Indoor experimentelle Bewertung der Effizienz und der Bestrahlungsstärke vor Ort von der achromatischen Doublet auf Glas (ADG) Fresnel-Linse für die Konzentration Photovoltaik

Engineering
 

Summary

Das achromatische Wams auf Glas (ADG) Fresnel Linse macht verwenden zweier Materialien mit unterschiedlicher Dispersion zu reduzieren chromatische Aberration und erreichbare Konzentration zu erhöhen. In diesem Dokument ist ein Protokoll für die vollständige Charakterisierung der ADG Fresnel Linse vorgestellt.

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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

Wir präsentieren Ihnen eine Methode zur Charakterisierung von achromatischen Fresnel-Linsen für photovoltaische Anwendungen. Das achromatische Wams auf Glas (ADG) Fresnel-Linse besteht aus zwei Materialien, einem Kunststoff und ein Elastomer, deren Abstrahlcharakteristik (Variation der Brechungsindex mit Wellenlänge) unterschiedlich sind. Wir zuerst die Linsengeometrie entworfen und dann Raytracing Simulation, basierend auf dem Monte-Carlo-Methode verwendet, um seine Leistung aus der Sicht der optische Wirkungsgrad und die maximale erreichbare Konzentration zu analysieren. Danach wurden ADG Fresnel Linse Prototypen gefertigt eine einfache und zuverlässige Methode. Es besteht aus einer vorherigen Injektion von Kunststoffteilen und eine aufeinanderfolgende Laminierung, zusammen mit dem Elastomer und ein Glassubstrat, das Parkett der ADG Fresnel-Linsen zu fabrizieren. Die Genauigkeit der hergestellten Objektivprofil wird mit einem optischen Mikroskop, während die optische Leistung bewertet wird mit einem Sonnensimulator für Konzentrator-Photovoltaik-Anlagen untersucht. Der Simulator besteht aus einer Xenon-Blitzlampe, deren emittierte Licht durch einen Parabolspiegel reflektiert wird. Das kollimierten Licht hat eine spektrale Verteilung und eine eckige Blende ähnlich wie bei der realen Sonne. Wir waren in der Lage, zu beurteilen, die optische Leistung der ADG Fresnel-Linsen nehmen Fotos von der Bestrahlungsstärke vor Ort durch die Linse mit Hilfe einer Kamera – Coupled Ladegerät (CCD) und Messung des Fotostromes erzeugt durch verschiedene Arten von Multi-Junction (MJ) solar gegossen Zellen, die zuvor bei einem Sonnensimulator für Konzentrator-Solarzellen charakterisiert wurden. Diese Messungen haben gezeigt, dass das achromatische Verhalten von ADG Fresnel-Linsen und als eine Konsequenz, die Eignung der Modellierung und Fertigungsmethoden.

Introduction

Konzentrator-Photovoltaik (CPV) ist eine viel versprechende Technologie die Kosten für die solar-Strom zu senken, da diese Technologie die rasche inkrementelle Verbesserung der Effizienz der fortgeschrittenen Multi (MJ) Solarzellen nutzen kann. Diese Geräte bestehen, die jeweils aus verschiedenen Halbleitermaterialien Verbindung besteht, aus mehreren Sub-Zellen (in der Regel drei oberen, mittleren und unteren genannt). Jede Sub-Zelle hat einen unterschiedlichen Bandgap wiederum eine andere spektrale Antwort, die jeweils einen unterschiedlichen Teil des Sonnenspektrums in Strom umwandeln kann. Auf diese Weise können MJ Solarzellen nutzen eine Vielzahl des Sonnenspektrums (in der Regel 300-1800 nm) Effizienzwerte mehr als 46 % unter konzentriertes Licht1zu erreichen. Zum Ausgleich für die hohen Kosten für solche Photovoltaik-Geräte sind optische Systeme verwendet, um die Bestrahlungsstärke auf sie zu konzentrieren, die die endgültige Systemkosten reduziert. Gegenwärtig basieren die meisten im Handel erhältlichen hohe Konzentration Photovoltaik (HCPV) Systeme auf Silikon-auf-Glas (SoG) Hybrid Fresnel-Linsen-2. In allen refraktiven optischen Systemen ist die chromatische Aberration der Faktor am stärksten verringert die Linse Leistung im Hinblick auf die erzielbaren Höchstkonzentration3 (d. h. mindestens vor Ort Bereich). Die Nutzung eines achromatische Objektiv, das heißt, eine Objektiv mit stark reduzierte chromatische Aberration ist es möglich, die maximale erreichbare Konzentration ohne die Notwendigkeit für zusätzliche optische Elemente (bezeichnet als sekundären optischen Elemente deutlich erhöhen 4 , ( 5).

Das Design der achromatische Linsen (gemeinhin als achromatischen Doublets weil sie hergestellt sind, Kopplung von zwei Materialien mit unterschiedlichen Abstrahlverhalten) wurde seit dem 18. Jahrhundert bekannt. Die konventionelle achromatisch Doublet besteht aus zwei verschiedenen Gläsern: Erstens heißt die Krone und hat geringe Dispersion, während letzterer den Feuerstein genannt wird und hat hohe Dispersion. Die Gesamtkosten für diese Art von Gläsern und deren Verarbeitung macht sie jedoch unerschwinglich für HCPV Systeme. Languy und Co-Autoren eine achromatische Wams für CPV, bestehend aus zwei Kunststoffe vorgeschlagen: Poly(methyl methacrylate) (PMMA) und Polycarbonat (PC)6. In ihrem Artikel ist eine vergleichende Analyse über die verschiedenen Konfigurationen und ihre Vorteile präsentiert, aber ohne Adressierung ihrer Herstellbarkeit und Skalierbarkeit bei hohen Produktionskosten.

Die ADG Fresnel-Linse, die hier vorgeschlagene ist so konzipiert, dass Licht auf eine bestimmte kurze Wellenlänge ("Blaulicht") und einer bestimmten langen Wellenlänge ("rot" Licht) genau die gleiche Brennweite haben. Einzelheiten zur Gestaltung für standard achromatischen Doublets finden Sie ebenfalls7. Mehrere Raytracing Simulationen wurden durchgeführt, um die unter Verwendung einer ADG Fresnel-Linse anstelle einer konventionellen SoG Fresnel-Linse Bewertungen zu erzielen. Ein ausführlichen Bericht über die erzielten Ergebnisse präsentierte sich in4. Das wichtigste Ergebnis ist, dass bei eine herkömmlichen SoG Fresnel-Linse mit einem ADG Fresnel-Linse zu ersetzen, die erreichbare Konzentration etwa dreimal steigt unter Beibehaltung der gleichen optischen Effizienz. Darüber hinaus seit den Herstellungsprozess8 vorgesehen, um der ADG zu erhalten ist sehr ähnlich dem eingesetzt, um SoG Linsen zu fabrizieren, die Zunahme der Konzentration erhalten werden, ohne die Kosten signifikant zu erhöhen.

Hier präsentieren wir ein Protokoll, um eine umfassende Charakterisierung der Konzentratoren, bestehend aus einem refraktiven Primäroptik durchführen und wir wenden dieses Protokoll auf einer konventionellen SoG Fresnel-Linse (als Benchmark verwendet) und mehrere ADG Fresnel-Linse-Prototypen. Hierzu wurde ein Sonnensimulator für CPV verwendet. Eine detaillierte Beschreibung der Simulator sowie alle seine Bestandteile und seine Funktionsprinzipien wurde an anderer Stelle9vorgestellt.

Protocol

1. Objektiv mit Ray-Tracing-Simulation Modelling

  1. Modellvorbereitung
    1. Import ADG Fresnel Linse Geometrie in Raytracing Simulationssoftware und Materialeigenschaften wie Transmission eingerichtet und Brechungsindex.
      Hinweis: Das ADG Fresnel-Design wurde am Solar Energy Institute entwickelt und besteht aus Computer-Code basierend auf grundlegende Optik Grundsätze wie Fermat ' s Prinzip und Snell ' s Recht. Dispersion Kurven der Komposition des Objektivs Materialien wurden verwendet, die Design-Methode zu entwickeln. Eine detaillierte Beschreibung der Design-Methode wird an anderer Stelle präsentiert 4.
    2. Richten Sie eine Lichtquelle mit Liegenschaften der Sonne wie eckige Blende und Spektralverteilung.
    3. Stellen Sie einen Empfänger in einer Entfernung von der Linse gleich der nominalen Brennweite.

Figure 1
Abbildung 1. Screenshot des Raytracing Simulationsmodells. Es ist möglich, die Lichtquelle, die ADG Fresnel-Linse (bestehend aus dem Glassubstrat, das Elastomer und Kunststoff Bi-Fresnel-Linse) und der Empfänger verwendet zur Messung der Bestrahlungsstärke auf die Blende (Objektiv Empfänger) und Bestrahlungsstärke an der Ausfahrt (solar zu beobachten Zelle Empfänger). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. die Simulation ausführen und gewünschte Ergebnisse wie die maximal erreichbare Konzentration und Objektiv optische Effizienz zu berechnen. Erreichbare Konzentration ist definiert als das Verhältnis zwischen optischer Blende und den Bereich des Empfängers wo Ort geworfen wird. Optische Wirkungsgrad ist definiert als das Verhältnis zwischen der Macht auf den Empfänger und die Macht an der Linse optische Blende 10.
    Hinweis: Der Bereich des Empfängers ist viel größer als der Lichtpunkt durch die Linse gegossen, um sicherzustellen, dass der Empfänger jeden Sonnenstrahl durch das Objektiv übertragen sammelt. Auf diese Weise nimmt der berechneten optischen Wirkungsgrad Verluste aufgrund von Materialien Absorption, Reflexion und Herstellung von Abhängigkeiten (Formschrägen und Tipp an Ecke und Täler Rundung).
  2. Wiederholen Sie die Schritte 1.1. und 1.2. Simulation einer herkömmlichen Silikon-auf-Glas (SoG) Fresnel anstelle einer ADG Fresnel-Linse als Benchmark verwendet werden.

2. Solarzelle Charakterisierung

Figure 2
Abbildung 2. Sonnensimulator für Konzentrator-Solarzellen. Foto von der Solarsimulator Solarzellen unter konzentrierten Bestrahlungsstärke zu charakterisieren. Auf der Oberseite der Abbildung ist es möglich, die Lampe zu beobachten, deren Position der Konzentration bestimmt. Auf der Unterseite ist die Messebene mit Referenz-Komponente-Solarzellen und der Prüfling gezeigt. Auf der linken Seite der Fotografie ist es möglich, die elektronische Geräte (Stromversorgung und DAQ) und der Computer verwendet, um die Charakterisierung zu schätzen wissen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. Kalibrierung der Sonnensimulator für Solarzellen Charakterisierung
    1. legen in der Solarsimulator der Komponente Referenzzellen (oben, Mitte und unten), auch bekannt als Klassen, die unter Referenz kalibriert wurden Spektrum und der Prüfling (DUT), d. h. der Solarzelle zu messenden.
      Hinweis: Legen Sie die Referenzzellen und Prüfling möglichst nah beieinander um mögliche Fehler durch ungleichmäßige Beleuchtung bei der Messebene reduzieren.
    2. Justieren Sie die Flash-Lampe Positionierung (Höhe) um die gewünschte Konzentration erreicht. Je weiter die Lampe ist aus der Marktbewertung Flugzeug, je niedriger die Konzentration erreicht.
      1. Die spektrale Verteilung hängt von der Position der Lampe und die Blitzintensität. Fügen Sie die notwendigen Filter um die spektrale Verteilung anzupassen. Die Vorgehensweise um eine Verteilung der Referenzspektrum ähnlich zu erhalten wird in Schritt 2.2.1.
    3. Schließen Sie die Klassen und DUT die Daten Akquisition (DAQ) gegenüber der Solarsimulator.
    4. Mit einem Texteditor, erstellen Sie eine Textdatei mit der Polarisation-Werte in die Zelle Strom-Spannung (IV) Kurve Messung verwendet werden. Die Textdatei enthält eine Zeile pro Spannung Punkt. Mehr Spannung Punkte führen zu höheren Kurvendefinition. Da alle Beteiligten Solarzellen MJ Solarzellen sind, bestehen die Polarisation Werte mit Werten zwischen 0 V und 3.1 V.
  2. Messungen
    1. die Lichtintensität in der Flash-Zerfall hat einen ersten Höhepunkt und dann beginnt zu sinken ( Abbildung 3). Die spektrale Lichtverteilung wird auch in der Flash-Puls geändert. Eine konventionelle MJ-Solarzelle besteht aus drei Sub-Zellen mit verschiedenen Bandlücken, die in Reihe geschaltet sind. Jede Sub-Zelle wandelt Strom in einem anderen Teil des Sonnenspektrums. Der von der MJ-Solarzelle erzeugte Strom ist daher immer von der Sub-Zelle produziert die wenigsten aktuellen begrenzt. Um eine genaue Messung durchzuführen, wählen Sie eine Bestrahlungsstärke wo beide Klassen, entspricht der oberen und mittleren Sub Zellen genau das gleiche Niveau der Bestrahlungsstärke zeigen. Dies bestätigt, dass die Zelle unter der Zielmarke Konzentration und Spektrum gemessen wird. Die Tatsache, dass die Bestrahlungsstärke durch die untere Sub Zelle angegeben nicht deckungsgleich sind, kann vernachlässigt werden. Und zwar deshalb, weil kommerzielle Solarzellen Ge-basierte MJ nie aktuelle begrenzt durch diese Sub-Zelle sind. Abbildung 3 zeigt eine grafische Erläuterung dieses Verfahrens.
    2. Einmal die gewünschte Bestrahlungsstärke Ebene für die Messung wird identifiziert, starten Sie den IV-Test. Der Simulator liest Polarisation Punkte aus der Textdatei definiert im Schritt 2.1.4.; für jeden Punkt der Ausrüstung polarisiert die Zelle mit der gewünschten Spannung, löst den Blitz und misst die von der Solarzelle erzeugten Strom. Das Wertepaar Strom und Spannung, die IV-Kurve ist, wird auf dem Computerbildschirm angezeigt.
      Hinweis: Von der IV-Kurve, es ist möglich, der Kurzschlussstrom (ich sc), Leerlaufspannung (V Oc), Füllfaktor (FF) und Effizienz des Prüflings zu öffnen (auch wenn in den nächsten Abschnitten nur die Kurzschluss-Strom verwendet wird).
    3. Wiederholen Schritt 2.2.2. mit verschiedenen Konzentrationen zu überprüfen, dass die Solarzelle Fotostromes linear von der Konzentration abhängt Ebene (siehe Abbildung 4), und daher die kalibrierte Zelle als Lichtsensor, verwendet werden kann Die Bestrahlungsstärke auf der Brennebene der Linse zu bestimmen. Für jede Konzentration einstellen die spektrale Verteilung des Blitzlichtes mit entsprechenden Filtern, um Messungen durchzuführen wenn sowohl Klassen, oberen und mittleren Sub Zellen, geben Sie den gleichen Bestrahlungsstärke, wie in Schritt 2.2.1.

Figure 3
Abbildung 3. Zeitliche Entwicklung der gemessenen Größen während der Flash-Zerfall. In der Grafik wurde es sofort markiert die Isotype Zellen, bis zum oberen und mittleren Sub Zellen derselben Bestrahlungsstärke Ebene messen. Im Anschluss an die schwarz gestrichelte Linie der oberen und mittleren Teilelemente aus der Schnittmenge der entsprechenden Kurven beginnt, ist es möglich, den Prüfling Stromwert (schwarzer Kreis) als der Strom gemessen in genau in dem Moment in dem oberen und mittleren Referenz zu identifizieren Sub-Zellen sehen das gleiche Niveau der Bestrahlungsstärke. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4. (A) Regelung des Setups verwendet, experimentelle Tests durchzuführen. (B) Foto des experimentellen Aufbaus und seiner Komponenten (Lichtquelle mit Integration von Kugel, Linse Probe, CCD-Kamera und Solarzellen als Lichtsensoren verwendet). Der Parabolspiegel und Filter sind nicht sichtbar auf diesem Foto. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

3. Objektiv Charakterisierung.

Figure 5
Abbildung 5. Graphen, die Entwicklung des Fotostromes generiert von einer MJ-Solarzelle als Funktion der Konzentration darstellt. Erwartungsgemäß gibt es eine lineare Abhängigkeit. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

  1. Setup Vorbereitung.
    1. Mount 3-Achsen Positionierung Plattform automatisiert: ein Computer assistierte beweglichen Plattform in der Lage, genau zu steuern, die relative Position zwischen den kalibrierten Solarzelle/CCD-Kamera und das Objektiv gemessen werden.
      1. Überprüfen Sie, dass die 3-Achsen automatisierten Positionierung Plattform perfekt horizontal mit Hilfe einer Wasserwaage.
    2. Montieren die Solarzelle/CCD-Kamera-Unterstützung auf der Plattform ' bewegen Halter so, dass es möglich ist, seine Position entlang x, y und Z-Achsen Steuerung s.
    3. Montieren der Linsenträger auf der Plattform vor der beweglichen Halter im Schritt 3.1.2 beschrieben. Mit dem beweglichen Halter auf den x- und y Achsen, es ist möglich, das Objektiv in Bezug auf die Solarzelle/CCD Kamera Ziel perfekt zentriert. Verschieben die Halterung entlang der Z-Achse, es ist möglich, der Solarzelle/CCD-Kamera-Ziel in der optimalen Brennpunkt des Objektivs (minimale Spotgröße) platzieren und verschieben Sie sie entlang der optischen Achse.
    4. Schließen Sie jedes Gerät (automatisierte Positionierung Plattform, DAQ-Board zur Messung der Zelle Fotostromes, CCD-Kamera und Xenon-Lampe) an den Computer verwendet, um die gesamte experimentelle Test durchzuführen
    5. Testen Sie den Anschluss und den Betrieb aller angeschlossenen Geräte.
      1. Öffnen Sie die Software, die Steuerung der Solarsimulator für CPV und drücken Sie die Taste " Puls Licht " um einen Blitz zu schießen. Wenn der Flash-Verfall-Grafik ähnlich wie Abbildung 3 sieht, es bedeutet, dass DAQ-Board, Xenon-Lampe, Isotype Teilzelle und DUT richtig funktionieren.
      2. Öffnen Sie die Software, die Steuerung der CCD-Kamera zu überprüfen, dass die Kamera ordnungsgemäß funktioniert.
      3. Die Software steuert die Computer unterstützte Plattform öffnen und verwenden, um die bewegliche Halterung entlang der drei Achsen zu bewegen. Also, wählen Sie eine Achse zu tun die Achsen auf die oben aufgeführten Links im Softwarefenster, und fügen Sie dann eine Position in " Bewegung absolut " und Puls " laufen ". Wenn die beweglichen Halter bewegt sich wie erwartet, es bedeutet, dass der bewegliche Plattform richtig funktioniert.
    6. Clean und Ort das Objektiv auf die feste Unterstützung gemessen werden montiert auf der automatisierten Positionierung Plattform.
    7. Vor
    8. des Sensors, setzen Sie entweder einen heißen Spiegel (kurz-Pass filter Blockieren Licht, dessen Wellenlänge ist mehr als 700, nm) oder einem kalten Spiegel (lange pass Filter Blockieren Licht, dessen Wellenlänge kürzer als 700 ist, nm).
      Hinweis: Schritt 3.1.7. ist nur für Messungen mit der CCD-Kamera erforderlich.
    9. Benutzen Sie den beweglichen Halter zum Zentrieren der Solarzelle/CCD-Kamera in Bezug auf die Linse und platzieren Sie es im optimalen Fokuspunkt.
    10. Mit einem beliebigen Texteditor, erstellen Sie eine Textdatei, die in jeder Zeile die Koordinaten entsprechend eine Messstelle (Objektiv-Empfänger auf Distanz) aus einer Position der Zelle/CCD Kamera 5 mm näher an der Linse als die optimale Brennweite ab und bis zu einer Position 5 mm.
  2. Messphase
    1. Solarzelle Messungen
      Hinweis: genauso wie der Solarsimulator für Solarzellen beschrieben im vorherigen Abschnitt, die Lichtintensität und die spektrale Verteilung der Sonnensimulator für CPV ändert sich während der Flash-Zerfall. Die grafische Darstellung des Flash-Zerfalls ist ähnlich wie mit der solar-Simulator für Konzentratorzellen im Schritt 2.2.1 beschrieben erhalten. und in Abbildung 3 dargestellt. Gibt es ein ersten Höhepunkt und dann vermindert. Die spektrale Lichtverteilung ändert sich während der Flash-Zerfall. Die Messung erfolgt im Moment wo geben Sie beide Klassen, entspricht der oberen und mittleren Sub Zellen den gleichen Bestrahlungsstärke.
      Hinweis: Im Gegensatz zu dem Fall des solar-Simulator für Solarzellen in diesem Fall das einzige Steuerelement wir über die Bestrahlungsstärke Ebene haben ist die Flash-Lichtintensität und neutrale Filter
      1. sobald die optimale Bestrahlungsstärke Ebene identifiziert wurde, es ist möglich, beginnen die Test. Für jede Position im Schritt 3.1.9 definiert., das Blitzlicht ausgelöst. Der Simulator erzeugt dann eine Textdatei mit Daten-Signale in den Flash-Zerfall, woraus es möglich ist, Solarzelle ableiten, aktuelle Generation unter Licht durch die Linse konzentriert.
      2. Wiederholen Sie die Schritte aus 3.1.7. zu 3.2.1.3. für jedes Objektiv gemessen werden.
    2. CCD Kamera Messungen
      1. für jede Position in 3.1.9 definiert., mit der CCD-Kamera fotografieren Sie das erzeugte Licht spot.
        Hinweis: Der CCD-Sensor der Kamera gekoppelt mit einem heißen oder kalten Spiegel hat eine spektrale Antwort ähnlich der oberen und mittleren Sub Zelle bzw. (siehe Abbildung 6). Außerdem, um Fotos mit nützlichen Informationen zu erhalten, ist es notwendig, einige Vorkehrungen zu treffen. Erstens muss die Lichtstärke des Blitzes eingestellt werden, um ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis und, zur gleichen Zeit nicht sättigen den CCD-Sensor. Dazu ist es möglich, direkt die Blitzstärke ändern oder neutrale Filter verwenden, um das gewünschte Bestrahlungsstärke Niveau zu bekommen. Zweitens ist es wichtig, dass die Simulatorkammer völlig dunkel, den Einfluss von externen Lichtquellen auf Messungen zu vermeiden ist.
      2. Temperaturmessungen
        1. legen Sie das Objektiv zu messen insIDE die Wärmekammer verwendet, um die Linse Temperaturregelung während dem Test
        2. Mit der Wärmekammer variieren die Objektiv Temperatur von 10 ° C bis 50 ° C mit Schritten gleich 10 ° C. Dazu legen Sie die Linsen in eine Wärmekammer mit eine transparente Frontabdeckung.
        3. Messung für verschiedene Temperaturen mit der CCD-Kamera in der gleichen Weise in 3.2.2.1 beschrieben vornehmen
        4. .
          Hinweis: Die Temperatur des Objektivs getestet wird direkt durch Thermoelemente attached to it. gemessen. Die Temperaturdifferenz über die Linsen-Oberfläche ist weniger als 2 ° c

Figure 6
Abbildung 6. Spektrale Antwort (SR) der CCD-Kamera-Silizium-Sensor gefiltert nach einem kalten Spiegel oder ein Hitze-Glas (leere Punkte) die SR der mittleren und oberen Sub Zellen einer 3 J Gitter abgestimmt Solarzelle (feste Punkte) zu simulieren. Diese Zahl verändert wurde, vom 10.

  1. Verarbeitung mit Solarzelle Messung erzielten Ergebnisse.
    1. Using kalibriert Isotype Zellbestandteile als Referenz, bestimmen die Fotostromes erzeugt durch die oberen und mittleren Sub Zellen der Solarzelle verwendet als Lichtsensor für jede Position (für eine detaillierte Diskussion über die oberen und mittleren schätzen Photoströme aus den Signalen aufgezeichnet beim Flash-Zerfall siehe 11).
    2. Zeichnen Sie ein Diagramm, die Vertretung der angenäherten Fotostromes als Funktion des Abstandes Linse-Empfänger für die oberen und mittleren Sub Zellen.
    3. Vergleichen Sie die Ergebnisse der ADG achromatische Fresnel-Linse mit derjenigen der SoG Fresnel-Linse.
  2. Verarbeitung mit CCD Kamera Messung erzielten Ergebnisse.
    1. Identifizieren den Schwerpunkt des Lichts auf den mit der CCD-Kamera aufgenommenen Fotos.
      Hinweis: Die " Schwerpunkt des Lichts " einer Bestrahlungsstärke Karte Verteilung ist das Zentrum des Gebiets deren Bestrahlungsstärke über 90 % der maximalen Einstrahlung der Karte ist.
    2. Vor Ort Schwerpunkt identifiziert, definieren eine Reihe von möglichen Radien und für jede Berechnung des Prozentsatzes von Licht innerhalb des Kreises in Bezug auf die totale Bestrahlungsstärke enthalten auf dem Foto enthalten.
    3. Berechnen Sie den spot Radius. Es ist definiert als der Radius mit 95 % der gesamten Einstrahlung.
      Hinweis: Ein Wert von 95 % wurden ausgewählt, um eine künstlich großen Fleck wegen des Lärms, verursacht durch Licht ausgehend von externen Quellen zu vermeiden, d. h. direkt von der Xenonlampe oder Licht aus der Umgebung.
    4. Wiederholen Sie die Verarbeitungsschritte von 3.4.1., 3.4.3. für Messungen mit einem warmen und kalten Spiegel.
    5. Plotten ein Diagramms Vertretung des hellen spot Durchmessers in Abhängigkeit von der Objektiv-Empfänger Abstand in Bezug auf die optimale Position (minimale Spotgröße) für blaues und rotes Licht (heiße Spiegel und kalten Spiegel Messungen).

Representative Results

Die wichtigsten Ergebnisse aus zuvor beschriebenen experimentellen Tests sind die folgenden:
-Achromatisch Verhalten der ADG Fresnel-Linse wurde mit Hilfe von CCD Kamera Messungen (Abbildung 7) nachgewiesen.
-Der optische Wirkungsgrad (Proportional zum Strom, gemessen von der MJ-Zelle verwendet als Lichtsensor) von der ADG Fresnel Objektiv zeigt eine große Toleranz, wenn die Zelle aus die optimale Brennweite und entlang der Achse der Brennweite (Abbildung 8) verschoben wird.
-Die Größe der spot Besetzung durch das ADG-Objektiv zeigt eine große Toleranz für unterschiedliche Temperaturen (Abbildung 9).

Die Entwicklung der Spotdurchmesser als Funktion des Abstandes Linse-Empfänger ist für Objektive, einer konventionellen SoG Fresnel-Linse und die ADG Fresnel-Linse in Abbildung 7 dargestellt. Der oberen und mittleren Sub-Zellen wurden mittels zwei dichroitische Filter separat analysiert, eine heiße Spiegel Filter Licht mit einer Wellenlänge größer als 700 nm und einem kalten Spiegel Filtern Licht, dessen Wellenlänge kürzer als 700 ist, nm. Abbildung 7aist zu sehen, dass die Minima der beiden Kurven verlegt werden. Dies ist auf chromatische Aberration: da der Brechungsindex für kurze Wellenlängen höher ist, ist die zentrale Anlaufstelle für blaues Licht näher an der Linse. Dann die minimale Spot für blaues Licht wird auf der linken Seite (gegenüber der Linse) verdrängt und minimale Ort für rotes Licht wird auf der rechten Seite (gegen unendlich) verdrängt. Im Gegensatz dazu ist in Abbildung 7 bfestzustellen, dass für die ADG Fresnel-Linse, die Position der minimalen Stelle für blaues Licht genau der minimale Spot für rotes Licht entspricht, beweisen, dass das Objektiv achromatisches Verhalten aufweist.

Die Evolution der normalisierten Fotostromes generiert von einer MJ-Solarzelle beleuchtet durch eine konzentrierende Objektiv als Funktion der relativen Zelle-Linse entfernt ist in Abbildung 8dargestellt. Der breitere Aspekt der Kurve für die ADG Fresnel-Linse bedeutet, dass dank der achromatischen Design, es eine höhere Toleranz für eine Verschiebung der Linse von der optimalen Position entlang der optischen Achse als eine herkömmliche SoG Fresnel-Linse hat. Infolgedessen sind ADG Objektive toleranter Montage Fehler oder jedes Phänomen, das die Brennweite, z. B., eine Temperaturvariation ändert.

Schließlich ist die Variation der hellen spot Besetzung durch die Linse als Funktion der Temperatur Objektiv in Abbildung 9gezeigt. Der oberen und mittleren Sub-Zellen wurden mittels dichroitische Filter (warme und kalte Spiegel) separat analysiert. Linsen sind in einer Wärmekammer mit einem transparenten Deckglas, kontrollieren ihre Temperatur12gesetzt worden. Die Diagramme in Abbildung 9 zeigen wie die Temperaturschwankung einen geringeren Einfluss auf die ADG Fresnel-Linse als auf dem Referenz-SoG Fresnel-Linse hat. In der Tat, für Letzteres für eine Erhöhung der Temperatur von 20 ° C, der Ausbau der hellen Messfleck ist erhebliche: der Durchmesser beträgt etwa 30 % für die oberste Sub Zelle größer und bis zu 60 % für die mittlere Sub Zelle größer. Im Gegenteil, ist für die ADG-Objektiv, sogar im schlimmsten Fall die Erhöhung unter 20 %. Das bedeutet, dass auch im Outdoor-Bedingungen mit starken thermischen Ausflug mit dem ADG-Objektiv die Systemleistung stabiler machen würde.

Figure 7
Abbildung 7. Spotdurchmesser als Funktion der Objektiv-Empfänger auf Distanz gemessen. Spotdurchmesser bezeichnet, dass darunter 95 % der Energie. Rote gestrichelte Linien repräsentieren Spotdurchmessern für längeren Wellenlängen (jene in der Regel von der mittleren Sub Zelle in MJ Solarzellen, dhbekehrt., 650-900 nm) und blaue durchgehende Linien repräsentieren Spotdurchmessern für kürzere Wellenlängen (diese in der Regel abgedeckt durch die oberen Subcell, d. h., 350-650 nm). (ein) SOG Fresnel Linse, (b) ADG Fresnel-Linse. Diese Zahl wurde von8geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 8
Abbildung 8. Normalisierte Fotostromes generiert von einer MJ-Solarzelle, deren Durchmesser 3 mm in Abhängigkeit von der relativen Zelle, Objektiv Abstand ist. Jede Kurve wurde durch seinen maximalen Wert aufgeteilt. Die Null in der x-Achse für drei Objektive stellt die optimale Brennweite (wo der Spot minimiert). Hintergrund-Kurven repräsentieren die normalisierten Photoströme generiert von oben (kreisförmige Markierungen) und mittlerer (dreieckigen Markierungen) Sub-Zellen. ADG_v2 ist eine Weiterentwicklung der ADG Fresnel-Linse. Die normalisierte Strom von der MJ-Solarzelle (Minimalwert zwischen dem oberen und mittleren Photoströme) hat aus Gründen der Übersichtlichkeit bemerkt wurde. Diese Zahl wurde von 13geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 9
Abbildung 9. Relative Größe in Abhängigkeit von der Objektiv-Temperatur. (A) Ergebnisse in Bezug auf die Zelle oben Sub (Messung durchgeführt mit einem dichroitischen heiße Spiegel-Filter). (B) Ergebnisse in Bezug auf die mittlere Sub-Zelle (Messung durchgeführt mit einem dichroitischen kalten Spiegel-Filter). Teilt die Punktgröße der relativen Größe ergibt sich durch den minimalen Wert für jedes Objektiv gemessen. Diese Zahl wurde von13geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Discussion

Die Methode vorgeschlagen, für die Charakterisierung der ADG Fresnel-Linsen zwei unterschiedliche Verfahren umfasst: das erste man nutzt Solarzellen als Lichtsensoren, während die zweite auf eine CCD-Kamera basiert.

Anwendung der Solarzelle Verfahren basiert, die Fotostromes durch ein MJ-Solarzelle erzeugt mit verschiedenen Fresnel-Linsen als Konzentratoren gemessen wurde. Wie im Protokoll beschrieben, macht der CPV Solarsimulator Nutzen einer Xenon-Blitzlampe ausstrahlen des Lichtes, das auf einem Parabolspiegel reflektiert wird. Solchen Spiegel erzeugt einen gebündelten Lichtstrahl auf die Messebene (deckungsgleich mit der Blende). Aufgrund der Fertigungstoleranzen Spiegel und Rauheit der Oberfläche ist das kollimierten Licht nicht gleichmäßig auf die Messebene. Die Uneinheitlichkeit der Einstrahlung, erstellt von der Solarsimulator ist die wichtigste Quelle für Fehler in unseren experimentellen Messungen10. Da große Objektive die Bestrahlungsstärke auf der Messebene großflächig zu integrieren, hängt der Fehler durch Uneinheitlichkeit von der Größe des Objektivs. Der solar-Simulator für CPV-Systemen verwendet am Solar Energy Institute erlangt eine Gleichförmigkeit besser als ± 5 % für 3 x 3 cm-Optik-9. Für die ADG Fresnel-Linse hier getestet, deren optische Apertur beträgt 40 x 40 mm, die Wirkung der Ungleichförmigkeit über die Messung kann entscheidend sein. Um diese Unsicherheit zu reduzieren, ist ein Referenz-Objektiv vor jedem Experiment erneut gemessen. Darüber hinaus bei der Durchführung dieser Messungen ist es von größter Bedeutung, während die Ausrichtung der Zelle und das Objektiv besonders vorsichtig sein. In der Tat hat die Solarzelle mit der Lichtpunkt werfen durch die Linse zur Vermeidung von Fehlstellungen, weil wenn eine schlechte erste Positionierung verwendet wird, die Reduzierung des Fotostromes durch Defokussierung geändert wird genau mittig platziert werden. Ein weiterer Fehler, der auftreten können ist, verursacht durch andere Schattierung Faktoren des Rasters vorderen Metallisierung (MJ Solarzelle verwendet, da ein Sensor mit einheitlichen Bestrahlungsstärke kalibriert aber die Objektive einer Gaußschen Profil es während der Messungen ist anschlagen). Um sicherzustellen, dass die Metallisierung Versuchsergebnisse nicht betroffen sind, ist es sinnvoll, mehrere Messungen verschieben der Linse und infolgedessen den Lichtfleck auf dem Auflagetisch tragen. Wenn die gemessenen Fotostromes deutlich als leichtes Verschieben der Lichtfleck variiert, bedeutet dies, dass die Metallisierung Raster die Messungen beeinflussen.

Es gibt andere Methoden, die optische Effizienz einer primären Linse, z. B. mit Hilfe von thermischen Bestrahlungsstärke Sensoren wie z. B. Thermopiles10Messen geeignet. Der größte Nachteil dieses Ansatzes ist, dass die Antwort ein thermischer Sensor zu langsam für eine Blitz-Licht-Quelle. Es kann daher nur auf Outdoor-Messungen angewendet werden (die sehr empfindlich auf die spektrale Verteilung der Bestrahlungsstärke und andere Wetterbedingungen). Mit dem vorgeschlagenen Verfahren entfällt diese Beschränkung.

Darüber hinaus mit der Solarzelle-basierte Verfahren, es wäre auch möglich, die Größe der hellen spot Besetzung durch eine Linse zu erhalten. Dazu die Photoströme erzeugt durch mehrere MJ Solar Zellen des gleichen Typs und unterschiedliche, aber ähnliche Größen gemessen werden müssen. Für die Zellen, deren Größe kleiner als die hellen Fleck Besetzung durch die Linse ist, verringert sich die gemessenen Fotostromes wenn die Zelle Oberfläche verringert durch das Licht aus der Zelle. Dagegen bleibt die Fotostromes konstant für MJ Solarzellen, deren Größe größer als die Lichtspots ist, da unabhängig von der Zelloberfläche das gesamte Licht durch das Objektiv übertragen die Solarzelle erreicht. Daher ist die Größe des Lichtpunktes gleich der Größe der kleinsten Zelle, die den maximalen Wirkungsgrad erreicht. Für diese Methode verwendet je höher die Anzahl der Solarzellen, je höher die Auflösung.

Da eine Reihe von Solarzellen geeignet, um die beschriebenen Messungen durchführen nicht immer verfügbar ist, wurde die CCD-Kamera-Verfahren vorgeschlagen, die leichte Punktgröße zu messen. Dank der Dynamikbereich des CCD-Sensors, anhand von Fotos des Lichtpunktes mit der Kamera aufgenommenen ist ein genauer Vergleich zwischen Berg und Tal Werte möglich. Um den absoluten Wert der Einstrahlung zu berechnen, wäre eine Kalibrierung des gesamten Aufbaus, inklusive Filter und CCD-Kamera, notwendig. Dennoch, von den Fotos ist es möglich, das Leuchtfeld aus dem dunklen Bereich über ein Bild zu trennen und so schätzen die leichte Punktgröße. Die wichtigsten Nachteile dieser Technik sind die spektralen Missverhältnis zwischen der CCD-Sensor und ein MJ-Solarzelle und die Geräuschentwicklung durch Lichtquellen anders als den kollimierten Strahl von der Solarsimulator generiert. Bezug auf das erste Problem ist indem Sie die CCD-Kamera, einen heißen oder kalten Spiegel hinzufügen es möglich, eine spektrale Antwort sehr ähnlich dem des oberen und mittleren Sub-Zellen (siehe Abbildung 6) zu erhalten. Darüber hinaus um die Hintergrundgeräusche zu begrenzen, ist es notwendig die Kammer von der CPV-Simulator komplett abdunkeln. Da es fast unmöglich, externe Lichtquellen vollständig zu vermeiden, die Bildbearbeitung ist sehr wichtig und muss auch programmiert werden. Die wichtigste Schritt ist die Beseitigung von Hintergrundgeräuschen. Rauschfilterung teilweise automatisiert werden kann, aber wegen der starken Abhängigkeit mit externen Faktoren, die kaum vorhersehbar sind, durchläuft jedes bearbeitete Bild eine Sichtprüfung.

Die CCD-Prozedur kann verwendet werden, zu der Entwicklung der leichten Punktgröße als Funktion der Temperatur Objektiv von dem System eine Wärmekammer Linsen platziert hinzufügen. In diesem Fall, neben den zuvor beschriebenen Fehlerquellen entsteht Unsicherheit aus den Objektiv-Temperatur-Messungen. Kontrolle-Thermoelement (eine direkt an den Computer angeschlossen) repräsentiert nicht die echte Linse Temperatur, weil der Sensor in einem Punkt von der Wärmekammer Nähe platziert aber nicht direkt an die Linsen zu messenden angeschlossen. Daher die Temperatur gemessen, mit solch einem Thermoelement ist eine durchschnittliche Temperatur von der Umgebung um die Objektive und nicht unbedingt auf die echte Linse Temperatur entspricht. Deshalb verbinden jedes Objektiv mit einem unabhängigen Thermoelement empfohlen wird. Dennoch gibt es wahrscheinlich ein Temperaturgefälle zwischen verschiedenen Punkten des Objektivs. Um diese Unsicherheit zu quantifizieren, sobald die Wärmekammer die gewünschte Temperatur erreicht, und bevor Sie eine Messung durchführen, es besser ist zu warten, 15-20 Minuten um die Systemtemperatur so einheitlich wie möglich werden zu lassen.

Disclosures

Wir haben nichts zu veröffentlichen.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde teilweise durch das spanische Ministerium für Wirtschaft und die Wettbewerbsfähigkeit im Rahmen des Acromalens-Projekts (ENE2013-45229-P) unterstützt und es wird finanziell unterstützt von der Europäischen Union Horizont 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm im Rahmen des Projektes CPV Unter Grant Vereinbarung Nr. 640873 überein.

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

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References

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