Indendørs eksperimentelle vurdering af effektiviteten og irradians Spot af den akromatisk Doublet på glas (ADG) Fresnel Lens for koncentration af solceller

Engineering
 

Summary

Den akromatisk doublet på glas (ADG) Fresnel linse gør brug af to materialer med forskellige spredning til at reducere kromatisk aberration og øge opnåelige koncentration. I dette papir præsenteres en protokol for fuldstændig karakterisering af ADG Fresnel-linse.

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

Vi præsenterer en metode til at karakterisere akromatisk Fresnel linser for fotovoltaiske applikationer. Den akromatisk doublet på glas (ADG) Fresnel linse er sammensat af to materialer, en plastik og en elastomer, hvis spredningsegenskaber (brydningsindeks variation med bølgelængde) er forskellige. Vi først designet linse geometri og derefter brugte ray-tracing simulation, baseret på metoden Monte Carlo til at analysere ydelsen fra både optisk effektivitet og den maksimalt opnåelige koncentration. Bagefter, ADG Fresnel lens prototyper blev fremstillet ved hjælp af en simpel og pålidelig metode. Det består af en forudgående injektion af plastdele og et fortløbende laminering, sammen med elastomer og et glas substrat til at fabrikere parket ADG Fresnel linser. Nøjagtigheden af de fremstillede linse profil er undersøgt ved hjælp af en optisk mikroskop, mens dens optisk ydelse vurderes ved hjælp af en sol simulator for koncentrator fotovoltaiske systemer. Simulatoren er sammensat af en xenon flash lampe hvis udsendes lyset reflekteres af en parabolsk spejl. Kollimeres lyset har en lydenergiens fordeling og en lignende til virkelige vinkelåbning solen. Vi var i stand til at vurdere den optiske ydeevne ADG Fresnel linser at tage fotografier af irradians spot støbt af linsen ved hjælp af en afgift - sammen enhed (CCD) kamera og måling af en photocurrent, genereret af flere typer af multi junction (MJ) sol celler, der har været tidligere karakteriseret ved en sol simulator for koncentrator solceller. Disse målinger har vist akromatisk funktionsmåden af ADG Fresnel linser og som en konsekvens, modellering og fremstillingsmetoder egnethed.

Introduction

Koncentrator solceller (CPV) er en lovende teknologi til at reducere omkostningerne ved solar-baseret elektricitet, fordi denne teknologi kan drage fordel af den hurtige trinvise forbedring af effektiviteten af avanceret multi junction (MJ) solceller. Disse enheder er sammensat af flere underordnede celler, (normalt tre navngivet som toppen, midten og bunden) hver især består af en forskellige halvleder sammensatte. Alle underordnede celler har en forskellige bandgap resulterer i en anderledes spektrale reaktion, som gør det muligt for hver enkelt at konvertere en særskilt del af solens spektrum til elektricitet. På denne måde er MJ solceller i stand til at udnytte en bred vifte af solens spektrum (typisk 300-1800 nm) at opnå effektivitet værdier højere end 46% under koncentreret lys1. For at kompensere for de høje omkostninger ved sådanne fotovoltaisk udstyr, anvendes optiske systemer at koncentrere irradians på dem, hvilket reducerer den endelige system omkostninger. I øjeblikket, er de fleste af de kommercielt tilgængelige høj koncentration solcelle (HCPV) systemer baseret på silikone på glas (SoG) hybrid Fresnel linser2. I alle refraktive optiske systemer er kromatisk aberration den faktor, der er hårdest faldende linse ydeevne med hensyn til den maksimale opnåelige koncentration3 (dvs. minimum lys spot område). At gøre brug af en achromatic linse, det vil sige, en linse med stærkt nedsat kromatisk aberration, er det muligt at øge den maksimale opnåelige koncentration uden behov for nogen yderligere optiske elementer (benævnt som sekundære optiske elementer 4 , 5).

Design af achromatic linser (almindeligvis kaldet akromatisk dubletter fordi de er fremstillet, kobling to materialer med forskellige spredningsegenskaber) har været kendt siden 1700-tallet. Den konventionelle akromatisk doublet er sammensat af to forskellige briller: den første kaldes kronen og har lav dispersion, mens den anden kaldes flint og har høj spredning. De samlede omkostninger ved disse former for briller og deres behandling gør dem imidlertid ubetalelige for HCPV systemer. Languy og Co-forfattere har foreslået en akromatisk doublet for CPV består af to plast: poly(methyl methacrylate) (PMMA) og polycarbonat (PC)6. I deres artikel er en sammenlignende analyse af de forskellige konfigurationer og deres fordele præsenteret, men uden at tage deres manufacturability og skalerbarhed på høj produktion.

ADG Fresnel-linse her foreslåede er udformet på en sådan måde, at lys på et bestemt kort bølgelængde ("blå" lys) og en bestemt lang bølgelængde ("rød" lys) har præcis den samme brændvidde. Oplysninger om metoden design for standarden akromatisk dubletter kan findes andetsteds7. Flere ray-tracing simuleringer er foretaget til at demonstrere de forbedringer, der er fremstillet ved hjælp af en ADG Fresnel-linse i stedet for en konventionel SoG Fresnel-linse. En detaljeret rapport om de opnåede resultater blev præsenteret i4. Det vigtigste resultat er, at når erstatte en konventionel SoG Fresnel-linse med en ADG Fresnel-linse, den opnåelige koncentration øger omkring tre gange samtidig opretholde den samme optiske effektivitet. Desuden, da fremstillingsprocessen8 med henblik på at opnå ADG er meget lig en ansat til at fabrikere SoG linser, stigning i koncentrationen opnås uden væsentligt øge udgifterne.

Præsenterer her vi en protokol for at udføre en omfattende karakterisering af koncentratorer bestående af en brydningsindeks primære linse og vi anvender denne protokol til både en konventionel SoG Fresnel-linse (anvendes som benchmark) og flere ADG Fresnel lens prototyper. For at gøre det, er en sol simulator for CPV blevet brugt. En detaljeret beskrivelse af simulatoren og alle dens komponenter, samt dens principper, er blevet forelagt andetsteds9.

Protocol

1. lens modellering ved hjælp af Ray-Tracing Simulation

  1. Model forberedelse
    1. Import ADG Fresnel linse geometri i ray-tracing simulation software og oprettet materiale egenskaber såsom transmittans og brydningsindeks.
      Bemærk: ADG Fresnel design er blevet udviklet på Solar Energy Institute og det består af computer-kode baseret på grundlæggende optik principper som Fermat ' s princippet og Snell ' s lov. Dispersion kurver af materialer komponere linsen er blevet brugt til at udvikle metoden design. En detaljeret beskrivelse af metoden design præsenteres andetsteds 4.
    2. Oprettet en lyskilde med real egenskaber af solen som vinkelåbning og lydenergiens fordeling.
    3. Placerer en modtager i en afstand fra linsen svarende til den nominelle brændvidde.

Figure 1
fig. 1. Screenshot af ray-tracing simulationsmodel. Det er muligt at observere lyskilden, ADG Fresnel-linse (bestående af glas substrat, elastomer og bi-Fresnel lygteglasset) og modtagere anvendes til at måle irradians på blænden (linse receiver) og indstråling på exit (solar celle modtager). venligst klik her for at se en større version af dette tal.

  1. køre simuleringen og beregne ønskede resultater såsom den maksimalt opnåelige koncentration og linse optisk effektivitet. Opnåelige koncentration er defineret som forholdet mellem optiske blænden og modtageren område hvor stedet er støbt. Optisk effektivitet er defineret som forholdet mellem magt hos modtageren og magt på linse optisk blænde 10.
    Bemærk: Området af modtageren er meget større end lys stedet støbt af objektivet for at sikre at modtageren indsamler hver stråle sendes af linsen. På denne måde tager den beregnede optisk effektivitet tab på grund af materialer absorption, refleksion og produktion begrænsninger (kladdevinkler og tip afrunding på hjørnet og dale).
  2. Gentag trin 1.1. og 1,2. simulering af en konventionel silikone på glas (SoG) Fresnel i stedet for en ADG Fresnel-linse til at blive brugt som benchmark.

2. Solcelle karakterisering

Figure 2
figur 2. Sol simulator for koncentrator solceller. Fotografi af den sol simulator anvendes til at karakterisere solceller under koncentreret irradians. På toppen af figuren er det muligt at observere den lampe, hvis placering bestemmer koncentration. På bunden, er måling flyet med reference komponent solceller og DUT vist. På venstre for fotografiet er det muligt at sætte pris på det elektroniske udstyr (strømforsyning og DAQ) og computeren, der bruges til at udføre karakterisering. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

  1. Kalibrering af sol simulator for solar celle karakterisering
    1. sted inde i den sol simulator reference komponent celler (toppen, midten og bunden), også kendt som isotypes, som blev kalibreret en reference spektrum og enheden under test (DUT), dvs, solcelle måles.
      Bemærk: Placer reference celler og DUT så tæt sammen som muligt for at reducere mulige fejl på grund af ikke ensartet belysning på måling flyet.
    2. Justere flash lampe positionering (højden) for at nå det ønskede niveau af koncentration. Den yderligere lampen er fra målingen fly, jo lavere koncentration opnås.
      1. Den lydenergiens fordeling afhænger af placeringen af lampen og flash intensiteten. Tilføj de nødvendige filtre for at justere den lydenergiens fordeling. Proceduren for at opnå en lignende til referencespektret distribution er beskrevet i trin 2.2.1.
    3. Tilsluttes Data erhvervelse (DAQ) bestyrelse den sol simulator isotypes og DUT.
    4. Ved hjælp af en teksteditor, skabe en tekstfil indeholdende polarisering værdierne skal anvendes i celle nuværende spænding (IV) kurve måling. Tekstfilen indeholder én linje pr. spænding punkt. Flere spændingspunkter resultere i højere kurven definition. Da alle de involverede solceller er MJ solceller, polarisering værdier består af værdier mellem 0 V og 3.1 V.
  2. Målinger
    1. lysintensiteten i hele den flash forfald har en indledende peak og derefter begynder at falde ( figur 3). Den spektrale lysfordeling er også ændret hele flash pulsen. En konventionel MJ solcelle er sammensat af tre sub celler med forskellige bandgaps, der er forbundet i serie. Hver sub celle kan konvertere elektricitet i en anden del af solens spektrum. Derfor, den aktuelle genereret af MJ solcelle er altid begrænset af den underordnede celle producerer den mindste aktuelle. For at udføre en nøjagtig måling, skal du vælge en irradians niveau hvor både isotypes, svarer til de øverste og midterste underordnede celler, angive nøjagtigt det samme indstråling niveau. Dette bekræfter, at cellen er målt under koncentration målniveau og spektrum. Se kan bort fra, at irradians niveau angivet ved bunden sub cellen ikke er sammenfaldende. Dette skyldes, at kommercielle Ge-baserede MJ solceller er aldrig nuværende begrænset af denne sub celle. figur 3 viser en grafisk forklaring af denne procedure.
    2. Engang det ønskede irradians niveau måling er identificeret, begynder IV-prøve. Simulatoren læser polarisering punkter fra den tekstfil, der er defineret i trin 2.1.4.; for hvert punkt, udstyr polarizes celle på den ønskede spænding, udløser blitzen, og måler den aktuelle genereret af solcellen. Par af strøm og spænding værdier, der er IV kurven, der vises på computerskærmen.
      Bemærk: Fra IV kurven, er det muligt at opnå den kortslutte nuværende (jeg sc), åbent kredsløb spænding (V oc), udfyldningsfaktor (FF) og effektiviteten af DUT (selv om i næste afsnit bruges kun kortslutningsstrøm).
    3. Gentag trin 2.2.2. på forskellige koncentrationsniveauer at kontrollere at solcelle photocurrent afhænger lineært af koncentrationen niveau (Se figur 4), og dermed, kalibreret cellen kan bruges som en lyssensor til bestemme irradians på linsen fokalplan. For hver koncentration, justere den lydenergiens fordeling af flash lys ved hjælp af passende filtre for at udføre målinger når både isotypes, øverste og midterste underordnede celler, angive den samme irradians niveau, som forklaret i trin 2.2.1.

Figure 3
figur 3. Tiden udviklingen af de målte størrelser i hele flash henfald. På grafen, er det markeret instant når isotype celler, svarer til de øverste og midterste underordnede celler, måler det samme indstråling niveau. Efter den sorte stiplet linje, der starter fra skæringspunktet mellem kurverne svarer til øverste og midterste subcells, er det muligt at identificere den DUT aktuelle værdi (sort cirkel) som den nuværende målt den præcise øjeblik som øverste og midterste reference underordnede celler se de samme indstråling niveau. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
fig. 4. (A) ordningen af opsætning bruges til at udføre eksperimentel afprøvning. (B) fotografi af opsætningen af eksperimenterende og dets komponenter (lyskilde med integration af kugle, linse prøve, CCD kamera og solceller brugt som lys sensorer). Den parabolske spejl og filtre er ikke synlige i dette fotografi. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

3. linse karakterisering.

Figure 5
figur 5. Graf der repræsenterer udviklingen i en photocurrent, genereret af en MJ solcelle som funktion af koncentrationen. Som forventet er der en lineær afhængighed. venligst klik her for at se en større version af dette tal.

  1. Setup forberedelse.
    1. Mount 3-akser automatiseret positionering platform: en computer assisted bevægelige platform kan præcist kontrollere den relative position mellem kalibreret solcelle/CCD kamera og linse skal måles.
      1. Kontrollér, at 3-akser automatiseret positionering platform er helt vandret ved hjælp af et vaterpas.
    2. Mount solcelle/CCD kamera støtte på platformen ' s flytter indehaveren på en sådan måde, at det er muligt at styre sin stilling langs x, y og z akser.
    3. Mount linse støtte i platform foran bevægelige indehaveren beskrevet taktfast 3.1.2. Ved hjælp af bevægelige indehaveren på x- og y akser, er det muligt at perfekt center linse med hensyn til solcelle/CCD kamera mål. Flytte indehaveren langs z-aksen, er det muligt at placere solcelle/CCD kamera mål i det optimale omdrejningspunktet for linse (minimum spot størrelse) og flytte det langs dets optiske akse.
    4. Tilslut hver enhed (automatiseret positionering platform, DAQ bestyrelsen at måle celle photocurrent, CCD kamera, og xenonlampe) til computeren, der bruges til at udføre den hele eksperimentelle test.
    5. Teste forbindelsen og drift af alle tilsluttede enheder.
      1. Åbne programmet kontrollerer den sol simulator for CPV og tryk på knappen " lys pulse " for at skyde en flash. Hvis flash henfald grafen ligner figur 3, betyder det, at DAQ board, xenon lygte, isotype subcells og DUT fungerer korrekt.
      2. Åbne programmet kontrollere CCD kamera for at kontrollere, at kameraet fungerer korrekt.
      3. Open software kontrol computer assisted bevægelige platform og bruge den til at flytte den bevægelige indehaveren langs de tre akser. For at gøre så, skal du vælge en akse mellem akserne angivet øverst til venstre i vinduet software, derefter indsætte en position i " move absolutte " og puls " køre ". Hvis indehaveren af bevægelige bevæger sig som forventet, betyder det, at den bevægelige platform fungerer korrekt.
    6. Rene og sted linsen skal måles på de fast støtte monteret på den automatiske positionering platform.
    7. i front af sensoren, placere enten en varm spejl (kort-pass filter blokerer lys hvis bølgelængde er længere end 700 nm) eller en kold spejl (lang pass filter blokerer lys hvis bølgelængde er kortere end 700 nm).
      Bemærk: Trin 3.1.7. kun til målinger ved hjælp af CCD kamera kræves.
    8. Bruge bevægelige indehaveren til at centrere solcelle/CCD kamera med hensyn til linsen og Placer det på det optimale knudepunkt.
    9. Ved hjælp af hvilken som helst teksteditor, skabe en tekstfil der indeholder alle linjer i koordinater svarer til et målepunkt (en vis objektiv til modtageren afstand) starter fra en position af celle/CCD kamera 5 mm tættere på linsen end den optimale brændvidde og op til en position 5 mm længere.
  2. Måling fase
    1. solcelle målinger
      NOTE: på samme måde som den sol simulator for solceller beskrevet i forrige afsnit, lysintensitet og den lydenergiens fordeling af den sol simulator for CPV ændringer hele flash henfald. Den grafiske gengivelse af flash henfald er magen til det opnås med den sol simulator for koncentrator celler beskrevet taktfast 2.2.1. og skildret i figur 3. Der er en indledende peak og derefter det aftager. De spektrale lysfordeling ændringer hele flash henfald. Måling udføres i øjeblikket hvor begge isotypes, svarende til øverste og midterste underordnede celler, angive den samme indstråling niveau.
      Bemærk: I modsætning til tilfælde af den sol simulator for solceller i dette tilfælde den eneste kontrol vi har over irradians niveau er opblussen lysintensiteten og neutrale filtre
      1. så snart optimale irradians niveau er blevet identificeret, er det muligt at begynde at test. For hver position, der er defineret i trin 3.1.9., udløse flash-lys. Simulatoren genererer derefter en tekstfil, der indeholder data signaler i hele flash henfald, hvorfra det er muligt at udlede solcelle nuværende generation under lys koncentreret af linsen.
      2. Gentag trin fra 3.1.7. til 3.2.1.3. for hver linse måles.
    2. CCD kamera målinger
      1. For hver position, defineret i 3.1.9., ved hjælp af CCD-kamera, tage et fotografi af den genererede lys plet.
        Bemærk: CCD-sensor kamera kombineret med et varmt eller koldt spejl har en spektrale reaktion svarende til øverste og midterste sub celle, henholdsvis (Se figur 6). Desuden, for at få fotografier med nyttige oplysninger, det er nødvendigt at tage nogle forholdsregler. For det første skal opblussen lysintensiteten justeres for at få en god signal-støj-forholdet og på samme tid, ikke mætte CCD-sensor. For at gøre det, er det muligt at direkte ændre flash intensiteten eller at bruge neutrale filtre til at få det ønskede irradians niveau. For det andet, det er vigtigt at simulator kammeret er helt mørke at undgå påvirkning af eksterne lyskilder målinger.
      2. Temperaturmålinger
        1. placere linsen til at blive målt insIDE termisk salen bruges til at kontrollere objektivet temperaturen under test
        2. Ved hjælp af den termiske kammer, varierer temperaturen i linsen fra 10 ° C til 50 ° C med trin svarende til 10 ° C. For at gøre det, placere linser inde i en termisk kammer med en gennemsigtig frontdækslet.
        3. Udføre måling for forskellige temperaturer ved hjælp af CCD-kamera på samme måde beskrevet i 3.2.2.1.
          Bemærk: Temperatur af linsen bliver testet måles direkte gennem termoelementer knyttet til den. Temperaturforskelle på tværs af linser overflade er lavere end 2 ° C.

Figure 6
figur 6. Spektrale reaktion (SR) af CCD kamera silicium sensor filtreret efter en kold spejl eller en varme glas (tomme prikker) at simulere SR af mellemste og øverste underordnede celler i en 3 J gitter-matchede solar celle (solid prikker). Dette tal er blevet ændret fra 10.

  1. behandling af opnåede resultater med solcelle måling.
    1. Ved hjælp af kalibreret isotype celle komponenter for reference, bestemme photocurrent genereret af øverste og midterste underordnede celler i solcellen bruges som en lyssensor for hver position (for en detaljeret diskussion om sådan skøn top og midten photocurrents fra de signaler, der er registreret under den flash henfald henvise til 11).
    2. Tegn en graf, der repræsenterer den tilnærmet photocurrent som en funktion af den linse til modtager afstand til både øverste og midterste underordnede celler.
    3. Sammenligne resultaterne med der af SoG Fresnel-linse ADG akromatisk Fresnel lens.
  2. Behandling af opnåede resultater med CCD kamera måling.
    1. Identificere barycentrum lysets i fotografier taget med CCD kamera.
      Bemærk: Den " barycentrum lysets " af en irradians kort distribution er centrum for det område, hvis irradians niveau er over 90% af maksimal indstråling af kortet.
    2. Når den spot barycentrum er identificeret, definere en række mulige radius, og for hver af dem, beregne procentdelen af lys i cirkel med hensyn til den samlede indstråling indeholdt i fotografiet.
    3. Beregn stedet radius. Det er defineret som den radius, der indeholder 95% af den samlede indstråling.
      Bemærk: En værdi af 95% er blevet valgt for at undgå en kunstigt stor spot på grund af støj forårsaget af lys fra eksterne kilder, dvs., direkte lys fra xenon lygte eller lys fra det omgivende miljø.
    4. Gentag trin fra 3.4.1. til 3.4.3. målinger med varme og kolde spejl.
    5. Absorbanserne afbildes som repræsenterer lys stedet diameter som en funktion af den linse til modtager afstand med hensyn til den optimale position (minimum spot størrelse) for både blå og røde lys (varm spejl og kolde spejl målinger, henholdsvis).

Representative Results

Af de vigtigste resultater af tidligere beskrevet eksperimentelle prøver er følgende:
-Akromatisk opførsel af ADG Fresnel-linse er blevet påvist ved hjælp af CCD kamera målinger (figur 7).
-Optisk virkningsgrad (proportional med den aktuelle målt af cellen MJ brugt som en lyssensor) af ADG Fresnel linse viser en stor tolerance når cellen er flyttet fra den optimale brændvidde og langs den brændvidde akse (figur 8).
-Størrelsen af de spot stemmer af ADG linsen viser en stor tolerance over for forskellige temperaturer (figur 9).

Udviklingen i stedet diameter som en funktion af linse til modtageren afstand er vist i figur 7 for både linser, en konventionel SoG Fresnel linse og ADG Fresnel-linse. Øverste og midterste underordnede celler har været analyseret separat ved hjælp af to dichroic filtre, en varm spejl filtrering lys med en bølgelængde højere end 700 nm, og en kold spejl filtrering lys hvis bølgelængde er kortere end 700 nm. I figur 7a, kan det ses, at minimumssatserne for de to kurver er fordrevet. Dette er på grund af kromatisk aberration: da brydningsindeks for korte bølgelængder er højere, omdrejningspunktet for blåt lys er tættere på linsen. Derefter, den mindste spot til blåt lys er fordrevet til venstre (mod linsen) og minimum stedet for rødt lys er fordrevet til højre (mod uendeligt). Omvendt, i figur 7b, kan det konstateres, at for ADG Fresnel-linse, placeringen af den mindste spot til blåt lys svarer nøjagtigt med minimum stedet for rødt lys, beviser linsen udstiller akromatisk adfærd.

Udviklingen af de normaliserede photocurrent genereret af en MJ solcelle belyst af en koncentrere linse som en funktion af relative celle-linse afstand er vist i figur 8. Den bredere aspekt af kurven for ADG Fresnel-linse betyder, at, takket være den akromatisk design, det har en højere tolerance til en forskydning af linsen fra sin optimale placering langs den optiske akse end en konventionel SoG Fresnel-linse. Som en konsekvens, er ADG linser mere tolerant montering fejl eller ethvert fænomen, der ændrer brændvidden, f.eks., en temperatur variation.

Endelig, variation af de lys plet stemmer af linsen som en funktion af linse temperatur er vist i figur 9. Den øverste og midterste underordnede celler er blevet analyseret separat ved hjælp af dichroic filtre (varm og kold spejle). Linser er blevet sat inde i en termisk kammer med gennemsigtigt dæksel glas til at styre deres temperatur12. Grafer i figur 9 viser, hvordan temperatur variation har en lavere indvirkning på ADG Fresnel-linse end på reference SoG Fresnel-linse. I virkeligheden, for sidstnævnte, til en temperatur forøgelse af 20 ° C, udvidelse af lys spot størrelse er betydelig: diameter er ca. 30% større for den øverste celle, sub og op til 60% større for den midterste sub celle. Tværtimod, for ADG linse er selv i værste fald stigningen under 20%. Det betyder, at selv i udendørs driftsbetingelser med stærke termisk udflugt, ved hjælp af ADG linse ville gøre systemets ydeevne mere stabil.

Figure 7
Figur 7. Målt stedet diameter som en funktion af linse til modtageren afstand. Stedet diameter er defineret som at herunder 95% af energien. Røde stiplede linjer repræsenterer pletternes diameter til længere bølgelængder (dem typisk konverteret af den midterste sub celle i MJ solceller, dvs., 650-900 nm) og blå kontinuerlig linjer repræsenterer pletternes diameter for kortere bølgelængder (disse typisk omfattet af den øverste subcell, dvs., 350-650 nm). (en) SOG Fresnel lens, (b) ADG Fresnel linse. Dette tal er blevet ændret fra8. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 8
Figur 8. Normaliserede photocurrent genereret af en MJ solcelle, hvis diameter er 3 mm som en funktion af den relative celle-til-linse afstand. Hver kurve har været delt af sin maksimale værdi. Nul i x-aksen til tre linser repræsenterer den optimale brændvidde (hvor stedet minimerer). Baggrund kurver repræsenterer de normaliserede photocurrents genereret af top (cirkulær markører) og Mellemøsten (trekantet markører) underordnede celler. ADG_v2 er en forbedret ADG Fresnel linse design. Den normaliserede nuværende produceret af MJ solcelle (den mindste værdi mellem øverste og midterste photocurrents) har været bemærket af hensyn til klarheden. Dette tal er blevet ændret fra 13. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 9
Figur 9. Relative spot størrelse som funktion af linse temperatur. (A) resultater relateret til øverste underordnede celle (måling foretages efter en dichroic varme spejl filter). (B) resultater relateret til den midterste sub celle (måling foretages efter en dichroic kolde spejlet filter). Den relative spot størrelse er opnået dividere den spot størrelse af minimumværdien måles for hver linse. Dette tal er blevet ændret fra13. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Metoden, der foreslås til karakterisering af ADG Fresnel linser indeholder to forskellige procedurer: den første, der bruger solceller som lyssensorer, mens andet er baseret på en CCD kamera.

Anvende en solcelle baseret procedure, en photocurrent, genereret af en MJ solcelle er blevet målt ved hjælp af forskellige Fresnel linser som koncentratorer. Som beskrevet i protokollen, CPV sol simulator gør brug af en xenon flash lampe udsender lys, der reflekteres på en parabolsk spejl. Sådan et spejl genererer en kollimeres lysstråle i måling flyet (sammenfaldende med blænden). På grund af spejlet produktions tolerancer og overfladeruhed er kollimeres lys ikke ensartet i måling flyet. Ikke ensartethed af irradiansen over tiden lavet af den sol simulator er den vigtigste kilde til fejl i vores eksperimentelle målinger10. Da store linser integrere irradians på måling flyet over et stort område, afhænger fejl på grund af ikke-ensartethed størrelsen af linsen. Den sol simulator for CPV systemer bruges på Solar Energy Institute opnår en bedre end ± 5% til 3 x 3 cm optik9ensartethed. For ADG Fresnel lens testet her, hvis optiske blænde er 40 x 40 mm, effekten af ikke-ensartethed over måling kan være kritisk. For at reducere denne usikkerhed, er en reference linse igen målt før foretage et eksperiment. Desuden, når de udfører disse målinger, det er altafgørende at være særlig omhyggelig under justeringen af cellen og linsen. Faktisk har solcellen skal placeres præcist centreret med lys stedet støbt af linsen for at undgå forskydning, fordi hvis en dårlig oprindelige placering er anvendte, photocurrent nedbringelse på grund af defocusing er ændret. En anden fejl, der kan opstå, er forårsaget af forskellige skygge faktorer af foran metallization gitter (MJ solcellen anvendes som en sensoren er kalibreret ved hjælp af ensartet irradians, men linserne støbt en Gaussisk form profil på det under målingerne). For at sikre, at metallization ikke påvirker eksperimentelle resultater, er det nyttigt at udføre flere målinger fortrænger linsen og, som en konsekvens, den lyse plet på modtager fly. Hvis den målte photocurrent varierer betydeligt når lidt bevæger den lyse plet, betyder det, at gitteret metallization påvirker målinger.

Der er andre metoder, der er velegnet til at måle den optiske effektivitet af en primær linse, fx ved hjælp af termisk irradians sensorer som thermopiles10. Den største ulempe ved denne tilgang er, at svaret fra en termisk sensor er for langsom til enhver flash-lyskilde. Det kan derfor kun anvendes til udendørs målinger, (som er meget følsomme over for den lydenergiens fordeling af irradians og andre vejrforhold). Med den foreslåede metode, er denne begrænsning undgået.

Derudover benytter solar cellen baseret procedure, det ville også være muligt at opnå på størrelse med en lys plet kastet af en linse. At gøre så photocurrents genereret af flere MJ solceller af samme type og forskellige, men lignende størrelser skal måles. For de celler, hvis størrelse er mindre end det lys plet kastet af linsen, mindsker de målte photocurrent som celle overflade falder på grund af lyset breder ud af cellen. Omvendt, at photocurrent forbliver konstant for MJ solceller hvis størrelse er større end den lyse plet, da uanset celleoverfladen, alle de lys, der overføres via linsen når solcellen. Derfor, størrelsen af den lyse plet er lig med størrelsen af den mindste celle, der opnår maksimal effektivitet. Til denne metode brugt jo højere antallet af solceller, jo højere opløsning.

Da et sæt af solceller, der er egnet til at udføre de beskrevne målinger ikke er altid tilgængelig, er CCD kamera procedure blevet foreslået til at måle lys spot størrelse. Takket være den bredt dynamikområde af CCD-sensor, ved hjælp af fotografier af lys stedet taget med kameraet, er en nøjagtig sammenligning mellem bjerg og dal værdier muligt. For at beregne den absolutte værdi af irradiansen over tiden, ville en kalibrering af det hele set-up, herunder filtre og CCD kamera, være nødvendigt. Fra fotografier er det dog muligt at adskille det belyste område fra det mørke område over et billede, og dermed, skøn lys spot størrelse. De vigtigste ulemper ved denne teknik er den spektrale uoverensstemmelse mellem CCD-sensor og en MJ solcelle og den stoej, som frembringes af lyskilder forskellige fra kollimeres strålen genereret af den sol simulator. Hvad angår det første problem, er ved at føje et varmt eller koldt spejl til CCD-kamera, det muligt at opnå en spektrale reaktion meget lig den af øverste og midterste underordnede celler (Se figur 6). Derudover for at begrænse baggrundsstøj, er det nødvendigt at helt mørkere kammer af CPV-simulator. Da det er næsten umuligt at helt undgå eksterne lyskilder, billedbehandling er meget vigtigt og skal programmeres godt. Den mest kritiske trin er fjernelse af baggrundsstøj. Støjfiltrering kan være delvist automatiseret, men på grund af den stærke afhængighed med eksterne faktorer, der er næppe forudsigelige, hver forarbejdede billedet gennemgår en visuel undersøgelse.

CCD procedure kan bruges til at opnå udvikling af den lette spot størrelse som funktion af linse temperatur ved at føje til systemet en termisk kammer hvor linser er placeret. I dette tilfælde, udover de fejlkilder, der tidligere er beskrevet, skyldes usikkerhed linse temperaturmålinger. Kontrol termoelement (den ene er direkte tilsluttet computeren) repræsenterer ikke den rigtige linse temperatur, fordi sensoren er placeret i et punkt af den termiske kammer tæt men ikke er direkte forbundet til linserne skal måles. Derfor, temperaturen målt ved hjælp af sådanne termølement er en gennemsnitlig temperatur på miljøet omkring linser og det svarer ikke nødvendigvis til den rigtige linse temperatur. Det er derfor forbinder hver linse til en uafhængig termoelement anbefales. Alligevel er der sandsynligvis en temperaturgradient mellem forskellige punkter af linsen. For at kvantificere denne usikkerhed, når den termiske kammer opnår den ønskede temperatur, og før du udfører nogen måling, det er bedre at vente 15-20 minutter for at lade systemet temperatur bliver så ensartet som muligt.

Disclosures

Vi har intet at videregive.

Acknowledgments

Dette arbejde er blevet delvist understøttet af det spanske ministerium for økonomi og konkurrenceevne under Acromalens-projektet (ENE2013-45229-P) og det har modtaget støtte fra EUs Horisont 2020 forskning og innovation program inden for projektets CPV Passer under grant aftale nej 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