dichroic 핫 미러 필터를 사용 하 여 실시 하는 측정) 관련. (B) 결과 중간 하위 셀 (dichroic 찬 거울 필터를 사용 하 여 실시 하는 측정)에 관련 된. 상대 자리 크기 측정 각 렌즈에 대 한 최소 값으로 나누어 자리 크기를 얻어진 다. 이 그림13에서 수정 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

    Discussion

    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.

    Disclosures

    공개 하는 것이 없다.

    Acknowledgments

    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.

    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

    DOWNLOAD MATERIALS LIST

    References

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