Innendørs eksperimentelle vurdering av effektiviteten og Irradians flekk av akromatisk Doublet på Glass (ADG) Fresnel-linse for konsentrere solcellepanel

Engineering
 

Summary

Den akromatisk doublet på glass (ADG) Fresnel objektivet gjør bruk av to materialer med ulike spredning å redusere kromatisk aberrasjon og øke oppnåelige konsentrasjon. I dette papiret vises en protokoll for komplett karakterisering av ADG Fresnel-linse.

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 presenterer en metode for å karakterisere akromatisk Fresnel linser for photovoltaic programmer. Den akromatisk doublet på glass (ADG) Fresnel-linse består av to materialer, en plast og en elastomer, som fargespredning (brytningsindeks variasjon med bølgelengde) er annerledes. Vi først designet linsen geometri og deretter brukt gjengivelsesenhet simulering, basert på Monte Carlo metoden, for å analysere ytelsen fra synspunkt av både optisk effektivitet og maksimal oppnåelig konsentrasjon. Etterpå ble ADG Fresnel linsen prototyper produsert med en enkel og pålitelig metode. Det består av en forutgående injeksjon av plastdeler og en påfølgende laminering, elastomer og en barometer substrate å dikte parkett ADG Fresnel linser. Nøyaktigheten av produsert linsen profilen undersøkes bruker en optisk mikroskop mens optiske ytelsen evaluert med en solenergi simulator for konsentratoren photovoltaic systemer. Simulatoren består av en xenon flash lampe som slippes ut lys reflekteres av en parabolske speil. Collimated lys har en spektral distribusjon og en kantete blenderåpning ligner på ekte solen. Vi kunne vurdere optisk ADG Fresnel linser med tar fotografier av Irradians spot kastet av linsen med en kostnad - sammen enhet (CCD) kamera og måler photocurrent generert av flere typer multi krysset (MJ) solar celler, som har vært tidligere preget på en solar simulator for konsentratoren solceller. Disse målingene har vist akromatisk virkemåten av ADG Fresnel linser, og som en konsekvens, hensiktsmessigheten av modellering og produksjonsmetoder.

Introduction

Konsentrator photovoltaic (CPV) er en lovende teknologi for å redusere kostnadene for solenergi-basert strøm fordi denne teknologien kan dra nytte av rask inkrementell forbedring i effektivitet av avanserte multi krysset (MJ) solceller. Disse enhetene er sammensatt av flere sub celler (vanligvis tre benevnt idet topp, midt på og bunn) hver er laget av en annen halvleder sammensatte. Hver sub celle har en annen bandgap som resulterer i et annet spectral svar, som gjør det mulig for alle å konvertere en distinkt del av solenergi til elektrisitet. På denne måten er MJ solceller i stand til å utnytte et bredt spekter av solens spektrum (vanligvis 300 1800 nm) å oppnå effektivitet verdier høyere enn 46% under konsentrert lys1. For å kompensere for de høye kostnadene ved slike photovoltaic enheter, brukes optiske systemer å konsentrere Irradians på dem, som reduserer siste systemet kostnadene. For tiden er de fleste kommersielt tilgjengelige høy konsentrasjon solenergianlegg-(HCPV) basert på silikon-på-glass (SoG) hybrid Fresnel linser2. I alle refraktiv optiske systemer er kromatisk aberrasjon faktoren som mest alvorlig redusere linsen ytelse i forhold til det høyeste oppnåelige konsentrasjon3 (dvs. minst lys spot område). Å bruke en achromatic lens, dvs en linse med svært redusert kromatisk aberrasjon, er det mulig å betydelig øke maksimal oppnåelig konsentrasjon uten behov for noen ekstra optiske elementer (referert til som sekundær optiske elementer 4 , 5).

Utformingen av achromatic linser (ofte kalt akromatisk doublets fordi de er fabrikkerte kopling to materialer med forskjellige fargespredning) har vært kjent siden 1700-tallet. Den konvensjonelle akromatisk doublet består av to forskjellige glass: første kalles kronen og har lav spredning, mens den andre kalles kaste og har høy spredning. Men gjør totalkostnadene for slike briller og behandlingen dem unaffordable for HCPV systemer. Languy og medforfattere foreslått en akromatisk doublet for CPV består av to plast: poly(methyl methacrylate) (PMMA) og polykarbonat (PC)6. I sin artikkel er en komparativ analyse på de ulike konfigurasjonene og deres fordeler presentert, men uten å ta opp deres manufacturability og skalerbarhet på høy produksjon.

ADG Fresnel-linse som er foreslått her er utviklet slik at lyset på en bestemt kort bølgelengde ("blå" lys) og en bestemt lang bølgelengde ("rødt" lys) har nøyaktig samme fokus avstand. Detaljer om design metoden for standard akromatisk doublets kan finnes andre steder7. Flere gjengivelsesenhet simuleringer har utført for å demonstrere forbedringene får en ADG Fresnel-linse i stedet for en konvensjonell SoG Fresnel-linse. En detaljert rapport på fått resultatene ble presentert i4. Det viktigste resultatet er at når du erstatter en konvensjonell SoG Fresnel-linse med en ADG Fresnel-linse, oppnåelige konsentrasjonen øker omtrent tre ganger samtidig opprettholde samme optiske effektiviteten. Videre siden produksjonsprosessen8 forutsett for å få ADG er svært lik en ansatt å dikte SoG linser, økningen i konsentrasjon oppnås uten å betydelig øke kostnadene.

Presenterer her vi en protokoll for å utføre omfattende karakteristikk av konsentratorer bestående av en refraktiv primære linse og vi bruke denne protokollen til både en konvensjonell SoG Fresnel-linse (brukt som en målestokk) og flere ADG Fresnel linsen prototyper. Gjør er en solar simulator for CPV brukt. En detaljert beskrivelse av simulatoren og alle dens komponenter, samt dens prinsippene, presentert andre steder9.

Protocol

1. linsen modellering bruker gjengivelsesenhet simulering

  1. modell forberedelse
    1. Import ADG Fresnel linse geometri i gjengivelsesenhet simuleringsprogramvare og sette opp materialegenskaper som transmisjon og brytningsindeks.
      Merk: ADG Fresnel utformingen er utviklet på the Solar Energy Institute og består av datakode som er basert på grunnleggende optikk som Fermat ' s prinsippet og Snell ' s lov. Dispersjon kurver av komponere objektivet har blitt brukt til å utvikle metoden design. En detaljert beskrivelse av metoden design vises andre steder 4.
    2. Definerer en lyskilde med real egenskaper av solen som kantete blenderåpning og spectral distribusjon.
    3. Sted en mottaker på avstand fra objektivet til den nominelle brennvidde.

Figure 1
figur 1. Skjermbilde av gjengivelsesenhet simuleringsmodell. Det er mulig å observere lyskilden, ADG Fresnel-linse (bestående av glass underlaget, elastomer og plast bi-Fresnel-linse) og mottakere brukes til å måle Irradians på blenderåpning (objektivet mottaker) og Irradians ved utgangen (solar cellen mottaker). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. kjøre simuleringen og beregne ønskede resultater som maksimal oppnåelig konsentrasjon og linsen optisk effektiviteten. Oppnåelig konsentrasjon er definert som forholdet mellom optisk blenderåpning og området mottakeren hvor stedet er kastet. Optiske effektiviteten er definert som forholdet mellom kraften til mottakeren og strømmen på linsen optisk blenderåpning 10.
    Merk: Arealet av mottakeren er mye større enn lys stedet kastet av objektivet for å sikre at mottakeren samler hver ray av linsen. Dette beregnede optiske effektiviteten tar konto tap materialer absorpsjon, refleksjon, og produksjon begrensninger (slippvinkler og tips avrunding på hjørnet og daler).
  2. Gjenta 1.1. og 1.2. simulere en konvensjonell silikon-på-glass (SoG) Fresnel i stedet for en ADG Fresnel-linse som benchmark.

2. Solcelle karakterisering

Figure 2
figur 2. Solar simulator for konsentratoren solceller. Fotografi av solenergi simulatoren benyttes for å karakterisere solceller under konsentrert Irradians. På figuren er det mulig å observere lampen hvis stilling bestemmer hvilket konsentrasjon. På bunnen vises måle plan med referanse komponent solceller og DUT. Til venstre på bildet er det mulig at elektronisk utstyr (strømforsyning og DAQ) og datamaskinen for å utføre karakterisering. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Kalibrering av solenergi simulator for solar cellen karakterisering
    1. sted innenfor solenergi simulatoren referanse komponent cellene (øverste, midterste og nederste), også kjent som isotypes, som ble kalibrert under en referanse Spectrum og enheten under test (DUT), dvs solar cellen som skal måles.
      Merk: Plasser Referanse celler og DUT så nær hverandre som mulig for å redusere mulig feil på grunn av ikke-uniform belysning på måling flyet.
    2. Juster flash lampen posisjonering (høyde) for å nå ønsket nivå av konsentrasjon. Lenger lampen er fra målingen fly, lavere konsentrasjon oppnådd.
      1. Spectral distribusjonen avhenger av plasseringen av lampen og glimtet intensiteten. Legge til filtre som trengs for å justere spectral. Prosedyren for å få en distribusjon lik referanse spekteret er beskrevet i trinn 2.2.1.
    3. Koble isotypes og DUT til Data oppkjøp (DAQ) styret av solenergi simulatoren.
    4. Et tekstredigeringsprogram, opprette en tekstfil med polarisering verdiene i celle strøm-spenning (IV) kurven målingen. Tekstfilen inneholder én linje per spenning poeng. Mer spenning poeng føre til høyere kurve definisjon. Siden alle involvert solcellene MJ solceller, polarisering verdiene består av verdier mellom 0 V og 3.1 V.
  2. Mål
    1. lysintensiteten gjennom flash forfallet har en første topp og deretter begynner å redusere ( Figur 3). Lys spectral fordelingen er også endret gjennom flash pulsen. En vanlig MJ solcelle består av tre sub celler med forskjellige bandgaps som er koblet i serie. Hver sub celle kan konvertere elektrisitet i en annen del av solens spektrum. Derfor er dagens generert av MJ solar cellen alltid begrenset av sub cellen produserer den minste gjeldende. For å utføre en nøyaktig måling, Velg en Irradians der begge isotypes, tilsvarer øverste og midterste sub celler, angi nøyaktig samme Irradians nivå. Dette bekrefter at cellen er målt under konsentrasjon målnivået og spekteret. Det faktum at Irradians nivået angitt av bunnen sub cellen ikke er sammenfallende kan bli neglisjert. Dette skyldes at kommersielle Ge-baserte MJ solceller er aldri gjeldende begrenset av denne sub cellen. Figur 3 viser en grafisk beskrivelse av denne prosedyren.
    2. En gang ønsket Irradians nivået for måling er identifisert, starte IV testen. Simulatoren leser polarisering poeng fra tekstfilen definert i trinn 2.1.4.; for hvert punkt, utstyret polarizes cellen på ønsket spenning, utløser flash og måler gjeldende genereres av solenergi. Paret av strøm og spenning verdier, dvs IV kurven, vises på dataskjermen.
      Merk: Fra IV kurven, det er mulig å få den kortslutte gjeldende (jeg sc), åpne spenningen i grenledningen (V oc), fyllfaktor (FF) og effektiviteten av DUT (selv om i de neste delene brukes bare kortslutning gjeldende).
    3. Gjenta trinn 2.2.2. på ulike konsentrasjon nivåer å sjekke at solcelle photocurrent avhenger lineært konsentrasjonen nivå (se Figur 4), og derfor kalibrert cellen kan brukes som en lyssensor til bestemme Irradians på linsen fokalplanet. For hvert konsentrasjon nivå, justere spectral flash lys med riktig filtre for å utføre målinger når både isotypes, topp og midtre sub celler, angi samme Irradians nivå, som beskrevet i trinn 2.2.1.

Figure 3
Figur 3. Tid evolusjon av målt størrelsen gjennom flash forfall. I diagrammet merket det øyeblikket når isotype cellene, tilsvarer øverste og midterste sub celler, måler samme Irradians nivå. Etter den svarte stiplede linjen som starter fra skjæringspunktet for kurvene svarer til øverste og midterste subcells, er det mulig å identifisere DUT gjeldende verdi (svart sirkel) som gjeldende målt i øyeblikket som øverste og midterste referanse sub celler se samme Irradians nivå. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4. (A) ordningen av oppsettet brukes til å utføre eksperimentelle tester. (B) bilde av eksperimentelle oppsett og komponentene (lyskilden med integrering sfære, linsen prøve, CCD kamera og solceller brukes som lyssensorer). Parabolske speilet og filtre er ikke synlige i dette bildet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

3. linse karakterisering.

Figure 5
figur 5. Grafen representerer utviklingen av photocurrent som er generert av en MJ solcelle som en funksjon av konsentrasjonen. Som forventet er det en lineær avhengighet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

  1. Setup forberedelse.
    1. Mount 3-aksene automatisert posisjonering plattform: en datamaskin assistert flytte plattform kunne kontrollere nøyaktig den relative plasseringen mellom kalibrert solcelle/CCD-kameraet og objektivet som skal måles.
      1. Sjekke at 3 akser automatisert posisjonering plattformen er helt horisontale bruker et Vater.
    2. Montere solcelle/CCD kamera støtte på plattformen ' s flytte holderen slik at det er mulig å kontrollere plasseringen langs x, y og z-aksene.
    3. Mount linse støtte i plattformen foran bevegelige abonnenten beskrevet i trinn 3.1.2. Bruke bevegelige holderen på x- og y aksene, er det mulig å center perfekt linsen med hensyn til solcelle/CCD kamera målet. Flytte holderen langs z-aksen, er det mulig å plassere solcelle/CCD kamera målet i optimal fokus på objektivet (minimum størrelsen) og flytte det langs den optiske aksen.
    4. Koble hver enhet (automatisert posisjonering plattform, DAQ styret å måle celle photocurrent, CCD kamera, og xenon-lampe) til datamaskinen for å utføre hele eksperimentell test
    5. Test forbindelsen og bruk av alle tilkoblede enheter.
      1. Åpne programvaren kontrollere solar simulator for CPV og trykk " lys pulsen " for å skyte en flash. Hvis flash forfall grafen ligner Figur 3, betyr det at DAQ styret, xenon-lampe, isotype subcells og DUT arbeider riktig.
      2. Åpne programvaren kontrollere CCD kameraet for å kontrollere at kameraet fungerer.
      3. Åpne programvaren kontrollere datamaskin assistert flytte plattform og bruke den flytte flytte holderen langs tre akser. For å gjøre så, Velg mellom blant aksene vises øverst til venstre i vinduet programvare og setter en posisjon i " flytte absolutt " og " kjøre ". Hvis bevegelse holderen har beveget seg som forventet, betyr det at den bevegelige plattformen fungerer.
    6. Rene og plass linsen skal måles med faste støtte montert på automatiserte posisjonering plattformen.
    7. Foran av sensoren, plassere enten et varmt speil (kort-pass filter blokkerer lyset som bølgelengde er lengre enn 700 nm) eller en kald speil (lenge pass filter blokkerer lys som bølgelengde er kortere enn 700 nm).
      Merk: Trinn 3.1.7. er nødvendig bare for mål med CCD kameraet.
    8. Bruke bevegelige innehaveren å midtstille solcelle/CCD kameraet med hensyn til linsen og plassere den på optimal fokus.
    9. Ved hjelp av et tekstredigeringsprogram, opprette en tekstfil som inneholder i hver linje koordinatene tilsvarer en målingen (linse-til-mottaker distanse) fra en posisjon av cellen/CCD kameraet 5 mm nærmere linsen enn den optimale brennvidde og en posisjon 5 mm videre.
  2. Måling fasen
    1. solcelle målinger
      Merk: på samme måte som den solar simulatoren for solceller beskrevet i forrige avsnitt, lysintensiteten og spectral fordelingen av den solar simulatoren for CPV endringer i hele flash forfall. Den grafiske representasjonen av flash forfallet er lik den med solenergi simulator for konsentratoren celler beskrevet i trinn 2.2.1. og avbildet i Figur 3. Det er en første topp og deretter det reduserer. Spectral lysfordeling endringene i flash forfall. Måling utføres for øyeblikket hvor begge isotypes, tilsvarer øverste og midterste sub celler, angi samme Irradians.
      Merk: Strid solar simulator for solceller i dette tilfellet den eneste kontrollen har vi over Irradians nivå er flash lysintensitet og nøytrale filtre
      1. når optimal Irradians nivået er identifisert, er det mulig å starte den test. For hver posisjon definert i trinn 3.1.9., utløse glimtet lyset. Simulatoren genererer deretter en tekstfil som inneholder data signaler gjennom flash forfallet som det er mulig å utlede solcelle dagens generasjon under lys konsentrert av objektivet.
      2. Gjenta fra 3.1.7. til 3.2.1.3. for hver linse som skal måles.
    2. CCD kamera målinger
      1. For hver posisjon definert i 3.1.9., med CCD kamera, ta et bilde av genererte lyset spot.
        Merk: CCD-sensor av kameraet kombinert med en varm eller kald speil har spectral svar lik øverst og midtre sub celle, henholdsvis (se figur 6). Videre for å få bilder med nyttig informasjon, er det nødvendig å ta noen forholdsregler. Først må lysintensiteten til flash justeres for å få et godt signal-til-støy-forhold, og samtidig, ikke mette CCD-sensor. For å gjøre så, er det mulig å direkte endre glimtet intensiteten eller bruke nøytral filtre for å få ønsket Irradians nivået. Dernest er det viktig at simulator kammeret er helt mørkt å unngå påvirkning av eksterne lyskilder på målinger.
      2. Temperaturmålinger
        1. plass linsen skal måles insIDE termisk kammeret brukes til å kontrollere linsen temperaturen under test
        2. Bruker termisk kammeret, variere linsen temperatur fra 10 ° C til 50 ° C med trinn lik 10 ° C. Gjør plassere linsene i en termisk kammer med en gjennomsiktig frontdekselet.
        3. Utføre måling for forskjellige temperaturer bruker CCD kameraet på samme måte som beskrevet i 3.2.2.1.
          Merk: Temperaturen på linsen blir testet måles direkte gjennom thermocouples knyttet til den. Temperaturforskjellen over linser overflaten er lavere enn 2 ° C.

Figure 6
figur 6. Spectral svar (SR) av CCD kamera silisium sensoren filtrert etter et kaldt speil eller en varme glass (tom prikker) å simulere SR midten og topp sub cellene i en 3 J gitter-matchet solcelle (solid prikker). Dette tallet er endret fra 10.

  1. behandler resultatene med solcelle måling.
    1. Bruke kalibrert isotype celle komponenter for referanse, bestemme photocurrent generert av øverste og midterste sub cellene i solar cellen som brukes som en lyssensor for hver posisjon (for en detaljert diskusjon om å anslå øverst og midten photocurrents fra signaler under flash forfallet se 11).
    2. Tegne et diagram som representerer den tilnærmet photocurrent som en funksjon av linsen-til-mottaker avstanden for både topp og midtre sub celler.
    3. Sammenligne resultatene med av SoG Fresnel-linse ADG akromatisk Fresnel-linse.
  2. Behandler resultatene med CCD kamera måling.
    1. Identifiserer centroid lyset i fotografier tatt med CCD kameraet.
      Merk: Den " centroid lys " en Irradians kart distribusjonen er midt i området som Irradians er over 90% av det maksimale Irradians kartet.
    2. Når den spot centroid er identifisert, definere en rekke mulige radiuses, og for hver beregning av lys i sirkelen med hensyn til den totale Irradians i fotografiet.
    3. Beregner spot radius. Det er definert som radius som inneholder 95% av den totale Irradians.
      Merk: En verdi på 95% har blitt valgt for å unngå et kunstig stor sted på grunn av støy forårsaket av lys går fra eksterne kilder, dvs. direkte fra xenon-lampe eller lys fra omgivelsene.
    4. Behandling gjenta fra 3.4.1. til 3.4.3. for målinger med varme og kalde speil.
    5. Tegne et diagram som representerer den lett flekk diameteren som en funksjon av avstanden linse-til-mottaker med hensyn til den optimale posisjonen (minst størrelsen) for både blå og røde lys (hot speil og kalde speil målinger, henholdsvis).

Representative Results

De viktigste resultatene fra beskrevet tidligere eksperimentelle tester er følgende:
-Akromatisk atferden til ADG Fresnel-linse har blitt demonstrert med CCD kamera målinger (figur 7).
-Optiske effektiviteten (i forhold til gjeldende målt ved MJ cellen som brukes som en lyssensor) av ADG Fresnel linser har en stor toleranse når cellen flyttes fra den optimale brennvidde og brennvidde aksen (Figur 8).
-Størrelse av sted kastet av ADG linsen viser en stor toleranse for forskjellige temperaturer (figur 9).

Utviklingen av flekk diameter som en funksjon av avstanden objektivet-til-mottaker vises i figur 7 for både linser, en konvensjonell SoG Fresnel-linse og ADG Fresnel-linse. Det øverste og midterste sub celler har analysert separat gjennom to dichroic filtre, en varm speil filtrering lys med en bølgelengde høyere enn 700 nm og en kald speilet filtrering lys som bølgelengde er kortere enn 700 nm. I figur 7a, kan det ses at minima av to kurver fordrevne. Dette skyldes kromatisk aberrasjon: siden brytningsindeks for korte bølgelengder er høyere, brennpunktet for blått lys er nærmere linsen. Deretter minimum stedet for blått lys er fordrevet til venstre (mot linsen) og minimum stedet for rødt lys er fordrevet til høyre (mot uendelig). Derimot i figur 7b, kan det observeres at for ADG Fresnel-linse posisjon minste stedet for blått lys samsvarer nøyaktig med minimum stedet for rødt lys, beviser objektivet har akromatisk virkemåte.

Utviklingen av den normaliserte photocurrent generert av en MJ solcelle opplyst av en konsentrere objektiv som en funksjon av relative celle-linse avstanden er vist i Figur 8. Den bredere aspekten av kurven for ADG Fresnel-linse betyr at akromatisk design, det har en høyere toleranse til en forskyvning av linsen fra optimal posisjon langs den optiske aksen enn en konvensjonell SoG Fresnel-linse. Som en konsekvens, er ADG linser mer tolerante montering feil eller noen fenomen som endrer brennvidde, f.eks, en temperatur variasjon.

Til slutt, variasjonen av lyset spot kastet av linsen som en funksjon av linsen temperaturen er vist i figur 9. Det øverste og midterste sub celler er analysert separat med dichroic filtre (varme og kalde speil). Objektiver har blitt satt i en termisk kammer med gjennomsiktig glass cover kontrollere deres temperatur12. Grafene i figur 9 viser hvordan temperaturen variasjonen har en lavere innvirkning på ADG Fresnel-linse enn på referansen SoG Fresnel-linse. For sistnevnte for en temperatur økning av 20 ° C, utvidelse av lys størrelsen er faktisk betydelig: diameteren er ca 30% større for topp sub cellen og opp til 60% større for midterste sub cellen. Tvert imot, for ADG linsen er selv i verste fall økningen under 20%. Det betyr at selv i utendørs driftsforhold med sterk termisk utflukt, bruker ADG objektivet ville gjøre systemytelsen mer stabil.

Figure 7
Figur 7. Målt flekk diameter som en funksjon av linsen-til-mottaker avstanden. Flekk diameter er definert som det inkludert 95% av energien. Rød stiplede linjer representerer flekk diameter for lengre bølgelengder (de vanligvis konvertert av midtre sub cellen MJ solceller, dvs., 650-900 nm) og blå kontinuerlig linjene representerer flekk diameter for kortere bølgelengder (de vanligvis dekket av de øverste subcell, dvs., 350-650 nm). (en) SOG Fresnel linsen, (b) ADG Fresnel-linse. Dette tallet er endret fra8. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 8
Figur 8. Normaliserte photocurrent generert av en MJ solcelle med diameter er 3 mm som en funksjon av den relative celle-til-objektiv avstanden. Hver kurve er delt av maksimumsverdien. Null i x-aksen for tre linser representerer den optimale brennvidde (hvor stedet minimerer). Bakgrunn kurver representerer de normaliserte photocurrents generert av toppen (sirkulær markører) og midt (trekantet markører) sub celler. ADG_v2 er en forbedret ADG Fresnel linsedesign. Normalisert gjeldende produsert av MJ solar cellen (minimumsverdien mellom toppen og midten photocurrents) har blitt bemerket for klarhet. Dette tallet er endret fra 13. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 9
Figur 9. Relative størrelsen som en funksjon av linsen temperaturen. (A) resultater knyttet til toppen sub-cellen (måling utført med filtere dichroic varme speil). (B) resultater knyttet til midten sub-cellen (måling utført med filtere dichroic kaldt speil). Relative størrelsen er innhentet dele størrelsen av den laveste verdien til hver linse. Dette tallet er endret fra13. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Metoden foreslått for karakterisering av ADG Fresnel linser inneholder to forskjellige prosedyrer: første bruker solceller som lys sensorer, mens andre er basert på en CCD kamera.

Bruke solenergi basert prosedyre, photocurrent generert av en MJ solcelle er målt med forskjellige Fresnel linser som konsentratorer. Som beskrevet i protokollen, CPV solar simulatoren gjør bruk av en xenon flash lampe emitting lys som reflekteres på en parabolske speil. Slike et speil genererer en collimated lysstråle på måling flyet (samtidig med blenderåpning). Speilet produksjon toleranser og overflateruhet er collimated lys ikke ensartet på måling flyet. Det ikke-enhetlighet Irradians skapt av solar simulator er den viktigste kilden til feilen i vår eksperimentelle målinger10. Siden store linser integrere Irradians på måling flyet over et stort område, avhenger feil på grunn av ingen-enhetlighet av størrelsen på linsen. Solar simulator for CPV systemer brukes på the Solar Energy Institute oppnår en ensartethet bedre enn ± 5% for 3 x 3 cm optikk9. For linsen ADG Fresnel testet her, som optisk aperture er 40 x 40 mm, effekten av ingen-enhetlighet over målingen kan være avgjørende. For å redusere denne usikkerheten, er en referanse objektivet nytt målt før gjennomfører noen forsøk. Dessuten, når du utfører disse målingene, er det viktig å være spesielt forsiktig under justering av cellen og linsen. Faktisk, må solenergi plasseres nøyaktig sentrert med lys stedet kastet av linsen for å unngå skjevheter, fordi hvis en dårlig innledende posisjonering brukes, photocurrent reduksjon på grunn av defocusing er endret. En annen feil som kan oppstå er forårsaket av ulike skyggelegging faktorer i front metallization rutenettet (MJ solar cellen som brukes som en sensoren er kalibrert med uniform Irradians men linsene kastet en Gaussian figur profil på den under målene). For å sikre at metallization ikke påvirker eksperimentelle resultater, er det nyttig å bære ut flere målinger fortrenge linsen, og som en konsekvens, lys stedet på mottakeren flyet. Hvis den målte photocurrent varierer betydelig når litt bevege lys stedet, betyr det at metallization rutenettet påvirker målingene.

Det finnes andre metoder som er egnet til å måle den optiske effektiviteten til en primær linse, f.eks bruke termisk Irradians sensorer som thermopiles10. Det hovedavdeling ulempen av denne tilnærmingen er at responsen på en termisk sensor er for treg for alle flash-lyskilde. Derfor kan det bare brukes til utendørs målinger (som er svært følsomme for spectral distribusjon av Irradians og andre værforhold). Med den foreslåtte metoden unngås denne begrensningen.

I tillegg bruker solenergi basert prosedyre, det vil også være mulig å få størrelsen på lyset spot kastet av en linse. Gjør photocurrents genereres av flere MJ solceller av samme type og forskjellige men lignende størrelser må måles. For celler som er mindre enn lyset spot kastet av linsen, reduserer den målte photocurrent som cellen overflaten reduseres på grunn av lys søle ut av cellen. Omvendt, photocurrent forblir konstant for MJ solceller som er større enn lys stedet, siden uansett celleoverflaten, de lyse av linsen når solenergi. Derfor er størrelsen på lys stedet lik størrelsen på minste cellen som oppnår maksimal effektivitet. For denne metoden brukes jo høyere antall solceller, jo høyere oppløsning.

Siden en rekke solceller egnet til å utføre beskrevet målingene ikke er alltid tilgjengelig, har CCD kamera prosedyren blitt foreslått å måle lys størrelsen. Takket være det bredt dynamisk området av CCD sensor, med fotografier av lys sted tatt med kameraet, er en nøyaktig sammenligning mellom topp- og dalen mulig. For å beregne den absolutte verdien av Irradians, vil en kalibrering av hele oppsettet, inkludert filtre og CCD kamera, være nødvendig. Likevel fra bildene er det mulig å skille opplyst området fra den mørke området over et bilde, og dermed beregne lys størrelsen. De viktigste ulempene med denne teknikken er spectral misforholdet mellom CCD-sensor og en MJ solcelle og støy produsert av lyskilder forskjellig fra collimated strålen genereres av solenergi simulatoren. Når det første problemet, er ved å legge en varm eller kald speil CCD kameraet, det mulig å få en spektral reaksjon ligner på toppen og midtre sub celler (se figur 6). I tillegg for å begrense bakgrunnsstøy, er det nødvendig å mørkne helt Mysteriekammeret CPV simulatoren. Siden det er nesten umulig å helt unngå eksterne lyskilder, image bearbeiding er svært viktig og må programmeres godt. Det viktigste trinnet er eliminering av bakgrunnsstøy. Støyfiltrering kan være delvis automatisert, men på grunn av sterk avhengighet med eksterne faktorer som er neppe forutsigbar, alle behandlet bildet gjennomgår en visuell undersøkelse.

CCD prosedyren kan brukes til å få utviklingen av lys størrelsen som en funksjon av linsen temperaturen ved å legge til systemet en termisk kammer hvor linser er plassert. I dette tilfellet, foruten feil kildene beskrevet tidligere, oppstår usikkerhet temperaturmålinger linsen. Kontroll thermocouple (en direkte koblet til datamaskinen) representerer ikke ekte linse temperaturen fordi sensoren er plassert i et punkt av termisk chamber nær, men ikke direkte koblet til linsene som skal måles. Derfor temperaturen målt ved hjelp av slike en thermocouple er en gjennomsnittlig temperatur på miljøet rundt linser og det er ikke nødvendigvis knyttet til ekte linse temperatur. Det er derfor kobler hver linse til en uavhengig thermocouple anbefales. Likevel er det sannsynligvis en temperaturgradient mellom forskjellige linsen. For å kvantifisere denne usikkerheten, når termisk kammeret oppnår ønsket temperatur, og før du utfører noen mål, er det bedre å vente 15-20 minutter til systemtemperaturen blir som uniform som mulig.

Disclosures

Vi har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet har vært delvis støttet av det spanske departementet for økonomi og konkurranseevne under Acromalens prosjektet (ENE2013-45229-P) og den har fått støtte fra EUs horisonten 2020 research og innovasjon innenfor prosjektet CPV Sammenligne med, under grant avtalen ingen 640873.

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