Valutazione interna sperimentale dell'efficienza e dell'irraggiamento Spot del doppietto acromatico su vetro (ADG) lente di Fresnel per fotovoltaico a concentrazione

Engineering
 

Summary

Il doppietto acromatico su vetro Fresnel (ADG) lente rende utilizzare di due materiali con diversa dispersione per ridurre l'aberrazione cromatica e aumentare la concentrazione raggiungibile. In questa carta, un protocollo per la caratterizzazione completa della lente Fresnel ADG è presentato.

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

Presentiamo un metodo per caratterizzare acromatica lenti di Fresnel per applicazioni fotovoltaiche. Il doppietto acromatico su vetro (ADG) lente di Fresnel è composto di due materiali, una plastica e un elastomero, le cui caratteristiche di dispersione (variazione di indice di rifrazione con lunghezza d'onda) sono diversi. Abbiamo progettato la geometria della lente e quindi utilizzato simulazione di ray-tracing, basato sul metodo Monte Carlo, per analizzare le prestazioni dal punto di vista di efficienza ottica e la concentrazione massima raggiungibile. In seguito, prototipi di lente di Fresnel ADG erano manufactured usando un metodo semplice e affidabile. Si compone di una precedente iniezione di parti in plastica e una laminazione consecutiva, insieme con l'elastomero e un substrato di vetro per fabbricare il parquet di lenti di Fresnel di ADG. La precisione del profilo lente fabbricati viene esaminata utilizzando un microscopio ottico, mentre le sue prestazioni ottiche viene valutata utilizzando un simulatore solare per impianti fotovoltaici concentratore. Il simulatore è composto da una lampada flash allo xeno cui luce emessa viene riflessa da uno specchio parabolico. La luce collimata ha una distribuzione spettrale e un'apertura angolare simile al reale sole. Siamo stati in grado di valutare le prestazioni ottiche delle lenti Fresnel ADG di scattare fotografie dell'irradianza spot cast dalla lente con una fotocamera di charge coupled device (CCD) e misura la fotocorrente generata da diversi tipi di multi giunzione (MJ) solare cellule, che sono stati precedentemente caratterizzate presso un simulatore solare per celle solari concentratore. Queste misurazioni hanno dimostrato il comportamento acromatico di lenti di Fresnel di ADG e, come conseguenza, l'idoneità di modellizzazione e metodi di produzione.

Introduction

Concentratore fotovoltaico (CPV) è una tecnologia promettente per ridurre il costo dell'elettricità solare basato perché questa tecnologia possa sfruttare il rapido miglioramento incrementale dell'efficienza dell'avanzata multi giunzione (MJ) celle solari. Questi dispositivi sono composti da diverse sub-celle (solitamente tre denominato come alto, medio e basso) ognuno dei quali è fatta di un semiconduttore diverso mescola. Ogni sub-cellula ha un diverso bandgap risultante in una diversa risposta spettrale, che permette a ciascuno di convertire una parte distinta dello spettro solare in energia elettrica. In questo modo, MJ celle solari sono in grado di sfruttare una vasta gamma dello spettro solare (tipicamente 300-1800 nm) raggiungere valori di efficienza superiori al 46% nel concentrato luce1. Al fine di compensare il costo elevato di tali dispositivi fotovoltaici, sistemi ottici sono utilizzati per concentrare l'irradianza su di loro, che riduce il costo finale del sistema. Attualmente, la maggior parte dei sistemi disponibili in commercio ad alta concentrazione fotovoltaici (HCPV) sono basata su ibridi di silicone su vetro (SoG) di lenti di Fresnel2. In tutti i sistemi ottici refrattivi, aberrazione cromatica è il fattore più severamente riducendo le prestazioni lente in termini di concentrazione massima raggiungibile3 (cioè, luce spot area minima). Facendo uso di una lente acromatica, vale a dire, una lente con aberrazione cromatica molto ridotto, è possibile aumentare notevolmente la concentrazione massima raggiungibile senza la necessità di eventuali ulteriori elementi ottici (indicato come elementi ottici secondari 4 , 5).

La progettazione di lenti acromatiche (comunemente chiamato doppietti acromatici perché sono fabbricati accoppiamento di due materiali con caratteristiche di dispersione diversi) è stato ben nota dal XVIII secolo. Il doppietto acromatico convenzionale è composto da due vetri differenti: il primo è chiamato la corona e ha dispersione bassa, mentre il secondo è chiamato la pietra focaia e ha ad alta dispersione. Tuttavia, il costo complessivo di questi tipi di occhiali e la loro lavorazione li rende insostenibile per sistemi HCPV. Languy e co-autori proposto un doppietto acromatico per CPV è composto da due plastiche: poly(methyl methacrylate) (PMMA) e policarbonato (PC)6. Nel loro articolo, un'analisi comparativa delle diverse configurazioni e i loro vantaggi è presentato ma senza affrontare loro producibilità e scalabilità a produzione elevata.

La lente di Fresnel ADG qui proposta è stata progettata in modo tale che la luce ad una certa lunghezza d'onda corta (luce "blu") e una certa lunghezza d'onda (luce "rossa") hanno esattamente la stessa distanza focale. Dettagli del metodo di progettazione per doppietti acromatici standard possono essere trovati altrove7. Diverse simulazioni di ray-tracing effettuati per dimostrare i miglioramenti ottenuti utilizzando una lente di Fresnel ADG invece di una lente di SoG Fresnel convenzionale. Una relazione dettagliata sui risultati ottenuti è stata presentata in4. Il risultato più importante è che quando in sostituzione di una lente di SoG Fresnel convenzionale con una lente di Fresnel ADG, la concentrazione raggiungibile aumenta circa tre volte pur mantenendo la stessa efficienza ottica. Inoltre, poiché il processo di produzione8 previsto per ottenere l'ADG è molto simile a quella impiegata per fabbricare lenti SoG, l'aumento della concentrazione si otterranno senza aumentare in modo significativo i costi.

Qui presentiamo un protocollo per eseguire una completa caratterizzazione di concentratori comprendente una rifrazione lente primaria e applichiamo questo protocollo sia una lente di SoG Fresnel convenzionale (utilizzato come benchmark) e diversi prototipi di lente di Fresnel di ADG. A tale scopo, è stato utilizzato un simulatore solare per CPV. Una descrizione dettagliata del simulatore e tutte le sue componenti, nonché a seguire principi operativi, è stata presentata altrove9.

Protocol

1. lente modellazione mediante simulazione di Ray-Tracing

  1. preparazione del modello
    1. importazione ADG Fresnel geometria lente nel software di simulazione di ray-tracing e impostare proprietà quali trasmittanza e Indice di rifrazione.
      Nota: Il design di Fresnel ADG è stato sviluppato presso l'Istituto di energia solare e si compone di codice di computer basate su principi di base ottica quali Fermat ' s principio e Snell ' legge s. Curve di dispersione dei materiali che compongono la lente sono state usate per sviluppare il metodo di progettazione. Una descrizione dettagliata del metodo di progettazione è presentata altrove 4.
    2. Impostare una sorgente luminosa con proprietà reali di sole come apertura angolare e distribuzione spettrale.
    3. Inserire un ricevitore ad una distanza dalla lente pari alla distanza focale nominale.

Figure 1
Figura 1. Screenshot del modello di simulazione di ray-tracing. È possibile osservare la fonte di luce, la lente di Fresnel ADG (comprendente il substrato di vetro, l'elastomero e la lente di Fresnel bi plastica) e i ricevitori utilizzati per misurare l'irradianza presso l'apertura dell'obiettivo (ricevitore lente) e irraggiamento all'uscita (solare ricevitore delle cellule). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. eseguire la simulazione e calcolare i risultati desiderati, come ad esempio la massima efficienza raggiungibile concentrazione e lente ottica. Concentrazione raggiungibile è definita come il rapporto tra l'apertura dell'obiettivo ottico e la zona del ricevitore dove viene eseguito il cast sul posto. Efficienza ottica è definita come il rapporto tra la potenza che il ricevitore e la potenza che la lente apertura ottica 10.
    Nota: La zona del ricevitore è molto più grande lo spot luminoso gettato dalla lente al fine di garantire che il ricevitore raccoglie tutti i raggi trasmessi dalla lente. In questo modo, l'efficienza ottica calcolata tenendo conto delle perdite a causa di assorbimento di materiali, riflessione e produzione di vincoli (gli angoli di sformo e punta di arrotondamento in angolo e valli).
  2. Ripetere i passaggi da 1.1. e 1.2. simulando un convenzionale del silicone su vetro (SoG) Fresnel invece di una lente di Fresnel ADG per essere utilizzato come punto di riferimento.

2. Caratterizzazione di celle solari

Figure 2
Figura 2. Simulatore solare per celle solari concentratore. Fotografia del simulatore solare utilizzato per caratterizzare le cellule solari sotto irraggiamento concentrato. Nella parte superiore della figura, è possibile osservare la lampada cui posizione determina il livello di concentrazione. Sul fondo, viene mostrato il piano di misurazione con celle solari di riferimento componente e DUT. Sulla sinistra della fotografia, è possibile apprezzare le apparecchiature elettroniche (alimentazione e DAQ) e il computer utilizzato per eseguire la caratterizzazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Calibrazione del simulatore solare per la caratterizzazione di celle solari
    1. posto all'interno del simulatore solare le celle di componente di riferimento (alto, medio e basso), note anche come isotipi, che sono stati calibrati in un riferimento spettro e l'apparecchio in prova (DUT), vale a dire, la cella solare da misurare.
      Nota: Inserire le celle di riferimento e DUT vicini possibile al fine di ridurre possibili errori dovuti a illuminazione non uniforme sul piano della misurazione.
    2. Regolare la lampada flash (altezza) di posizionamento al fine di raggiungere il livello desiderato di concentrazione. Ulteriore la lampada è dalla misurazione aereo, più bassa la concentrazione raggiunta.
      1. La distribuzione spettrale dipende dalla posizione della lampada e l'intensità del flash. Aggiungere i filtri necessari per regolare la distribuzione spettrale. La procedura per ottenere una distribuzione simile allo spettro di riferimento è descritto al punto 2.2.1.
    3. Collegare l'isotipi e DUT alla scheda di acquisizione dati (DAQ) del simulatore solare.
    4. Utilizzando un editor di testo, creare un file di testo contenente i valori di polarizzazione da essere utilizzato nella misurazione del curva di cella corrente-tensione (IV). Il file di testo contiene una riga per ogni punto di tensione. Più punti di tensione comportare la definizione di curva superiore. Dal momento che tutte le celle solari coinvolte sono MJ celle solari, i valori di polarizzazione sono costituiti da valori compresi tra 0 V e 3.1 V.
  2. Misure
    1. l'intensità della luce in tutto il deperimento flash ha un picco iniziale e poi inizia a diminuire ( Figura 3). La distribuzione spettrale della luce viene anche modificata durante l'impulso di flash. Una convenzionale cella solare MJ è composto di tre sub-cellule con diversi bandgaps che sono collegati in serie. Ogni sub-cellulare può convertire energia elettrica in una parte diversa dello spettro solare. Di conseguenza, la corrente generata dalla cella solare MJ è sempre limitata dalla Sub-cellula producendo meno corrente. Per eseguire una misurazione accurata, selezionare un livello di irraggiamento dove entrambi isotipi, corrispondente alla parte superiore e centrale sotto-celle, indicano esattamente lo stesso livello di irraggiamento. Questo conferma che la cella è misurata sotto il livello di concentrazione di destinazione e lo spettro. Può essere trascurato il fatto che il livello di irraggiamento indicato dalla cella secondaria inferiore non è coincidente. Questo è perché commerciali basati su Ge MJ celle solari non sono mai corrente limitata di questo sub-cellulare. Figura 3 raffigura una spiegazione grafica di questa procedura.
    2. Una volta il livello di irraggiamento desiderata per la misura è identificato, avviare il test di IV. Il simulatore legge polarizzazione punti dal file di testo definito nel passaggio 2.1.4.; per ogni punto, le attrezzature polarizza la cellula alla tensione desiderata, fa scattare il flash e misura la corrente generata dalla cella solare. La coppia di valori di corrente e tensione, che è la curva IV, viene visualizzata sullo schermo del computer.
      Nota: Dalla curva IV, è possibile ottenere la corrente di cortocircuito (I sc), aprire la tensione a vuoto (V oc), fattore di riempimento (FF) e l'efficienza del DUT (anche se nelle prossime sezioni, viene utilizzata solo la corrente di corto circuito).
    3. Ripetere passo 2.2.2. a diversi livelli di concentrazione per verificare che la cella solare corrente fotoelettrica dipende linearmente dalla concentrazione livello (vedere la Figura 4) e, quindi, la cellula calibrata può essere utilizzata come un sensore di luce per determinare l'irradianza sul piano focale della lente. Per ogni livello di concentrazione, regolare la distribuzione spettrale della luce flash utilizzando filtri appropriati al fine di eseguire misurazioni quando sia isotipi, top e sub-cellule centrale, indicano lo stesso livello di irraggiamento, come spiegato al punto 2.2.1.

Figure 3
Figura 3. Evoluzione nel tempo delle grandezze misurate durante il decadimento di flash. Nel grafico è stato contrassegnato l'istante quando le cellule di isotipo, corrispondente alla parte superiore e centrale sotto-celle, misurano il livello di irraggiamento stesso. Seguendo la linea tratteggiata nera che inizia dall'intersezione delle curve corrispondenti a top e middle subcells, è possibile identificare il valore corrente di DUT (cerchio nero) come la corrente misurata nel momento preciso in cui riferimento superiore e medio le sub-cellule vedere lo stesso livello di irraggiamento. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4. (A) schema della configurazione utilizzata per eseguire prove sperimentali. (B) fotografia di apparato sperimentale e suoi componenti (sorgente luminosa con l'integrazione di sfera, lente campione, telecamera CCD e celle solari utilizzati come sensori di luce). Lo specchio parabolico e filtri non sono visibili in questa fotografia. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. caratterizzazione della lente.

Figure 5
Figura 5. Grafico che rappresenta l'evoluzione della fotocorrente generata da una cella solare MJ in funzione della concentrazione. Come previsto, c'è una dipendenza lineare. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

  1. Setup preparazione.
    1. Monte 3-assi automatizzati piattaforma di posizionamento: una piattaforma mobile assistita computer in grado di controllare con precisione la posizione relativa tra la cella solare calibrato/CCD fotocamera e la lente da misurare.
      1. Controllare che la piattaforma di posizionamento automatizzato 3-assi sia perfettamente orizzontale utilizzando una livella a bolla.
    2. Montare il cella solare/CCD fotocamera supporto sulla piattaforma ' s titolare in movimento in modo che è possibile controllare la sua posizione lungo assi x, y e z.
    3. Montare il supporto della piattaforma davanti al titolare del movimento descritto al punto 3.1.2. Utilizzando il movimento titolare su x e y assi, è possibile centrare perfettamente l'obiettivo per quanto riguarda l'obiettivo di macchina fotografica di cella solare/CCD. Spostando il titolare lungo l'asse z, è possibile porre l'obiettivo di macchina fotografica di cella solare/CCD nel punto focale ottimo della lente (dimensione minima macchia) e spostarlo lungo l'asse ottico.
    4. Collegare ogni dispositivo (piattaforma di posizionamento automatizzato, scheda di acquisizione dati per misurare la corrente fotoelettrica delle cellule, la telecamera CCD e la lampada allo xeno) per il computer utilizzato per eseguire l'intero test sperimentali.
    5. Verifica la connessione e il funzionamento di tutti i dispositivi connessi.
      1. Aprire il software che controlla il simulatore solare per CPV e premere il pulsante " impulso di luce " per poter sparare un flash. Se il grafico di decadimento flash appare simile alla Figura 3, significa che la scheda DAQ, lampada allo xeno, isotipo subcells e DUT funzionino correttamente.
      2. Aprire il software di controllo della telecamera CCD per verificare che la fotocamera funzioni correttamente.
      3. Aprire il software che controlla la piattaforma di mobile computer assistita e utilizzarlo per spostare il supporto movimento lungo i tre assi. Per fare l'operazione, seleziona un asse tra gli assi elencati nella parte superiore sinistra della finestra del software, quindi inserire una posizione in " spostamento assoluto " e impulso " eseguire ". Se il supporto di movimento si sposta come previsto, vuol dire che la piattaforma mobile sta funzionando correttamente.
    6. Pulite e posto l'obiettivo deve essere misurata sul supporto fisso montato sulla piattaforma di posizionamento automatizzata.
    7. Nella parte anteriore del sensore, posto sia uno specchio caldo (filtro passa-breve blocco luce cui lunghezza d'onda è più di 700 nm) o uno specchio freddo (lungo passare luce blocco filtro cui lunghezza d'onda è inferiore a 700 nm).
      Nota: Il passaggio 3.1.7. è necessario solo per le misurazioni con la telecamera CCD.
    8. Usare il supporto mobile per centrare la telecamera/celle solari per quanto riguarda l'obiettivo e posizionarlo nel punto focale ottimo.
    9. Utilizzando qualsiasi editor di testo, creare un file di testo contenente tutte le linee le coordinate corrispondenti a un punto di misura (una certa distanza lente--ricevente) a partire da una posizione della cella/CCD telecamera 5 mm più vicino all'obiettivo rispetto alla distanza focale ottima e fino ad una posizione ulteriormente 5 mm.
  2. Fase di misurazione
    1. misure di celle solari
      Nota: nello stesso modo come il simulatore solare per pannelli solari descritto nella sezione precedente, l'intensità della luce e la distribuzione spettrale del simulatore solare per CPV cambia durante il decadimento di flash. La rappresentazione grafica del decadimento flash è simile a quello ottenuto con il simulatore solare per celle concentratore descritto al punto 2.2.1. e raffigurato in Figura 3. C'è un picco iniziale e poi diminuisce. Le modifiche di distribuzione spettrale della luce in tutto il deperimento di flash. La misurazione viene eseguita al momento dove entrambi isotipi, corrispondente alla parte superiore e sub-cellule centrale, indicano il livello di irraggiamento stesso.
      Nota: Contrariamente al caso del simulatore solare per pannelli solari in questo caso l'unico controllo che abbiamo sopra il livello di irraggiamento è l'intensità della luce flash e filtri neutri
      1. una volta che il livello di irraggiamento ottimale è stato identificato, è possibile iniziare il prova. Per ogni posizione definita al punto 3.1.9., innescare la luce del flash. Il simulatore genera quindi un file di testo contenente dati segnali in tutto il deperimento flash da cui è possibile dedurre la cella solare attuale generazione sotto la luce concentrata dalla lente.
      2. Ripetere i passaggi da 3.1.7. a 3.2.1.3. per ogni obiettivo misurabile.
    2. Misure della camera CCD
      1. per ogni posizione definita in 3.1.9., usando la telecamera CCD, scattare una fotografia della luce generata spot.
        Nota: Il sensore CCD della fotocamera accoppiato con uno specchio caldo o freddo ha una risposta spettrale simile alla parte superiore e la Sub-cella centrale, rispettivamente (vedere la Figura 6). Inoltre, al fine di ottenere fotografie con informazioni utili, è necessario prendere alcune precauzioni. In primo luogo, l'intensità della luce del flash deve essere regolato al fine di ottenere un buon rapporto segnale-rumore e, allo stesso tempo, non saturare il sensore CCD. A tale scopo, è possibile modificare direttamente l'intensità del flash o utilizzare filtri neutri per ottenere il livello desiderato di irradianza. In secondo luogo, è importante che la camera di simulatore è completamente al buio per evitare l'influenza delle fonti di luce esterne su misurazioni.
      2. Misure di temperatura
        1. posizionare la lente per essere misurata insIDE la camera termica utilizzata per controllare la temperatura della lente durante il test.
        2. Nella camera termica, variare la temperatura di lente da 10 ° C a 50 ° C con passi pari a 10 ° C. A tale scopo, posizionare le lenti all'interno della camera termica con una copertura trasparente frontale.
        3. Eseguire la misurazione per diverse temperature usando la telecamera CCD nello stesso modo descritto in 3.2.2.1.
          Nota: La temperatura della lente in fase di test è misurata direttamente attraverso termocoppie collegate ad esso. La differenza di temperatura su tutta la superficie di lenti è inferiore a 2 ° C.

Figure 6
Figura 6. Risposta spettrale (SR) del sensore di silicio della fotocamera CCD filtrato da uno specchio freddo o un bicchiere di calore (punti vuoti) per simulare il SR delle Sub-cellule middle e top di una 3 J grata-abbinato cella solare (puntini solido). Questa figura è stata modificata da 10.

  1. l'elaborazione dei risultati ottenuti con la cella solare misura.
    1. Calibrato utilizzando componenti delle cellule di isotipo per riferimento, determinare la fotocorrente generata dalle sub-celle superiore e centrale della cella solare utilizzato come un sensore di luce per ogni posizione (per una discussione dettagliata su come stimare superiore e medio photocurrents dai segnali registrati durante il decadimento flash vedere 11).
    2. Disegnare un grafico che rappresenta la corrente fotoelettrica approssimata in funzione della distanza lente--ricevente per top e middle Sub-cellule.
    3. Confrontare i risultati ottenuti con la lente di Fresnel ADG acromatica con quello della lente SoG Fresnel.
  2. L'elaborazione dei risultati ottenuti con misurazione della fotocamera CCD.
    1. Identificare il centroide della luce nelle fotografie scattate con la fotocamera CCD.
      Nota: Il " centroide della luce " di una mappa di irradianza distribuzione è il centro della zona in cui il livello di irraggiamento è superiore al 90% dell'irradianza massima della mappa.
    2. Una volta identificato il centroide spot, definire un numero di possibili raggi e, per ciascuno di essi, calcolare la percentuale di luce contenute all'interno del cerchio per quanto riguarda l'irradianza totale contenuta nella fotografia.
    3. Calcolare il raggio. Essa è definita come il raggio contenente il 95% dell'irraggiamento totale.
      Nota: Un valore di 95% è stato scelto al fine di evitare un spot artificialmente grande a causa del rumore causato dalla luce procedendo da fonti esterne, cioè, diretto dalla lampada allo xeno o luce dall'ambiente circostante.
    4. Ripetere i passaggi di elaborazione da 3.4.1. a 3.4.3. per le misure con uno specchio di piatti caldo e freddo.
    5. Tracciare un grafico che rappresenta il diametro del punto luce in funzione della distanza lente--ricevente rispetto alla posizione ottima (dimensione minima macchia) per luce rossa e blu (hot mirror e misure specchio freddo, rispettivamente).

Representative Results

I risultati più importanti ottenuti da prove sperimentali precedentemente descritti sono i seguenti:
-Comportamento acromatico di lente di Fresnel ADG è stata dimostrata utilizzando misure della camera CCD (Figura 7).
-L'efficienza ottica (proporzionale alla corrente misurata dalla cella MJ utilizzata come un sensore di luce) di Fresnel l'ADG lente Mostra una grande tolleranza quando la cella viene spostata dalla distanza focale ottima e lungo l'asse di distanza focale (Figura 8).
-La dimensione del cast spot dalla lente ADG Mostra una grande tolleranza per diverse temperature (Figura 9).

L'evoluzione del diametro del punto in funzione della distanza lente--ricevente è illustrato nella Figura 7 per lenti, una lente di SoG Fresnel convenzionale e la lente di Fresnel di ADG. La parte superiore e centrale Sub-cellule sono state analizzate separatamente per mezzo di due filtri dicroici, uno caldo specchio filtraggio luce con una lunghezza d'onda superiore a 700 nm e uno specchio freddo filtrare luce cui lunghezza d'onda è inferiore a 700 nm. In Figura 7a, si vede che i minimi delle due curve sono sfollati. Questo è a causa di aberrazione cromatica: poiché l'indice di rifrazione per lunghezze d'onda corte è superiore, il punto focale per la luce blu è più vicino alla lente. Quindi, il punto minimo per la luce blu è spostato a sinistra (verso la lente) e il punto minimo per la luce rossa è spostato a destra (verso l'infinito). Al contrario, in Figura 7b, si può osservare che, per la lente di Fresnel ADG, la posizione del punto minimo per la luce blu corrisponde esattamente con il punto minimo per luce rossa, dimostrando che l'obiettivo acromatico comportamento.

L'evoluzione della fotocorrente normalizzata generata da una cella solare MJ illuminata da una lente di concentrazione come funzione della distanza relativa cella-lente è illustrata nella Figura 8. L'aspetto più ampio della curva per la lente di Fresnel ADG significa che, grazie al design acromatico, ha una maggiore tolleranza ad uno spostamento della lente dalla sua posizione ottimale lungo l'asse ottico di una lente di SoG Fresnel convenzionale. Di conseguenza, ADG lenti sono più tolleranti di errori di montaggio o di qualsiasi fenomeno che cambia la distanza focale, ad esempio, una variazione di temperatura.

Infine, la variazione della luce spot cast dalla lente in funzione della temperatura di lente è illustrato nella Figura 9. La parte superiore e centrale Sub-cellule sono state analizzate separatamente per mezzo di filtri dicroici (caldi e freddi specchi). Lenti sono stati messi all'interno della camera termica con un vetro di copertura trasparente per controllare la loro temperatura12. I grafici nella Figura 9 mostrano come la variazione di temperatura ha un impatto minore sulla lente Fresnel ADG rispetto sul riferimento lente di SoG Fresnel. Infatti, per questi ultimi, per un incremento di temperatura di 20 ° C, l'espansione della dimensione dello spot luce è significativo: il diametro è di circa il 30% più grande per la Sub- cella superiore e fino al 60% più grande per la Sub-cella centrale. Al contrario, per l'obiettivo ADG, anche nel peggiore dei casi l'aumento è inferiore al 20%. Ciò significa che anche in condizioni di funzionamento all'aperto con forte escursione termica, utilizzando la lente ADG renderebbe le prestazioni di sistema più stabile.

Figure 7
Nella figura 7. Diametro del punto misurato in funzione della distanza lente--ricevente. Diametro dello spot è definito come che compreso il 95% dell'energia. Linee rosse tratteggiate rappresentano spot diametri per lunghezze d'onda (quelli in genere convertito dalla Sub-cella centrale a celle solari MJ, vale a dire., 650-900 nm) e blu linee continue rappresentano spot diametri per lunghezze d'onda più corta (quelli in genere coperto dal subcell superiore, vale a dire, 350-650 nm). (un) SOG Fresnel lente, lente (b), ADG Fresnel. Questa figura è stata modificata da8. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 8
Figura 8. Normalizzato fotocorrente generata da una cella solare MJ cui diametro è di 3 mm in funzione della distanza relativa cella-a-lente. Ogni curva è stato diviso dal suo valore massimo. Lo zero nell'asse x per tre lenti rappresenta la distanza focale ottimale (dove il posto minimizza). Fondo curve rappresentano i photocurrents normalizzato generato dalla parte superiore (circolari marcatori) e medio Sub-cellule (contrassegni triangolari). ADG_v2 è un design migliorato della lente Fresnel di ADG. La corrente normalizzata prodotta dalla cella solare MJ (il valore minimo tra la parte superiore e centrale photocurrents) è stata osservata per motivi di chiarezza. Questa figura è stata modificata da 13. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 9
Nella figura 9. Dimensione di punto relativo in funzione della temperatura dell'obiettivo. (A) risultati relazionati alla Sub-cella superiore (misurazione effettuata utilizzando un filtro dicroico specchio caldo). (B) risultati relazionati alla Sub-cella centrale (misurazione effettuata utilizzando un filtro dicroico specchio freddo). La relativa dimensione dello spot è ottenuta dividendo la dimensione dello spot per il valore minimo misurato per ogni obiettivo. Questa figura è stata modificata da13. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussion

Il metodo proposto per la caratterizzazione delle lenti di Fresnel ADG include due procedure diverse: il primo utilizza celle solari come sensori di luce, mentre la seconda si basa su una camera CCD.

Applicando la cella solare base di procedura, la fotocorrente generata da una cella solare MJ è stato misurato utilizzando diverse lenti di Fresnel come concentratori. Come descritto nel protocollo, il simulatore solare CPV fa uso di una lampada flash allo xeno che emettono luce che viene riflessa su uno specchio parabolico. Un tal specchio genera un fascio di luce collimato sul piano misura (coincida con l'apertura dell'obiettivo). A causa delle tolleranze di fabbricazione di specchio e rugosità superficiale, non è uniforme sul piano misura la luce collimata. La non uniformità dell'irraggiamento creato dal simulatore solare è la principale fonte di errore nella nostra misure sperimentali10. Poiché grandi lenti integrano l'irraggiamento piano di misurazione su una vasta area, l'errore a causa della non uniformità dipende dalle dimensioni della lente. Simulatore solare per sistemi CPV utilizzati presso l'Istituto di energia solare raggiunge un'uniformità migliore del ± 5% per 3 x 3 cm ottica9. Per la lente di Fresnel ADG testata qui, cui apertura ottica è 40 x 40 mm, l'effetto di non uniformità sopra la misura può essere critico. Per ridurre tale incertezza, un obiettivo di riferimento è rimisurato prima di svolgere qualsiasi esperimento. Inoltre, quando l'esecuzione di queste misure, è fondamentale prestare particolare attenzione durante l'allineamento della cella e la lente. Infatti, la cella solare deve essere posizionato esattamente centrato con lo spot luminoso gettato dalla lente al fine di evitare il disallineamento, perché se viene utilizzato un cattivo posizionamento iniziale, la riduzione di corrente fotoelettrica a causa di defocalizzazione è alterata. Un altro errore che può verificarsi è quello causato da fattori diversi ombreggiatura della griglia anteriore metallizzazione (cella solare MJ utilizzata come un sensore è calibrato utilizzando irraggiamento uniforme ma le lenti cast un profilo di forma gaussiana su di esso durante le misure). Per garantire che la metallizzazione non interessano i risultati sperimentali, è utile effettuare diverse misurazioni spostando la lente e, di conseguenza, il punto luminoso sul piano ricevitore. Se la corrente fotoelettrica misurato varia significativamente quando spostando leggermente il punto luminoso, vuol dire che la griglia di metallizzazione sta interessando le misurazioni.

Ci sono altri metodi adatti per misurare il rendimento ottico di un obiettivo primario, ad esempio, utilizzando sensori di irraggiamento termico come termopile10. Lo svantaggio principale di questo approccio è che la risposta di un sensore termico è troppo lenta per qualsiasi fonte di flash di luce. Quindi, può essere applicato solo alle misure all'aperto (che sono molto sensibili alla distribuzione spettrale di irraggiamento e altri fenomeni atmosferici). Con il metodo proposto, questa limitazione è evitato.

Inoltre, utilizzando la cella solare basato su procedura, sarebbe anche possibile ottenere la dimensione del cast spot luce da una lente. A tal fine, il photocurrents generato da diverse celle solari MJ dello stesso tipo e diverse, ma simili dimensioni devono essere misurate. Per le celle di cui dimensioni sono inferiori rispetto il cast spot luce dall'obiettivo, la fotocorrente misurato diminuisce al diminuire della superficie delle cellule a causa della luce che si rovesciano fuori dalla cella. Al contrario, la corrente fotoelettrica rimane costante per le celle solari MJ cui dimensione è più grande il punto luminoso, poiché indipendentemente dalla superficie delle cellule, tutta la luce trasmessa dalla lente raggiunge la cella solare. Di conseguenza, la dimensione del punto luminoso è uguale alla dimensione della cella più piccola che raggiunge la massima efficienza. Per questo metodo, maggiore è il numero di celle solari utilizzate, maggiore la risoluzione.

Poiché un insieme di celle solari adatte effettuare le misurazioni descritte non è sempre disponibile, la procedura di telecamera CCD è stato proposto per misurare la dimensione di punto luce. Grazie alla ampia gamma dinamica del sensore CCD, utilizzando fotografie del punto luminoso scattato con la fotocamera, un accurato confronto tra i valori di picco e Valle è possibile. Al fine di calcolare il valore assoluto dell'irradianza, una calibrazione dell'intero set-up, tra cui i filtri e telecamera CCD, sarebbe necessaria. Tuttavia, dalle fotografie, è possibile separare l'area illuminata dalla zona scura sopra un'immagine e, quindi, stimare la dimensione di punto luce. Gli svantaggi principali di questa tecnica sono la discrepanza spettrale tra il sensore CCD e una cella solare MJ e il rumore prodotto da fonti di luce diverse dal fascio collimato generato dal simulatore solare. Per quanto riguarda il primo problema, aggiungendo uno specchio caldo o freddo per la telecamera, è possibile ottenere una risposta spettrale molto simile a quella della parte superiore e le sub-cellule centrale (Vedi Figura 6). Inoltre, al fine di limitare il rumore di fondo, è necessario oscurare completamente la camera del simulatore CPV. Poiché è quasi impossibile evitare completamente le fonti di luce esterne, l'elaborazione delle immagini è molto importante e deve essere ben programmato. Il punto più critico è l'eliminazione del rumore di fondo. Filtraggio del rumore può essere parzialmente automatizzato ma, a causa della forte dipendenza con fattori esterni che sono difficilmente prevedibili, ogni immagine elaborata viene sottoposto a un esame visivo.

La procedura di CCD consente di ottenere l'evoluzione della dimensione dello spot luce in funzione della temperatura obiettivo aggiungendo al sistema una camera termica dove sono collocati i lenti. In questo caso, oltre le fonti di errore descritto in precedenza, incertezza deriva da misure di temperatura lente. La termocoppia di controllo (quello collegato direttamente al computer) non rappresenta la temperatura reale dell'obiettivo perché il sensore è collocato in un punto della camera termica nelle vicinanze ma non direttamente collegato alle lenti da misurare. Di conseguenza, la temperatura misurata mediante una termocoppia di tali è una temperatura media dell'ambiente circostante le lenti e non corrisponde necessariamente alla temperatura reale dell'obiettivo. Ecco perché ogni obiettivo come collegare una termocoppia indipendente è suggerito. Tuttavia, c'è probabilmente un gradiente di temperatura tra i diversi punti della lente. Per quantificare questa incertezza, una volta che la camera termica raggiunge la temperatura desiderata, e prima di eseguire qualsiasi misurazione, è meglio aspettare 15-20 minuti per lasciare che la temperatura del sistema diventa più uniforme possibile.

Disclosures

Non abbiamo nulla di divulgare.

Acknowledgments

Questo lavoro è stato parzialmente supportato dal Ministero spagnolo dell'economia e competitività nell'ambito del progetto Acromalens (ENE2013-45229-P) e ha ricevuto finanziamenti dal programma di innovazione nell'ambito del progetto CPV e ricerca Orizzonte 2020 dell'Unione europea Una partita sotto grant accordo No 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