Intérieur évaluation expérimentale de l’efficacité et l’Irradiance Spot du Doublet achromatique sur verre (ADG) lentille de Fresnel pour concentrer l’énergie photovoltaïque

Engineering
 

Summary

Le doublet achromatique sur verre (ADG) Fresnel lentille fait utiliser des deux matériaux avec une dispersion différente pour réduire l’aberration chromatique et augmenter la concentration réalisable. Dans cet article, un protocole pour la caractérisation complète de la lentille de Fresnel ADG est présenté.

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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

Nous présentons une méthode pour caractériser des lentilles de Fresnel achromatiques pour applications photovoltaïques. Le doublet achromatique sur verre (ADG) lentille de Fresnel est composé de deux matières, une matière plastique et l’élastomère, dont caractéristiques de dispersion (variation de l’indice de réfraction avec la longueur d’onde) sont différents. Nous avons tout d’abord conçu la géométrie de la lentille et ensuite utilisée simulation de ray-tracing, basée sur la méthode de Monte Carlo, d’analyser ses performances du point de vue de rendement optique et la concentration maximum réalisable. Par la suite, prototypes de lentille de Fresnel ADG fabriqués au moyen d’une méthode simple et fiable. Il se compose d’une injection préalable de pièces en plastique et une stratification consécutif, ainsi que l’élastomère et un substrat de verre pour fabriquer le parquet des lentilles de Fresnel ADG. La précision du profil lentille manufacturés est examinée à l’aide d’un microscope optique tandis que ses performances optiques est évaluée à l’aide d’un simulateur solaire pour les systèmes photovoltaïques de concentrateur. Le simulateur est composé d’une ampoule de flash au xénon dont la lumière émise est réfléchie par un miroir parabolique. La lumière collimatée a une distribution spectrale et une ouverture angulaire semblable au réel soleil. Nous avons été en mesure d’évaluer les performances optiques des lentilles Fresnel ADG en prenant des photographies de l’irradiance spot projetée par l’objectif à l’aide d’une caméra à dispositif à couplage de charge (CCD) et en mesurant le photocourant généré par plusieurs types de jonction multi (MJ) solaire cellules, qui ont été caractérisés auparavant à un simulateur solaire concentrateur des cellules solaires. Ces mesures ont démontré le comportement achromatique de lentilles de Fresnel ADG et, comme conséquence, l’aptitude de la modélisation et les méthodes de fabrication.

Introduction

Photovoltaïque concentrateur (CPV) est une technologie prometteuse pour réduire le coût de l’électricité solaire car cette technologie peut bénéficier de l’amélioration rapide, l’efficacité des avancées multi piles solaires de jonction (MJ). Ces dispositifs sont composés de plusieurs cellules secondaire (habituellement trois désigné comme haut, moyen et bas) dont chacun est constitué d’un semi-conducteur de différent composé. Chaque cellule secondaire a un bandgap différent, ce qui entraîne une réponse spectrale différente, qui permet à chacun de convertir une partie distincte du spectre solaire en électricité. De cette façon, les cellules solaires MJ sont capables d’exploiter un large éventail du spectre solaire (généralement de 300 à 1800 nm) pour atteindre des valeurs de rendement supérieurs à 46 % sous lumière concentrée1. Afin de compenser le coût élevé de tels dispositifs photovoltaïques, systèmes optiques sont utilisés pour concentrer l’irradiance sur eux, ce qui réduit le coût du système final. Actuellement, la plupart des systèmes disponibles dans le commerce à haute concentration (HCPV) photovoltaïques reposent sur hybride (SoG) de silicone sur verre de lentilles de Fresnel2. Dans tous les systèmes d’optiques réfractives, l’aberration chromatique est le facteur diminuant plus sévèrement les performances de la lentille en fonction de la concentration maximum réalisable3 (c.-à-d., zone spot lumière minimale). L’utilisation d’une lentille achromatique, autrement dit, une lentille avec fortement réduit l’aberration chromatique, il est possible d’augmenter significativement la concentration maximum réalisable sans une nécessité pour tous les éléments optiques supplémentaires (appelés éléments optiques secondaires 4 , ( 5).

La conception de lentilles achromatiques (communément appelées doublets achromatiques parce qu’ils sont fabriqués de couplage de deux matériaux avec différents dispersibilité) a été bien connue depuis le XVIIIe siècle. Le doublet achromatique conventionnel est composé de deux verres différents : le premier est appelé la Couronne et a faible dispersion, tandis que l’autre s’appelle le silex et a haute dispersion. Toutefois, le coût global de ces sortes de verres et de leur traitement qui les rend inabordables pour les systèmes HCPV. Languy et co-auteurs ont proposé un doublet achromatique des CPV composées de deux matières plastiques : poly(methyl methacrylate) (PMMA) et en polycarbonate (PC)6. Dans leur article, une analyse comparative sur les différentes configurations et de leurs avantages est présenté, mais sans aborder leur fabricabilité et évolutivité à production élevée.

La lentille de Fresnel ADG proposée ici a été conçue de telle sorte que la lumière à une certaine longueur d’onde courte (lumière « bleue ») et un certain longueur d’onde (« rouge ») ont exactement la même distance focale. Détails de la méthode de conception pour les doublets achromatiques standards peuvent être trouvés ailleurs7. Plusieurs simulations de ray-tracing ont été effectuées afin de démontrer les améliorations obtenues à l’aide d’une lentille de Fresnel ADG au lieu d’une lentille de SoG Fresnel classique. Un rapport détaillé sur les résultats obtenus a été présenté en4. Le résultat le plus important est que lors de la substitution d’une lentille de Fresnel de SoG classique avec une lentille de Fresnel ADG, la concentration réalisable augmente environ trois fois tout en conservant la même efficacité optique. En outre, depuis le processus de fabrication8 envisagées pour obtenir l’ADG est très similaire à celle employée pour fabriquer des lentilles de SoG, l’augmentation de concentration sera obtenue sans augmenter significativement le coût.

Nous présentons ici un protocole pour effectuer une caractérisation complète des concentrateurs comprenant une lentille réfractive primaire et nous appliquons ce protocole à la fois une lentille de Fresnel de SoG classique (utilisé comme point de repère) et plusieurs prototypes de lentille de Fresnel ADG. Pour ce faire, un simulateur solaire pour CPV a été utilisé. Une description détaillée du simulateur et tous ses composants, ainsi que ses principes de fonctionnement, a été présentée ailleurs9.

Protocol

1. lentille modélisation à l’aide de la Simulation de Ray-Tracing

  1. Préparation modèle
    1. importation ADG Fresnel lens géométrie logiciel de simulation de ray-tracing et configurer les propriétés matérielles telles que la transmittance et indice de réfraction.
      Remarque : La conception de l’ADG Fresnel a été développée à l’Institut de l’énergie solaire et il se compose du code informatique basé sur les principes de base d’optique tels que Fermat ' principe s et Snell ' droit s. Courbes de dispersion des matériaux composant la lentille ont servi à élaborer la méthode de conception. Une description détaillée de la méthode de conception est présentée ailleurs 4.
    2. Mis en place une source de lumière avec des biens immobiliers du soleil tels que l’ouverture angulaire et de la distribution spectrale.
    3. Placer un récepteur à une distance de la lentille égale à la distance focale nominale.

Figure 1
figure 1. Capture d’écran de la simulation de ray-tracing. Il est possible d’observer la source lumineuse, la lentille de Fresnel ADG (comprenant le substrat de verre, l’élastomère et la lentille de Fresnel-bi en plastique) et les récepteurs utilisés pour mesurer l’éclairement énergétique à l’ouverture de l’objectif (récepteur de la lentille) et l’éclairement énergétique à la sortie (solaire récepteur de la cellule). s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

  1. exécuter la simulation et calculer les résultats souhaités tels que l’efficacité concentration et lentille optique maximale atteignable. Concentration réalisable est définie comme le rapport entre le diaphragme optique et la zone du récepteur où la tache est castée. Rendement optique est défini comme le rapport entre la puissance au niveau du récepteur et la puissance de la lentille optique ouverture 10.
    Remarque : La zone du récepteur est beaucoup plus grande que la tache lumineuse projetée par l’objectif afin de s’assurer que le récepteur recueille chaque rayon transmis par la lentille. De cette façon, l’efficacité optique calculée tienne compte des pertes due à l’absorption de matériaux, de réflexion et fabrication des contraintes (angles de dépouille et bout arrondi à angle et vallées).
  2. Répéter les étapes 1.1. et 1.2. simulant un classique silicone sur verre (SoG) Fresnel au lieu d’une lentille de Fresnel ADG pour être utilisé comme point de repère.

2. Caractérisation de la cellule solaire

Figure 2
Figure 2. Simulateur solaire concentrateur des cellules solaires. Photographie du simulateur solaire utilisé pour caractériser les cellules solaires sous éclairement concentrée. Sur le dessus de la figure, il est possible d’observer la lampe dont la position détermine le niveau de concentration. Sur le fond, le plan de mesure avec référence composant des cellules solaires et de l’ASE est montré. Sur la gauche de la photographie, il est possible d’apprécier l’équipement électronique (alimentation et acquisition de données) et l’ordinateur utilisé pour effectuer la caractérisation. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

  1. Calibration du simulateur solaire pour la caractérisation de la cellule solaire
    1. Placez à l’intérieur du simulateur solaire les cellules de composant référence (haut, moyen et bas), également appelés isotypes, qui ont été étalonnés sous cote spectre et l’appareil testé (DUT), autrement dit, la cellule solaire à mesurer.
      Remarque : Placez les cellules de référence et DUT aussi rapprochées que possible afin de réduire les possibles erreurs dues illumination hétérogène sur le plan de mesure.
    2. Régler la lampe flash (hauteur) de positionnement afin d’atteindre le niveau souhaité de concentration. Plus la lampe est de mesure de l’avion, plus la concentration atteinte.
      1. La distribution spectrale dépend de la position de la lampe et l’intensité du flash. Ajouter les filtres nécessaires pour ajuster la distribution spectrale. La procédure pour obtenir une répartition semblable au spectre de référence est décrit à l’étape 2.2.1.
    3. Connectez les isotypes et DUT à la carte de matériels d’Acquisition de données (DAQ) du simulateur solaire.
    4. à l’aide d’un éditeur de texte, créez un fichier texte contenant les valeurs de polarisation à utiliser dans la mesure de courbe de cellule courant-tension (IV). Le fichier texte contient une ligne par point de tension. Des points de tension plus aboutir à haute définition de la courbe. Étant donné que toutes les cellules solaires impliqués sont les photopiles MJ, les valeurs de polarisation sont constitués de valeurs comprises entre 0 V et 3.1 V.
  2. Mesures
    1. l’intensité de la lumière tout au long de la désintégration flash a un pic initial et puis commence à décroître ( Figure 3). La distribution lumineuse spectrale est aussi modifiée tout au long de l’impulsion flash. Une cellule solaire MJ à l’adresse classique se compose de trois cellules sous avec différents minimiséedans qui sont connectés en série. Chaque cellule secondaire peut convertir l’électricité dans une autre partie du spectre solaire. Par conséquent, le courant produit par la cellule solaire MJ est toujours limité par la cellule secondaire produisant le moins courant. Pour effectuer une mesure précise, sélectionnez un niveau d’éclairement où les deux isotypes, correspondant au haut et au milieu sous cellules, indiquer exactement le même niveau d’éclairement. Cela confirme que la cellule est mesurée sous le niveau de concentration cible et les bandes de fréquences. Le fait que le niveau d’éclairement indiqué par la cellule secondaire inférieure ne coïncide pas peut être négligé. C’est parce que des cellules solaires MJ axée sur les Ge commerciales ne sont jamais actuelle limitée par cette cellule secondaire. la figure 3 illustre une explication graphique de cette procédure.
    2. Une fois le niveau d’éclairement souhaité pour la mesure est identifié, démarrez le test IV. Le simulateur lit points de polarisation dans le fichier de texte défini à l’étape 2.1.4. ; pour chaque point, l’équipement polarise la cellule à la tension désirée, déclenche le flash et mesure le courant généré par la cellule solaire. La paire de valeurs de courant et de tension, c’est la courbe IV, s’affiche sur l’écran d’ordinateur.
      Remarque : À partir de la courbe IV, il est possible d’obtenir du courant de court-circuit (j’ai sc), ouvrir la tension à vide (V oc), facteur de remplissage (FF) et l’efficacité de l’ASE (même si dans les prochaines sections, seulement le courant de court circuit est utilisé).
    3. Répéter l’étape 2.2.2. aux niveaux de concentration différents pour vérifier que le photocourant de cellule solaire dépend linéairement de la concentration de niveau (voir Figure 4) et, par conséquent, la cellule étalonnée peut être utilisée comme un capteur de lumière pour déterminer l’éclairement énergétique dans le plan focal de l’objectif. Pour chaque niveau de concentration, ajuster la distribution spectrale de la lumière du flash à l’aide de filtres appropriés afin d’effectuer des mesures lorsque les isotypes, haut et moyens subsidiaire cellules, indiquent le même niveau d’irradiance, comme cela est expliqué dans l’étape 2.2.1.

Figure 3
figure 3. Évolution temporelle des grandeurs mesurées tout au long de la désintégration flash. Sur le graphique, il a été marqué l’instant lorsque les cellules de l’isotype, correspondant au haut et au milieu sous cellules, mesurent le même niveau d’éclairement. Suivant la ligne pointillée noire qui commence à partir de l’intersection des courbes correspondant à haut et moyens sous-cellules, il est possible d’identifier la valeur actuelle de l’ASE (cercle noir) comme le courant mesuré dans le moment précis auquel il haut et moyen les cellules Voir le même niveau d’éclairement. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4
figure 4. (A) schéma de l’installation utilisée pour effectuer les essais expérimentaux. (B) photographie du montage expérimental et ses composants (source lumineuse avec intégrant la sphère, échantillon lentille, caméra CCD et cellules solaires utilisées comme capteurs de lumière). Le miroir parabolique et les filtres ne sont pas visibles sur cette photographie. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

3. caractérisation de l’objectif.

Figure 5
figure 5. Graphique représentant l’évolution du photocourant généré par une cellule solaire MJ en fonction de la concentration. Comme prévu, il y a une dépendance linéaire. s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

  1. Préparation de la configuration.
    1. Mont les 3-axes automatisées plateforme de positionnement : une plate-forme mobile assistée d’ordinateur capable de contrôler avec précision la position relative entre la caméra étalonnée cellule solaire/CCD et la lentille à mesurer.
      1. Vérifiez que la plateforme de positionnement automatique 3 axes est parfaitement horizontale à l’aide d’un niveau à bulle.
    2. Fixer le support de cellule solaire/CCD sur la plate-forme ' s déplacement titulaire de telle façon qu’il est possible de contrôler sa position le long de x, les axes y et z.
    3. Monter le support de lentille dans la plate-forme avant le support mobile indiqué au point 3.1.2. Utiliser le déplacement sur x et y axes, il est possible de centrer parfaitement l’objectif en ce qui concerne l’objectif de caméra de cellule solaire/CCD. Le titulaire le long de l’axe z, il est possible de placer l’objectif de caméra de cellule solaire/CCD concernant le point optimal de la lentille (taille minimale de tache) et de le déplacer sur son axe optique.
    4. Brancher tous les appareils (plateforme de positionnement automatisé, carte DAQ pour mesurer le photocourant de cellule, la caméra CCD et la lampe au xénon) sur l’ordinateur utilisé pour exécuter l’ensemble test expérimental.
    5. Tester la connexion et l’exploitation de tous les périphériques connectés.
      1. Ouvrez le logiciel contrôlant le simulateur solaire CPV et appuyez sur le bouton " légère impulsion " afin de tirer un flash. Si le graphique de désintégration flash ressemble à la Figure 3, cela signifie que le DAQ board, Lampe xénon, isotype sous-cellules et DUT fonctionnent correctement.
      2. Ouvrez le logiciel de commande de la caméra CCD pour vérifier que l’appareil fonctionne correctement.
      3. Ouvrez le logiciel contrôlant la plate-forme mobile assistée ordinateur et l’utiliser pour déplacer le titulaire mobile selon les trois axes. Faire, activez un axe parmi les axes figurant en haut à gauche de la fenêtre du logiciel, puis insérez une position en " mouvement absolu " et pulse " exécuter ". Si le titulaire mobile se déplace comme prévu, cela signifie que la plate-forme mobile fonctionne correctement.
    6. Clean et place l’objectif doivent être mesurés sur le support fixe monté sur la plateforme de positionnement automatisée.
    7. En face du capteur, placez un miroir soit chaud (passes courtes filtrent la lumière blocage dont longueur d’onde est supérieure à 700 nm) ou un miroir froid (passer longtemps témoin de blocage filtre dont longueur d’onde est inférieure à 700 nm).
      Remarque : L’étape 3.1.7. est nécessaire uniquement pour les mesures à l’aide de la caméra CCD.
    8. Le titulaire mobile permet de centrer la caméra cellule solaire/CCD en ce qui concerne l’objectif et le placer au point focal optimal.
    9. à l’aide de n’importe quel éditeur de texte, créez un fichier texte contenant dans chaque ligne les coordonnées correspondant à un point de mesure (une certaine distance lentille-à-récepteur) à partir d’une position de la cellule/CCD caméra 5 mm plus près de l’objectif que la distance focale optimale et jusqu'à une position 5 mm plus loin.
  2. Phase de mesure
    1. mesures de cellule solaire
      Remarque : dans la même manière que le simulateur solaire des cellules solaires décrit dans la section précédente, l’intensité lumineuse et la distribution spectrale du simulateur solaire pour CPV change tout au long de la désintégration flash. La représentation graphique de la désintégration flash est semblable à celle obtenue avec le simulateur solaire concentrateur cellules indiqué au point 2.2.1. et illustrée à la Figure 3. Il y a un pic initial et il diminue par la suite. Les changements de la répartition spectrale de la lumière tout au long de la désintégration flash. La mesure est réalisée au moment où les deux isotypes, correspondant à haut et moyens subsidiaire cellules, indiquent le même niveau d’irradiance.
      NOTE : Contrairement au cas du simulateur solaire des cellules solaires dans ce cas le seul contrôle que nous avons sur le niveau d’éclairement est l’intensité de la lumière flash et filtres neutres
      1. une fois que le niveau d’éclairement optimal a été identifié, il est possible de commencer la test. Pour chaque position définie à l’étape 3.1.9., déclencher la lumière du flash. Le simulateur génère alors un fichier texte contenant des données de signaux tout au long de la désintégration flash d'où il est possible de déduire des cellules solaires génération actuelle sous la lumière concentrée par la lentille.
      2. Répéter les étapes de 3.1.7. à 3.2.1.3. pour chaque objectif à mesurer.
    2. Mesures de caméra CCD
      1. pour chaque position définie dans 3.1.9., à l’aide de la caméra CCD, prenez une photo de la lumière générée spot.
        NOTE : Le capteur CCD de la caméra couplée à un miroir chaud ou froid a une réponse spectrale semblable vers le haut et le milieu cellulaire secondaire, respectivement (voir Figure 6). En outre, afin d’obtenir des photos avec des informations utiles, il est nécessaire de prendre quelques précautions. Tout d’abord, l’intensité de la lumière du flash doit être ajustée afin d’obtenir un bon rapport signal-bruit et, en même temps, pas de saturer le capteur CCD. Pour ce faire, il est possible de modifier directement l’intensité du flash ou d’utiliser des filtres neutres pour obtenir le niveau d’éclairement souhaité. Deuxièmement, il est important que la chambre du simulateur est complètement noire pour éviter l’influence des sources lumineuses externes sur mesures.
      2. Mesures de température
        1. Place la lentille pour être mesuré insIDE la chambre thermique utilisée pour contrôler la température de la lentille pendant le test.
        2. à l’aide de la chambre thermique, varier la température de la lentille de 10 ° C à 50 ° C avec étapes égales à 10 ° C. Pour ce faire, placez les lentilles dans une chambre thermique avec une couverture transparente.
        3. Effectuer de mesure de températures différentes à l’aide de la caméra CCD de la même façon que décrite dans l’article 3.2.2.1.
          Remarque : La température de la lentille à l’essai est mesurée directement par le biais de thermocouples attachés à elle. La différence de température sur la surface des lentilles est inférieure à 2 ° C.

Figure 6
figure 6. Réponse spectrale (SR) du capteur CCD caméra silicium filtré par un miroir froid ou un verre de chaleur (points vides) pour simuler le SR des cellules des médiums et d’une J 3 réseaux solaires cellule (solides points). Ce chiffre a été modifié par 10.

  1. traitement des résultats obtenus avec cellule solaire mesure. Composants de cellules isotype
    1. calibré à l’aide de renvoi, déterminer le photocourant généré par les cellules sous haut et milieu de la cellule solaire utilisé comme un capteur de lumière pour chaque poste (pour une discussion détaillée sur la façon d’estimer et centrale photocourants depuis les signaux enregistrés lors de la désintégration flash voir 11).
    2. Dessiner un graphique représentant le photocourant approximatif en fonction de la distance lentille-à-récepteur pour top et middle cellules sous.
    3. Comparer les résultats obtenus à l’aide de la lentille de Fresnel achromatique ADG avec celle de la lentille de SoG Fresnel.
  2. Traitement des résultats obtenus avec la mesure de caméra CCD.
    1. Identifier le centre de gravité de la lumière dans les photos prises avec la caméra CCD.
      Remarque : Le " Centre de gravité de la lumière " d’une carte d’irradiance distribution est le centre de la région dont le niveau de rayonnement est supérieur à 90 % de l’éclairement maximal de la carte.
    2. Une fois que le centre de gravité spot est identifié, définir un certain nombre de rayons possibles et, pour chacun d’eux, calculer le pourcentage de lumière contenue dans le cercle à l’égard de l’irradiance totale contenue dans la photographie.
    3. Calculer le rayon de la tache. Il se définit comme le rayon contenant 95 % de l’éclairement total.
      NOTE : Une valeur de 95 % a été choisie afin d’éviter une artificiellement grande tache à cause du bruit causé par la lumière provenant de sources externes, c'est-à-dire, direct lumière de la lampe au xénon ou lumière du milieu environnant.
    4. Répéter les étapes de traitement de 3.4.1. à 3.4.3. pour les mesures avec un miroir chaud et froid.
    5. Tracer un graphique représentant le diamètre du spot lumineux en fonction de la distance lentille-à-récepteur en ce qui concerne la position optimale (minimale taille de spot) pour la lumière bleue et rouge (chaud miroir et mesures miroir froid, respectivement).

Representative Results

Les principaux résultats obtenus des essais expérimentaux décrites précédemment sont les suivantes :
-Comportement achromatique de lentille de Fresnel ADG a été démontrée à l’aide de mesures de caméra CCD (Figure 7).
-L’efficacité optique (proportionnelle au courant mesuré par la cellule MJ, utilisée comme un capteur de lumière) de l’ADG Fresnel lens montre une grande tolérance lorsque la cellule est déplacée de la distance focale optimale et le long de l’axe de la distance focale (Figure 8).
-La taille du casting spot par la lentille de l’ADG montre une grande tolérance à des températures différentes (Figure 9).

L’évolution du diamètre du spot en fonction de la distance lentille-à-récepteur est illustrée à la Figure 7 pour les deux lentilles, une lentille de SoG Fresnel classique et la lentille de Fresnel ADG. Le haut et le milieu des cellules ont été analysées séparément au moyen de deux filtres dichroïques, un chaud miroir filtrant la lumière avec une longueur d’onde supérieure à 700 nm et un miroir froid filtrer la lumière dont longueur d’onde est inférieure à 700 nm. Figure 7 a, on voit que les minima des deux courbes sont déplacés. C’est en raison de l’aberration chromatique : l’indice de réfraction pour les courtes longueurs d’onde étant supérieur, le point focal pour la lumière bleue est plus proche de la lentille. Ensuite, place minimum pour la lumière bleue est décalée vers la gauche (vers la lentille) et place minimum pour la lumière rouge est décalée vers la droite (vers l’infini). À l’inverse, à la Figure 7 b, on peut constater que, pour la lentille de Fresnel ADG, la position de la tache minimum pour la lumière bleue correspond exactement à l’endroit minimale pour la lumière rouge, prouvant que la lentille présente un comportement achromatique.

L’évolution du photocourant normalisée généré par une cellule solaire MJ illuminée par un objectif de concentration comme fonction de la distance lentille-cellule relative est illustrée à la Figure 8. L’aspect le plus large de la courbe de la lentille de Fresnel ADG signifie que, grâce à la conception achromatique, il a une tolérance plus élevée à un déplacement de la lentille de sa position optimale, le long de l’axe optique qu’une lentille de SoG Fresnel classique. En conséquence, ADG lentilles sont plus tolérantes aux erreurs de montage ou à n’importe quel phénomène qui change la distance focale, par exemple, une variation de température.

Enfin, la variation de la lumière spot cast par la lentille en fonction de la température de la lentille est illustré Figure 9. Le haut et le milieu des cellules ont été analysées séparément au moyen de filtres dichroïques (miroirs chauds et froids). Lentilles ont été mis à l’intérieur d’une chambre thermique avec un couvercle en verre transparent pour contrôler leur température12. Les graphiques de la Figure 9 montrent comment la variation de température a un impact plus faible sur la lentille de Fresnel ADG que sur la référence de la lentille de Fresnel de SoG. En fait, pour ce dernier, pour une augmentation de la température de 20 ° C, l’expansion de la taille de tache lumineuse est significative : le diamètre est d’environ 30 % plus grande pour la cellule secondaire supérieure et jusqu'à 60 % plus grande pour la cellule moyenne subsidiaire. Au contraire, pour l’objectif de l’ADG, même dans le pire des cas l’augmentation est inférieure à 20 %. Cela signifie que même dans des conditions de fonctionnement en plein air avec l’excursion thermique forte, à l’aide de la lentille de l’ADG rendrait les performances du système plus stable.

Figure 7
La figure 7. Diamètre du spot mesurée en fonction de la distance lentille-à-récepteur. Diamètre du spot est défini comme celui dont 95 % de l’énergie. Les lignes en pointillés rouges représentent des diamètres spots pour les longueurs d’onde (ceux généralement convertis par la cellule sous moyenne de cellules solaires MJ, c’est à dire., 650-900 nm) et des lignes continues bleus représentent spots diamètres pour les courtes longueurs d’onde (ces généralement couvert par le haut de la page subcell, c.-à-d., 350-650 nm). (un) SOG Fresnel lentille, (b), ADG Fresnel lens. Ce chiffre a été modifié par8. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 8
La figure 8. Normalisé photocourant généré par une cellule solaire MJ dont le diamètre est de 3 mm en fonction de la distance relative de la cellule-à-lens. Chaque courbe a été divisé par sa valeur maximale. Le zéro dans l’axe des abscisses pour trois lentilles représente la distance focale optimale (où le spot minimise). Courbes d’arrière-plan représentent les photocourants normalisées générées par le haut (marqueurs circulaires) et middle cellules sub (marqueurs triangulaires). ADG_v2 est une conception améliorée de lentille Fresnel ADG. Le courant normalisé produit par la cellule solaire MJ (la valeur minimale entre le haut et le milieu photocourants) a été remarqué par souci de clarté. Ce chiffre a été modifié par 13. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 9
La figure 9. Taille relative du spot en fonction de la température de la lentille. (A) les résultats associés à la cellule secondaire supérieure (mesure effectuée à l’aide d’un filtre dichroïque miroir chaud). (B) les résultats connexes la cellule moyenne subsidiaire (mesure effectuée à l’aide d’un filtre dichroïque miroir froid). La taille relative de la tache est obtenue en divisant la taille du spot de la valeur minimale mesurée pour chaque objectif. Ce chiffre a été modifié par13. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Discussion

La méthode proposée pour la caractérisation des lentilles de Fresnel ADG comprend deux procédures différentes : la première utilise des cellules solaires comme capteurs de lumière, tandis que le second est basé sur une caméra CCD.

Appliquant la cellule solaire selon la procédure, le photocourant généré par une cellule solaire MJ a été mesuré à l’aide de différentes lentilles de Fresnel comme concentrateurs. Comme décrit dans le protocole, le simulateur solaire CPV fait utiliser une ampoule de flash au xénon émettant de la lumière qui se réfléchit sur un miroir parabolique. Tel un miroir génère un faisceau lumineux collimaté sur le plan de mesure (qui coïncide avec l’ouverture de l’objectif). En raison des tolérances de fabrication de miroir et la rugosité de la surface, la lumière collimatée n’est pas uniforme sur le plan de mesure. La non-uniformité de l’éclairement énergétique créé par le simulateur solaire est la principale source d’erreur dans nos mesures expérimentales10. Étant donné que les lentilles grands intègrent l’éclairement énergétique sur le plan de mesure sur une grande surface, l’erreur due à la non-uniformité dépend de la taille de la lentille. Le simulateur solaire pour les systèmes CPV utilisé à l’Institut de l’énergie solaire atteint une uniformité superieur de ± 5 % pour optique de 3 x 3 cm9. Pour la lentille de Fresnel ADG testée ici, dont ouverture optique est de 40 x 40 mm, l’effet de non-uniformité au cours de la mesure peut être critique. Afin de réduire cette incertitude, une lentille de référence est re-mesurée avant la tenue de toute expérience. En outre, lorsqu’on effectue ces mesures, il est primordial d’être particulièrement prudent lors de l’alignement de la cellule et la lentille. En effet, la cellule solaire doit être placé exactement centré avec la tache lumineuse fondues par la lentille afin d’éviter un mauvais alignement, car si un mauvais positionnement initial est utilisé, la réduction de photocourant en raison de la défocalisation est altérée. Une autre erreur qui peut survenir est celle causée par des facteurs d’ombrage différente de la grille de métallisation avant (la cellule solaire MJ utilisée comme un capteur est étalonné à l’aide d’éclairement uniforme, mais les lentilles il monter un profil gaussien forme lors de la mesure). Pour vous assurer que la métallisation est sans incidence sur les résultats expérimentaux, il est utile de réaliser plusieurs mesures de déplacement de la lentille et, en conséquence, la tache lumineuse sur le plan du récepteur. Si le photocourant mesuré varie significativement quand bougeant légèrement la tache lumineuse, cela signifie que la grille de métallisation affecte les mesures.

Il existe d’autres méthodes appropriés pour mesurer l’efficacité optique d’une lentille primaire, par exemple, à l’aide de capteurs de rayonnement thermique comme thermopiles10. Le principal inconvénient de cette approche est que la réponse d’un capteur thermique est trop lente pour n’importe quelle source de lumière flash. Par conséquent, il ne peut s’appliquer aux mesures extérieures (qui sont très sensibles à la distribution spectrale de l’éclairement énergétique et autres conditions météorologiques). Avec la méthode proposée, cette limitation est évitée.

En outre, à l’aide de la cellule solaire selon la procédure, il serait également possible d’obtenir la taille de la tache éclairer par une lentille. Pour ce faire, les photocourants générés par plusieurs MJ de cellules solaires du même type et différentes mais similaires tailles doivent être mesurés. Pour les cellules dont la taille est plus petite que le spot éclairer par la lentille, le photocourant mesuré diminue de diminution de la surface cellulaire due à la lumière de déversement hors de la cellule. En revanche, le photocourant reste constant pour les cellules solaires MJ dont la taille est plus grande que le spot lumineux, car quelle que soit la surface de la cellule, toute la lumière transmise par l’objectif atteint la cellule solaire. Par conséquent, la taille de la tache lumineuse est égale à la taille de la plus petite cellule qui atteint le maximum d’efficacité. Pour cette méthode, plus le nombre de cellules solaires utilisés, plus la résolution.

Étant donné un ensemble de cellules solaires apte à effectuer les mesures décrites n’est pas toujours disponible, la procédure de caméra CCD a été proposée pour mesurer la taille de tache lumineuse. Grâce à la large gamme dynamique du capteur CCD, à l’aide de photographies de la tache lumineuse prise avec l’appareil photo, une comparaison précise entre les valeurs de crête et de la vallée est possible. Pour calculer la valeur absolue de l’irradiance, un étalonnage de l’installation entière, y compris les filtres et la caméra CCD, serait nécessaire. Néanmoins, les photographies, il est possible de séparer la zone éclairée de la zone sombre au-dessus d’une image et, ainsi, estimer la taille de tache lumineuse. Les principaux inconvénients de cette technique sont le décalage spectral entre le capteur CCD et une cellule solaire MJ et le bruit produit par les sources de lumière différent de la faisceau collimaté généré par le simulateur solaire. Concernant le premier problème, en ajoutant un miroir chaud ou froid à la caméra, il est possible d’obtenir une réponse spectrale est très semblable à celui du dessus et du milieu cellules secondaires (voir Figure 6). En outre, afin de limiter le bruit de fond, il faut complètement assombrir la chambre du simulateur CPV. Comme il est presque impossible d’éviter complètement les sources lumineuses externes, le traitement de l’image est très important et doit être bien programmé. L’étape la plus critique est l’élimination du bruit de fond. Filtrage de bruit peut être partiellement automatisé, mais, en raison de la forte dépendance à des facteurs externes qui sont difficilement prévisibles, chaque image traitée subit un examen visuel.

La procédure de CCD permet d’obtenir l’évolution de la taille de tache lumineuse en fonction de la température de la lentille en ajoutant au système une chambre thermique où sont placés les lentilles. Dans ce cas, outre les sources d’erreur décrite précédemment, incertitude découle des mesures de température de lentille. Le thermocouple de contrôle (celui directement connecté à l’ordinateur) n’atteint pas la température de l’objectif réel parce que le capteur est placé dans un point de la chambre thermique proche mais pas directement lié aux lentilles à mesurer. Par conséquent, la température mesurée à l’aide d’un thermocouple de tel est une température moyenne de l’environnement qui entoure les lentilles, et il ne correspond pas nécessairement à la température de l’objectif réel. C’est pourquoi la connexion chaque lentille à un thermocouple indépendant est recommandé. Néanmoins, il y a probablement un gradient de température entre les différents points de la lentille. Afin de quantifier cette incertitude, une fois que la chambre thermique atteint la température désirée, et avant d’effectuer toute mesure, il est préférable d’attendre 15-20 minutes pour laisser la température du système deviennent aussi uniforme que possible.

Disclosures

Nous n’avons rien à divulguer.

Acknowledgments

Ce travail a été partiellement soutenu par le ministère espagnol de l’économie et la compétitivité dans le projet Acromalens (ENE2013-45229-P) et il reçoit une subvention de l’Union européenne Horizon 2020 programme de recherche et l’innovation au sein du projet CPV Correspondre au titre de la subvention contrat N° 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

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