הערכת ניסיוני מקורה של יעילות, Irradiance שתאכלו כפיל אכרומטי על זכוכית (ADG) עדשת פרנל ריכוז Photovoltaics

Engineering
 

Summary

כפיל אכרומטי על זכוכית (ADG) פרנל עדשה עושה שימוש בחומרים שני עם פיזור שונות כדי להפחית אברציה כרומטית להגביר את ריכוז השגה. בנייר זה, מוצג עבור אפיון מלא עדשת פרנל ADG פרוטוקול.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

אנו מציגים שיטה לאפיון אכרומטי עדשות פרנל ליישומים פוטו. כפיל אכרומטי על זכוכית (ADG) פרנל עדשה מורכבת של שני החומרים, פלסטיק אלסטומר, שמאפייניה פיזור (וריאציות שבירה עם אורך גל) הם שונים. תחילה תוכנן הגיאומטריה העדשה ואנו ואז נהגו ריי-עקיבה סימולציה, בהתבסס על שיטת מונטה קרלו, לנתח את הביצועים שלו מנקודת המבט של יעילות אופטי וגם את הריכוז המרבי השגה. לאחר מכן, טיפוס עדשת פרנל ADG יוצרו באמצעות שיטה פשוטה ואמינה. זה מורכב של זריקה מוקדמת של חלקי פלסטיק, למינציה רצופים, יחד עם elastomer את מצע זכוכית כדי לפברק את פרקט של עדשות פרנל ADG. הדיוק של הפרופיל עדשה שיוצרה נבדק באמצעות מיקרוסקופ אופטי בעוד ביצועיו אופטי מוערך באמצעות סימולטור סולארית עבור מערכות פוטו-וולטאיות רכז. הסימולטור מורכב מנורת מבזק קסנון האור הנפלט אשר משתקף על ידי מראה פרבולית. אור מקבילות יש התפלגות ספקטראלית, הצמצם זוויתי הדומה האמיתי השמש. אנו מסוגלים להעריך את ביצועי האופטי של עדשות פרנל ADG על ידי לקיחת תמונות של אחידות irradiance ספוט שהטילה את העדשה בעזרת מצלמה תשלום מצמידים מכשיר (CCD) ומדידת את photocurrent שנוצר על ידי מספר סוגים של ריבוי צומת (MJ) שמש תאים, אשר היה בעבר אפיינו-סימולטור סולארית עבור concentrator השמש תאים. מדידות אלה הראו התנהגות אכרומטי של עדשות פרנל ADG וכן, תוצאה, והתאמתו של דגמי וייצור שיטות.

Introduction

רכז פוטו (CPV) היא טכנולוגיה מבטיח כדי להפחית את העלות של חשמל סולארית מבוסס כי טכנולוגיה זו ניתן לנצל מצטבר השיפור המהיר ב היעילות של ריבוי מתקדם תאים סולריים צומת (MJ). התקנים אלה מורכבים של מספר תאים המשנה (בדרך כלל שלושה בשם העליון, האמצעי והתחתון) שכל אחד מהם מורכב של מוליך למחצה שונים במתחם. כל תא משנה יש של bandgap שונים וכתוצאה מכך לתגובה ספקטרלי שונים, דבר המאפשר אחד להמיר חלק ברורים ספקטרום השמש לחשמל. בדרך זו, תאים סולריים MJ מסוגלים לנצל מגוון רחב של הספקטרום סולארית (בדרך כלל 300-1800 ננומטר) להשגת יעילות ערכים גבוהים מ 46% תחת אור מרוכז1. כדי לפצות על העלות הגבוהה של מכשירים כאלה פוטו, משמשות מערכות אופטיות להתרכז irradiance עליהם, אשר מפחית את עלות המערכת הסופית. כיום, רוב המערכות (HCPV) זמינים מסחרית ריכוז גבוה פוטו מבוססים על סיליקון בזכוכית (SoG) היברידית עדשות פרנל2. בכל המערכות אופטי השבירה, אברציה כרומטית הוא הגורם הכי קשות להקטין את ביצועי עדשה מבחינת מרבית הריכוז השגה3 (קרי, אור ספוט האזור המזערי). עשיית שימוש עדשה אכרומטית, כלומר, עדשה עם אברציה כרומטית מאוד מופחתת, שזה אפשרי להגדיל משמעותית את ריכוז השגה מקסימלית ללא צורך רכיבים אופטיים נוספים (המכונה משני רכיבים אופטיים 4 , 5).

העיצוב של עדשות אכרומטית (הקרויה גם doublets אכרומטי כי הם מיוצרים צימוד שני החומרים עם מאפיינים שונים פיזור) ידוע מאז המאה ה-18. כפיל אכרומטי קונבנציונאלי מורכב שתי כוסות שונות: הראשון נקרא הכתר, יש פיזור נמוך, בעוד השני נקרא את אבן החלמיש ויש פיזור גבוה. עם זאת, העלות הכוללת של סוגים אלה של משקפיים ועיבוד שלהם גורם להם שאיננו עבור מערכות HCPV. Languy, המחברים הציע של כפיל אכרומטי עבור CPV המורכב פלסטיק שני: poly(methyl methacrylate) (PMMA) ופוליקרבונט (PC)6. במאמר שלהם, ניתוח השוואתי של תצורות שונות, יתרונם הוא הציג אבל בלי לקחת בחשבון את יכולת הייצור שלהם ואת המדרגיות-ייצור גבוה.

עדשת פרנל ADG המוצע כאן עוצב בצורה כזאת, כי אור קצר גל מסוים ("כחול" אור), ארוך גל מסוים ("אדום" אור) יש בדיוק את אותו מרחק מיקוד. הפרטים של שיטת עיצוב עבור doublets אכרומטי סטנדרטי ניתן למצוא במקום7. מספר סימולציות ריי-עקיבה בוצעו להדגים את השיפורים שהושג באמצעות עדשת פרנל ADG במקום עדשת פרנל SoG קונבנציונלי. דו ח מפורט על תוצאות שהושג הוצג ב4. התוצאה החשובה ביותר היא כי בעת החלפת עדשה SoG פרנל קונבנציונאלי עם עדשת פרנל ADG, ריכוז השגה מגביר כשלוש פעמים תוך שמירה על היעילות באותו האופטי. יתר על כן, מאז תהליך הייצור8 ראה כדי להשיג את ADG דומה מאוד לזו מועסק כדי לפברק SoG עדשות, הגדלת ריכוז ניתן להשיג מבלי להגדיל באופן משמעותי את העלות.

כאן אנו מציגים פרוטוקול לבצע אפיון מקיף של ריכוז הכוללת עדשה העיקרי השבירה, אנו מיישמים פרוטוקול זה עדשת פרנל SoG קונבנציונאלי (משמש תקן ביצוע) והן מספר ADG פרנל עדשה אבות-טיפוס. כדי לעשות זאת, סימולטור סולארית עבור CPV כבר בשימוש. תיאור מפורט של הסימולטור, כל הרכיבים, כמו גם עקרונות התפעול שלה, הוצגו במקומות אחרים9.

Protocol

1-עדשה דגמי באמצעות סימולציה ריי-עקיבה

  1. הכנת מודל
    1. ייבוא ADG פרנל עדשה הגיאומטריה לתוך תוכנת סימולציה ריי-עקיבה ולהגדיר תכונות חומר כגון להדמיה ו מקדם שבירה.
      הערה: העיצוב ADG פרנל פותחה במכון אנרגיה סולארית, זה מורכב קוד מחשב מבוססת על עקרונות בסיסיים אופטיקה כגון פרמה ' עקרון s ו סנל ' s החוק. פיזור עקומות של החומרים להלחין את העדשה שימשו כדי לפתח את שיטת עיצוב. תיאור מפורט של השיטה העיצוב מוצג במקום אחר 4.
    2. להגדיר את מקור אור עם מאפיינים האמיתי של השמש כגון צמצם זוויתי, התפלגות ספקטרלית.
    3. מקום מקלט במרחק מן העדשה שווה למרחק המוקד הנומינלית.

Figure 1
איור 1. מסך של מודל סימולציה ריי-עקיבה. ניתן להתבונן מקור האור, עדשת פרנל ADG (הכוללת המצע זכוכית אלסטומר, עדשת פרנל-bi פלסטיק), מקלט המשמש למדידת את irradiance ב הצמצם עדשה (עדשה מקלט) ואת irradiance ביציאה (סולר תא מקלט). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. להריץ הסימולציה ולחשב את התוצאות הרצויות, כגון השגה ריכוז ו עדשה אופטית היעילות המרבית. ריכוז השגה מוגדר כיחס בין הצמצם אופטי עדשה ואזור של המקלט איפה המקום הוא יצוק. יעילות אופטי מוגדר כיחס בין הכוח-המקלט והכוח האופטי צמצם העדשה 10.
    הערה: האזור של המקלט הוא הרבה יותר גדול מאשר נקודת האור שהטילה את העדשה על מנת להבטיח כי המקלט אוספת בכל קרן המועברת על ידי העדשה. בדרך זו, היעילות אופטי מחושב לוקח בחשבון הפסדים עקב ספיגת חומרים, השתקפות, וייצור של אילוצים (זוויות טיוטה, עצה עיגול-פינה והעמקים).
  2. חזור על שלבים 1.1. ו 1.2. הדמיה של קונבנציונאלי סיליקון בזכוכית (SoG) פרנל במקום עדשת פרנל ADG כדי לשמש benchmark.

2. תא פוטו-וולטאי אפיון

Figure 2
באיור 2. סימולטור שמש עבור concentrator השמש תאים. צילום של סימולטור שמש שימוש כדי לאפיין תאים סולאריים תחת מרוכז בקרינה. על ראש הדמות, זה ניתן לצפות את המנורה עמדה אשר קובע את רמת הריכוז. בתחתית, מוצג המטוס מדידה עם הפניה לתאי שמש רכיב, את קוואן דוט. בצד השמאל של התמונה, זה אפשרי להעריך את ציוד אלקטרוני (אספקת חשמל ו- DAQ) ואת המחשב המשמש לביצוע האפיון. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. כיול של סימולטור שמש על איפיון תאים סולאריים
    1. למקם בתוך הסימולטור סולארית הפניה רכיב התאים (העליון, האמצעי והתחתון), הידוע גם בשם isotypes, אשר היו מכוילים תחת הפניה ספקטרום וההתקן תחת בדיקה (קוואן דוט), כלומר, תא השמש כדי למדוד.
      הערה: הנח את הפניית התאים ואת קוואן דוט קרובים ככל האפשר על מנת להפחית שגיאות אפשריות בשל תאורה לא אחידה על המטוס מדידה.
    2. להתאים את המנורה פלאש מיצוב (גובה) על מנת להגיע לרמה הרצויה של ריכוז. המנורה רחוק היא של מדידת מטוס, נמוך יותר ריכוז מושגת.
      1. התפלגות ספקטראלית תלוי במיקום של המנורה לבין עוצמת פלאש. הוסף את המסננים הדרושים כדי להתאים את התפלגות ספקטרלית. התהליך כדי לקבל בהתפלגות דומה הספקטרום הפניה מתואר בשלב 2.2.1.
    3. לחבר את isotypes ואת קוואן דוט ללוח נתוני הרכישה (DAQ) של סימולטור שמש-
    4. באמצעות עורך טקסט, צור קובץ טקסט המכיל את הערכים קיטוב כדי לשמש המדידה עקומת זרם-מתח התא (IV). קובץ הטקסט מכיל שורה אחת לכל נקודת מתח. נקודות מתח יותר לגרום בהגדרת העקומה גבוהה יותר. מאז כל התאים הסולאריים מעורב תאים סולריים MJ, הערכים קיטוב מורכבות של ערכים בין 0 V 3.1 נ'
  2. מדידות
    1. עוצמת האור לאורך כל הריקבון פלאש יש לשיא של הראשוני ולאחר מכן מפעיל להקטין ( איור 3). התפלגות ספקטראלית אור גם משתנה לאורך כל דופק פלאש. תא סולארי קונבנציונאלי MJ מורכב של שלושה תאים משנה עם bandgaps שונים המחוברים בסדרה. כל תא משנה ניתן להמיר חשמל בחלק אחר של הספקטרום סולארית. לכן, הנוכחי שנוצרו על-ידי תא השמש MJ תמיד מוגבל על ידי התא משנה בהפקת הנוכחית לפחות. כדי לבצע מדידה מדויקת של, בחר ברמה irradiance שבו שני isotypes, המקביל החלק העליון והחלק האמצעי תאים משנה, לציין בדיוק את אותה רמת אחידות irradiance. זה מאשר כי התא נמדד תחת רמת הריכוז היעד וספקטרום... העובדה כי רמת אחידות irradiance שצוין על-ידי התא תת קרקעית אינה וצירוף יכול להיות מוזנחים. זה בגלל מסחרי תאים סולריים MJ מבוסס על ג ' נרל אלקטריק לעולם אינם מוגבלים הנוכחי, על ידי תא משנה זה. איור 3 מציג הסבר גרפי של הליך זה.
    2. פעם הרמה הרצויה irradiance למדידה מזוהה, להתחיל את המבחן הרביעי. הסימולטור קורא קיטוב נקודות מקובץ הטקסט שהוגדרו בשלב 2.1.4.; עבור כל נקודה, הציוד תא בנקודת המתח הרצוי קוטביות (ניגודים), מפעילה את הפלאש, מודד הנוכחי שנוצרו על-ידי תא השמש. זוג הערכים זרם ומתח, זה עקומת IV, המוצג על מסך המחשב.
      הערה: עקומת IV, זה ניתן לקבל זרם קצר (אני sc), לפתוח מעגל מתח (V oc) במקדם המילוי (FF), יעילות קוואן דוט (למרות בסעיפים הבאה, נעשה שימוש רק קצר חשמלי הנוכחית).
    3. חזור על צעד 2.2.2. ברמות ריכוז שונים כדי לבדוק כי photocurrent תא פוטו-וולטאי תלויה לינארית הריכוז ברמה (ראה איור 4) ו, לכן, התא מכוילת יכול לשמש בחיישן אור כדי לקבוע את irradiance-במישור המוקד העדשה. עבור כל רמת הריכוז, להתאים את התפלגות ספקטרלית של הפלאש באמצעות המסננים המתאימים על מנת לבצע מדידות מתי isotypes, והן תאים משנה האמצעי, לציין את רמת אחידות irradiance באותו, כמוסבר בשלב 2.2.1.

Figure 3
איור 3. זמן התפתחות מגניטודות נמדד לאורך כל הריקבון פלאש. בגרף, זה סומן הרגע כאשר תאי isotype, המקביל החלק העליון והחלק האמצעי תאים משנה, למדוד irradiance באותה הרמה. בעקבות קו מקווקו שחור אשר מתחיל מהצומת של עקומות התואם העליון, האמצעי subcells, זה ניתן לזהות את הערך הנוכחי קוואן דוט (עיגול שחור) כמו הזרם נמדד באותו רגע מדויק ההפנייה העליונה והאמצעית תאים תת ראה irradiance באותה הרמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
באיור 4. (א) בסכמה לכיוונון המשמש לביצוע בדיקות ניסויית. (B) תצלום של הגדרת ניסיוני ומרכיביה (מקור האור עם שילוב של הספרה, עדשה מדגם, מצלמת CCD, תאים סולאריים משמשים חיישני אור). במראה פרבוליות, מסננים אינם גלויים בתמונה הזאת. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

3. עדשה אפיון.

Figure 5
איור 5. גרף מייצג את התפתחות photocurrent שנוצרו על-ידי תא סולארי MJ כפונקציה של הריכוז. כצפוי צפויה יש תלות ליניארית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

  1. ההתקנה הכנה-
    1. הר 3-צירי אוטומטית מיקום פלטפורמה: המחשב בסיוע נע פלטפורמה מסוגל לשלוט במדויק את המיקום היחסי בין תא פוטו-וולטאי מכוילת/מצלמות המצלמה לבין העדשה כדי למדוד.
      1. בדוק הפלטפורמה אוטומטית מיקום 3-צירים בצורה מושלמת אופקי באמצעות רמה בועה.
    2. לטעון את התמיכה מצלמת CCD/תא פוטו-וולטאי על הפלטפורמה ' זה זז מחזיק כך שאפשר לשלוט בזכות מיקום לאורך x, y ו- z צירים.
    3. הר התמיכה עדשה ברציף מול שהמחזיק זז שמתואר בשלב 3.1.2. באמצעות בעל נע על x ו- y צירים, זה אפשרי בהחלט מרכז העדשה לגבי המטרה מצלמה CCD/תא פוטו-וולטאי. העברת המחזיק לאורך ציר z, זה אפשרי כדי למקם את המטרה מצלמה CCD/תא פוטו-וולטאי מוקד אופטימלית של העדשה (מינימום גודל ספוט), להניע לאורך ציר אופטי.
    4. להתחבר למחשב המשמש לביצוע בדיקה ניסויית כולו את כל מכשיר (פלטפורמה מיקום אוטומטית, DAQ הלוח כדי למדוד את התא photocurrent, מצלמת CCD, ואת מנורת קסנון)
    5. לבדוק את חיבור ותפעול של כל ההתקנים המחוברים.
      1. לפתוח את תוכנת שליטה על סימולטור שמש עבור CPV ולחץ על הלחצן " אור הדופק " בשביל לצלם מבזק. אם הגרף דעיכה פלאש דומה איור 3, פירוש הדבר כי DAQ לוח מנורת קסנון, isotype subcells, קוואן דוט פועלים כראוי.
      2. פתח את תוכנת שליטה על מצלמת CCD כדי לבדוק המצלמה פועלת כהלכה.
      3. פתח את תוכנת שליטה פלטפורמת נע בסיוע מחשב ולהשתמש בו כדי להעביר שהמחזיק זז לאורך הצירים שלוש. לעשות ציר אחד, בחר בין הצירים רשומים על גבי שמאל של חלון התוכנה, ואז להוסיף עמדה בנושא " המהלך המוחלט " פולס " להפעיל את ". אם המחזיק נע מזיז כצפוי, פירוש הדבר כי פלטפורמת נע פועל כראוי.
    6. נקיים והמקום העדשה כדי למדוד על התמיכה קבוע רכוב על פלטפורמת מיקום אוטומטית.
    7. מקדימה של החיישן, להציב מראה גם חם (מעברים קצרים לסנן חסימת אור באורך גל של מי הוא יותר מ 700 nm) או מראה קר (זמן לעבור מסנן חוסם אור באורך גל של מי היא קצרה יותר 700 nm).
      הערה: שלב 3.1.7. יש צורך רק עבור מדידות באמצעות מצלמת ה-CCD.
    8. השתמש שהמחזיק זז מרכז את המצלמה CCD/תא פוטו-וולטאי ביחס העדשה ולמקם אותו בנקודת המוקד אופטימלית.
    9. באמצעות עורך טקסט כלשהו, צור קובץ טקסט המכיל בכל שורה ושורה הקואורדינטות המתאים נקודת מדידה (עדשה-כדי-מקלט מרחק מסויים) החל מעמדה של המצלמה תא/CCD 5 מ מ קרוב יותר על העדשה מאשר מרחק מיקוד אופטימלי ועד משרה נוספת 5 מ-
  2. שלב מדידה
    1. תא פוטו-וולטאי מדידות
      הערה: באותו אופן כמו סימולטור סולארית עבור השמש תאים שתוארו בסעיף הקודם, עוצמת האור, את התפלגות ספקטרלית של סימולטור סולארית עבור CPV שינויים לאורך כל הריקבון פלאש. ייצוג גרפי של הריקבון פלאש דומה לזו שהושג עם סימולטור סולארית עבור תאים רכז שמתואר בשלב 2.2.1. מתוארים באיור 3. לשיא הראשוני, ואז זה מקטין. השינויים הפצה spectral אור לאורך כל הריקבון פלאש. המדידה מתבצעת באותו הרגע שבו שני isotypes, המקביל העליון ותאים תת האמצעי, לציין באותה רמה irradiance.
      הערה: בניגוד במקרה של סימולטור סולארית עבור השמש תאים במקרה זה השליטה היחידה יש לנו מעל רמת אחידות irradiance עוצמת האור פלאש ומסננים נייטרלי
      1. ברגע ברמה irradiance אופטימלית זוהתה, זה ניתן להתחיל מבחן. עבור כל תנוחה שהוגדרו בשלב 3.1.9., להפעיל את הפלאש. הסימולטור לאחר מכן יוצר קובץ טקסט המכיל נתונים אותות לאורך כל הריקבון פלאש שממנו זה אפשרי להסיק תא פוטו-וולטאי הדור הנוכחי תחת אור מרוכז על ידי העדשה.
      2. חזור על צעדים 3.1.7. כדי 3.2.1.3. עבור כל עדשה למדוד.
    2. CCD מצלמה מדידות
      1. עבור כל תנוחה חנומ 3.1.9., באמצעות מצלמת ה-CCD, קח תצלום של האור שנוצר ספוט.
        הערה: חיישן CCD של המצלמה בשילוב עם מראה חם או קר יש תשובה ספקטראלית דומה החלק העליון והחלק האמצעי תא משנה, בהתאמה (ראה איור 6). יתר על כן, על מנת לקבל תמונות עם מידע שימושי, יש צורך לנקוט אמצעי זהירות. ראשית, עוצמת האור של הפלאש חייב להיות מותאם כדי לקבל יחס אות לרעש טוב, באותו זמן, לא עיתוני חיישן CCD. כדי לעשות זאת, זה אפשרי כדי ישירות לשנות את עצמת ההבזקה או להשתמש במסננים ניטרלי כדי להשיג את רמת אחידות irradiance הרצוי. שנית, חשוב כי תא סימולטור חשוך לחלוטין כדי למנוע את ההשפעה של מקורות אור חיצוני על מדידות.
      2. מדידות טמפרטורה
        1. למקם את העדשה כדי להיות נמדד תוספותide תא תרמי משמש לשליטה הטמפרטורה עדשה במהלך בדיקה
        2. באמצעות תא תרמי, להשתנות הטמפרטורה העדשה מ 10 ° C עד 50 מעלות צלזיוס עם מדרגות שווה ל 10 ° C. כדי לעשות זאת, למקם את העדשות בתוך תא תרמי עם מכסה קדמי שקוף.
        3. לבצע את המדידה טמפרטורות שונות באמצעות מצלמת ה-CCD באותו אופן המתואר 3.2.2.1.
          הערה: הטמפרטורה של העדשה נבדק נמדד ישירות דרך צמדים תרמיים מצורף. הפרש הטמפרטורה פני עדשות הוא נמוך מ-2 מעלות צלזיוס

Figure 6
איור 6. תגובת ספקטרלי (SR) של חיישן סיליקון מצלמת CCD המסוננות לפי מראה קר או זכוכית חום (נקודות ריקים) כדי לדמות את SR של תאים תת האמצעי והעליון של 3 J מתאימים השבכה תא סולארי (נקודות מוצק). דמות זו שונתה מ 10-

  1. עיבוד התוצאות המתקבלות עם מדידת תא פוטו-וולטאי.
    1. שימוש מכויל isotype רכיבים תא להתייחסות, לקבוע את photocurrent שנוצר על ידי התאים העליונה והאמצעית המשנה של תא סולארי משמש בחיישן אור עבור כל תנוחה (דיון מפורט כיצד מעריכים טופ התיכון photocurrents מן האותות שנרשם במהלך הריקבון פלאש עיין 11).
    2. לצייר גרף שמייצג את photocurrent משוערת כפונקציה של המרחק העדשה-כדי-מקלט עבור והן האמצעי תאים תת-
    3. להשוות את התוצאות המתקבלות באמצעות עדשת פרנל אכרומטי ADG בזה של עדשת פרנל SoG.
  2. עיבוד התוצאות המתקבלות עם מדידת מצלמת CCD.
    1. לזהות centroid של האור בתמונות שצולמו עם מצלמת CCD.
      הערה: " centroid של אור " של מפת irradiance של התפלגות היא המרכז של אזור רמת אחידות irradiance הוא מעל 90% irradiance המרבי של המפה-
    2. פעם centroid ספוט מזוהה, להגדיר מספר אפשרי רדיוסים ולחשב, לגבי כל אחת מהן האחוז של אור בתוך המעגל ביחס irradiance הכולל הכלול הצילום.
    3. לחשב את רדיוס ספוט. מוגדר כבית רדיוס המכיל irradiance סה כ- 95%.
      הערה: ערך של 95% נבחר על מנת להימנע נקודת וגבוהים בשל הרעש הנגרם על ידי אור מתקדם ממקורות חיצוניים, קרי, ישיר אור מנורת קסנון או אור מהסביבה המקיפה.
    4. חזור על צעדים עיבוד 3.4.1. כדי 3.4.3. למדידות עם מראה חמים וקרים.
    5. גרף הקוטר ספוט אור כפונקציה של המרחק העדשה-כדי-מקלט לגבי המיקום האופטימלי (מינימום גודל נקודה) על מגרש של אור כחול ואדום (חם מראה, מראה קר מדידות, בהתאמה).

Representative Results

להלן התוצאות החשובות ביותר המתקבל שתואר קודם לכן בדיקות ניסיוניות:
-אכרומטי התנהגות של עדשת פרנל ADG הוכח באמצעות מדידות מצלמת CCD (איור 7).
-יעילות אופטי (פרופורציונלי הנוכחי נמדדת התא MJ להשתמש בחיישן אור) של פרנל ADG עדשת מראה עמידות גדולה כאשר התא יועבר מן המרחק האופטימלי מוקד ולאורך הציר מרחק מוקד (איור 8).
-הגודל של השחקנים ספוט שהעדשה ADG מראה עמידות גדולות לטמפרטורות שונות (איור 9).

האבולוציה של הקוטר ספוט כפונקציה של המרחק העדשה-כדי-מקלט מוצג איור 7 הן עדשות, עדשות פרנל SoG קונבנציונלי והן את עדשת פרנל ADG. החלק העליון והחלק האמצעי תאים המשנה יש נותחו בנפרד על-ידי שני מסננים ודיקרואיק זוהר, אחד חם ראי אור סינון עם אורך גל גבוה יותר 700 nm, ומראה אחד קר סינון אור באורך גל של מי היא קצרה יותר 700 nm. איור 7 א, אותו ניתן לראות קיצון של שתי עקומות הם נעקרו. זאת בשל סטייה כרומטית: מאז השבירה עבור אורכי גל קצרים הוא גבוה יותר, מוקד אור כחול קרובה על העדשה. לאחר מכן, המקום המינימלי עבור אור כחול הוא שנעקרו שמאלה (לכיוון העדשה), המקום המינימלי עבור אור אדום הוא שנעקרו ימינה (לעבר האינסוף). לעומת זאת, איור 7 ב, זה יכול להיות שנצפו, עבור עדשת פרנל ADG, המיקום של המקום המינימלי עבור אור כחול תואמת בדיוק המקום המינימלי עבור אור אדום, המוכיחה שהעדשה תערוכות אכרומטי התנהגות.

התפתחות photocurrent מנורמל שנוצר על ידי תא סולארי MJ מואר על ידי עדשה להתרכז כמוצג באיור8 פונקציה של המרחק היחסי תא-עדשה. ההיבט הרחב של העקומה עבור עדשת פרנל ADG משמעה, בזכות העיצוב אכרומטי, זה סבל גבוה כדי תזוזה של העדשה ממיקומו אופטימלית לאורך ציר אופטי מאשר עדשות פרנל SoG קונבנציונלי. כתוצאה מכך, עדשות ADG סובלניות יותר בהרכבת שגיאות או שום תופעה, שמשנה את מרחק מיקוד, למשל, וריאציה טמפרטורה.

לבסוף, וריאציה של האור יצוקה ספוט שהעדשה כפונקציה של הטמפרטורה עדשה מוצג באיור9. החלק העליון והחלק האמצעי תאים המשנה יש נותחו בנפרד על-ידי מסנני ודיקרואיק זוהר (חמים וקרים מראות). עדשות הושמו בתוך תא תרמי עם זכוכית מכסה שקוף כדי לשלוט הטמפרטורה שלהם12. הגרפים באיור 9 להראות איך וריאציית טמפרטורה יש השפעה נמוכה על העדשה ADG פרנל מאשר על ההפניה SoG פרנל עדשה. למעשה, עבור הלה, לתוספת בטמפרטורה של 20 º C, הרחבת גודל נקודה אור הוא משמעותי: הקוטר הוא כ-30% גדול יותר עבור תת התא העליון, עד 60% גדול יותר עבור התא משנה האמצעי. להפך, העדשה ADG, אפילו במקרה הגרוע ביותר העלייה היא מתחת ל 20%. כלומר even in לתנאי הפעלה חיצונית עם טיול תרמית חזקה, באמצעות העדשה ADG עושה את ביצועי המערכת יציבה יותר.

Figure 7
איור 7. נמדד קוטר הנקודה כפונקציה של המרחק העדשה-כדי-מקלט. קוטר הנקודה מוגדר הזה כולל 95% מהאנרגיה. קווים מקווקווים אדומים מייצגים קטרים ספוט עבור אורכי הגל (אלה בדרך כלל המרה על ידי בתא משנה האמצעי MJ תאים סולריים, כלומר., 650-900 ננומטר) קווים רציף כחולים מייצגים קטרים ספוט עבור באורכי גל קצרים יותר (אלה בדרך כלל מכסה את subcell העליון, קרי, 350-650 ננומטר). () SOG פרנל עדשה, (b) ADG פרנל עדשה. איור זה השתנה מ-8. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 8
איור 8. Photocurrent מנורמל שנוצר על ידי תא סולארי MJ בקוטר 3 מ מ הוא כפונקציה של המרחק היחסי תא-כדי-עדשה. כל עקומה כבר מחולק על-ידי הערך המרבי שלו. אפס ה-x עבור שלוש עדשות מייצג את מרחק מיקוד אופטימלי (איפה ממזער המקום). רקע עקומות מייצגים את photocurrents מנורמל שנוצר על ידי החלק העליון (סמני מעגלית) ו המזרח התיכון תאים המשנה (סמנים משולש). ADG_v2 הוא עיצוב עדשות פרנל ADG משופר. יש כבר העיר הנוכחי המנורמל מיוצר על ידי תא השמש MJ (הערך המינימלי בין החלק העליון והחלק האמצעי photocurrents) מובהר. איור זה השתנה מ 13. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 9
איור 9. בגודל נקודה היחסית כפונקציה של הטמפרטורה העדשה. (א) תוצאות הקשורות התא העליון משנה (מדידה מתבצעות בעזרת מסנן ודיקרואיק זוהר מראה חם). (B) תוצאות הקשורות התא משנה האמצעי (מדידה מתבצעות בעזרת מסנן מראה קר ודיקרואיק זוהר). הגודל היחסי ספוט, מתקבל חלוקת גודל נקודה על-ידי הערך המינימלי שנמדד עבור כל עדשה. איור זה השתנה מ13. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

השיטה המוצעת עבור אפיון עדשות פרנל ADG מכיל שני תהליכים שונים: הראשון משתמש תאים סולריים כמו חיישני אור, בעוד השנייה מבוססת על מצלמת CCD.

החלת את תא פוטו-וולטאי מבוסס הליך, photocurrent שנוצר על ידי תא סולארי MJ יש כבר נמדד באמצעות עדשות פרנל שונות כמו ריכוז. כמפורט בפרוטוקול, סימולטור שמש CPV עושה שימוש מנורה פלאש קסנון פליטת אור המשתקף על מראה פרבולית. מראה כזה מפיק אלומת אור מקבילות על המטוס מדידה (חופפת הצמצם של העדשה). עקב המראה ייצור טולרנסים חספוס פני השטח, אור מקבילות אינה אחידה על המטוס מדידה. שאינו-אחידות irradiance שנוצרו על-ידי סימולטור שמש הוא המקור העיקרי של שגיאה שלנו מדידות ניסיוני10. מאז עדשות גדולות לשלב את irradiance על המטוס מדידה על פני שטח גדול, השגיאה בשל אחידות שאינה תלויה בגודל של העדשה. סימולטור שמש למערכות CPV בשימוש במכון אנרגיה סולארית משיגה על אחידות יותר ± 5% 3 x 3 ס"מ אופטיקה9. עדשת פרנל ADG נבדק כאן, אשר הצמצם אופטי הוא 40 x 40 מ מ, ההשפעה של אי-אחידות מעל המידה יכול להיות קריטי. על מנת לצמצם אי ודאות זו, עדשה הפניה הוא נמדד מחדש לפני ביצוע ניסוי כלשהו. יתר על כן, כאשר ביצוע מדידות אלה, הוא בעל חשיבות עליונה כדי להיות זהירים במיוחד במהלך היישור של התא לבין העדשה. למעשה, תא השמש יש למקם בדיוק ממורכז עם נקודת האור שהטילה את העדשה כדי למנוע אי-התאמות, כי אם רע הראשונית מיצוב, ההפחתה photocurrent בגלל defocusing היא שונה. שגיאה נוספת שעלולה להתרחש היא נגרמת על ידי גורמים הצללה שונות של הרשת metallization הקדמי (תא השמש MJ להשתמש בחיישן מכויל שימוש בקרינה אחיד אבל העדשות יצוק פרופיל בצורה גאוסיאנית עליו במהלך המדידות). כדי להבטיח כי metallization אינו משפיע תוצאות ניסויית, זה שימושי לשאת את מספר מדידות ועקרו מבתיהם העדשה, מכך, נקודת האור על המטוס מקלט. אם photocurrent נמדד משתנה באופן משמעותי כאשר מעט הזזת נקודת האור, פירוש כי הרשת metallization זה משפיע על המידות.

ישנן שיטות אחרות מתאימים למדוד את היעילות האופטי של העדשה הראשית, למשל, באמצעות חיישנים תרמיים irradiance כגון טרמופילים10. החיסרון העיקרי של גישה זו היא התגובה של חיישן תרמי הוא איטי מדי עבור כל מקור אור פלאש. לכן, זה ניתן להחיל רק למידות חיצונית (אשר רגישים מאוד להתפלגות ספקטרלי irradiance ותנאי מזג אוויר אחרים). עם השיטה המוצעת, מגבלה זו הוא נמנע.

בנוסף, באמצעות תא השמש מבוסס הליך, זה גם יהיה ניתן לקבל את הגודל של השחקנים ספוט אור על ידי העדשה. כדי לעשות זאת, photocurrents שנוצר על ידי מספר תאים סולריים MJ מאותו סוג, שונים אך דומים בגדלים צריך למדוד. עבור התאים שגודלם הוא קטן יותר מאשר הגבס ספוט אור על ידי העדשה, photocurrent נמדד פוחתת ככל ירידות תא השטח בשל האור נשפך מתוך התא. לעומת זאת, photocurrent נשארת קבועה עבור תאים סולריים MJ שגודלם הוא גדול יותר מאשר נקודת האור, שכן משנה פני השטח של התא, כל האור מועברת על ידי העדשה מגיעה תא השמש. לפיכך, גודל נקודת האור שווה לגודל של התא הקטן משיגה היעילות המרבית. שיטה זו, ככל שהמספר גבוה יותר של תאים סולריים להשתמש, גבוה יותר את הרזולוציה.

מאז ערכה של תאים סולריים מתאימים לבצע את המדידות המתוארת אינה זמינה תמיד, ההליך מצלמת CCD הוצע כדי למדוד את גודל נקודה אור. בזכות חיישן CCD, באמצעות צילומים של נקודת האור שצולמו באמצעות המצלמה, טווח דינמי רחב אפשרי השוואה בין ערכי שיא והעמק. על מנת לחשב את הערך המוחלט של אחידות irradiance, כיול של וכל המערך, כולל את המסננים ואת מצלמת CCD, היה הכרחי. עם זאת, מן התצלומים, זה אפשרי להפריד את שטח מהאזור החשוך מעל תמונה, לפיכך, לאמוד את גודל נקודה אור. החסרונות העיקריים של שיטה זו הן ההתאמה ספקטרלי בין חיישן CCD של תא סולארי MJ והרעש המיוצר על ידי מקורות אור שונים מן הקורה מקבילות שנוצר על ידי סימולטור שמש. לגבי הבעיה הראשונה, על-ידי הוספת מראה חם או קר עם המצלמה CCD, זה ניתן לקבל מענה ספקטראלית דומה מאוד לזה של החלק העליון והחלק האמצעי תאים משנה (ראו איור 6). בנוסף, על מנת להגביל את רעשי הרקע, יש צורך לחלוטין להכהות את התא של סימולטור CPV. מאז זה כמעט בלתי אפשרי להימנע לחלוטין מקורות אור חיצוני, עיבוד תמונה מאוד חשוב, צריך להיות מתוכנת טוב. השלב הקריטי ביותר הוא חיסול של רעש רקע. סינון רעש יכול להיות חלקית אוטומטי, אבל, בשל התלות חזק עם גורמים חיצוניים, כי הם בקושי צפוי, כל תמונה מעובד עובר בדיקה ויזואלית.

ההליך CCD ניתן להשיג את האבולוציה של גודל נקודה אור כפונקציה של הטמפרטורה העדשה על-ידי הוספת המערכת תא תרמי היכן ממוקמים עדשות. במקרה זה, מלבד מקורות השגיאה שתואר קודם לכן, נובע חוסר ודאות המדידות טמפרטורה העדשה. צמד תרמי שליטה (אחד מחובר ישירות למחשב) אינו מייצג את הטמפרטורה עדשה אמיתי כי החיישן ממוקם בנקודה של תא תרמי קרוב אבל לא מחובר ישירות העדשות כדי למדוד. לכן, הטמפרטורה נמדדת באמצעות כזה צמד תרמי היא הטמפרטורה הממוצעת היא הסביבה שמקיפה את העדשות, ואינו מתאים בהכרח לטמפרטורה עדשה אמיתי. זו הסיבה להתחברות לכל עדשה צמד תרמי עצמאי מומלץ. ובכל זאת, יש כנראה הדרגתי בטמפרטורה בין נקודות שונות של העדשה. על מנת לכמת אי ודאות זו, ברגע תא תרמי משיגה לטמפרטורה הרצויה, לפני ביצוע לכל מידה, עדיף לחכות 15-20 דקות לשחרר את טמפרטורת המערכת להפוך כמו אחיד ככל האפשר.

Disclosures

אין לנו לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו חלקית בתמיכתם של ספרדית משרד הכלכלה ואת התחרותיות תחת הפרויקט Acromalens (ENE2013-45229-P), קיבלה מימון המחקר של האיחוד האירופי אופק 2020 ותוכנית חדשנות בתוך פרוייקט CPV להתאים תחת גרנט הסכם לא 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Lorenzo, E., Sala, G. Sun II. 536-539 (1979).
  3. Victoria, M. New Concepts and Techniques for the Development of High-Efficiency Concentrating Photovoltaic Modules. E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). (2014).
  4. Vallerotto, G., et al. Design and modeling of a cost-effective achromatic Fresnel lens for concentrating photovoltaics. Opt. Express. 24, A1245 (2016).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Hecht, E. Optics, Third Edition. Addison Wesley Longman, Inc. (1998).
  8. 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).
  9. Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. Solar simulator for concentrator photovoltaic systems. Opt. Express. 16, 14894 (2008).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics