Verimlilik ve fotovoltaik konsantre için cam (ADG) Fresnel Lens üzerinde akromatik eş fincan olma kapalı deneysel değerlendirilmesi

Engineering
 

Summary

Camına akromatik gelir (ADG) Fresnel lens yapar farklı dağılımı ile iki malzemelerin renk sapmaları azaltmak ve ulaşılabilir konsantrasyonu artırmak için kullanın. Bu yazıda, ADG Fresnel lens tam karakterizasyonu için bir protokol sunulmuştur.

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

Biz akromatik Fresnel lens fotovoltaik uygulamalar için tanımlamak için bir yöntem mevcut. Akromatik tamamen cam (ADG) Fresnel lens üzerinde iki malzeme, bir plastik ve kimin dağılım özellikleri (dalga boyu ile Kırılma indisi varyasyon) farklı bir elastomer oluşmaktadır. Biz ilk lens geometri tasarlanmış ve ray-tracing simülasyon, Monte Carlo yöntemiyle alan--dan görüş optik verimlilik ve maksimum ulaşılabilir konsantrasyon onun performansını çözümlemek için kullanılır. Daha sonra basit ve güvenilir bir yöntem kullanarak ADG Fresnel lens prototipleri üretildi. Bir önceki enjeksiyon plastik parçalar ve bir üst üste laminasyon, elastomer ve ADG Fresnel lens parke imal etmek cam alt katman ile birlikte oluşur. İmal edilmiş objektif profil doğruluğunu bir optik mikroskobu kullanırken optik performansını güneş simülatörü için yoğunlaştırıcı fotovoltaik sistemler kullanılarak hesaplandı incelenir. Simülatör bir xenon flaş lamba ışık verilmiş olan parabolik bir ayna tarafından yansıtılır oluşur. Collimated ışık tayf dağıtım ve açısal diyafram gerçek benzer güneş var. Biz şarj kuplajlı cihaz (CCD) kamera kullanarak ve çeşitli çoklu birleşim (MJ) güneş tarafından üretilen photocurrent ölçme objektif artığını olma spot alarak fotoğraflarını tarafından ADG Fresnel lens optik performansını değerlendirmek başardık hücreleri, daha önce bir güneş simülatörü yoğunlaştırıcı güneş hücreleri için de karakterize. Bu ölçümler akromatik davranış ADG Fresnel lens ve bir sonucu, üretim yöntemleri ve modelleme uygunluğu olarak gösterdi.

Introduction

Yoğunlaştırıcı fotovoltaik (VBM) bu teknoloji hızlı Artımlı geliştirme gelişmiş çoklu verimliliğini Kavşağı (MJ) güneş hücreleri yararlanabilir çünkü güneş tabanlı elektrik maliyetini azaltmak için umut verici bir teknolojidir. Bu aygıtların her biri farklı bir yarı iletken bileşik yapılır birkaç alt hücrelerinin (genellikle üç üst, orta ve alt adlandırılan) oluşur. Her alt hücre her elektrik güneş spektrum farklı bir parçası dönüştürmek sağlar başka bir spektral yanıt sonuçlanan bir farklı bandgap vardır. Bu şekilde, MJ güneş hücreleri daha yoğun ışık1altında % 46'sı yüksek değerlerini elde geniş güneş spektrumunun (genellikle 300-1800 nm) istismar yeteneğine sahiptirler. Bu tür fotovoltaik cihazlar yüksek maliyet için telafi etmek için optik sistemleri son sistem maliyetini azaltan olma onlara konsantre için kullanılır. Şu anda, çoğu ticari olarak mevcut yüksek konsantrasyon fotovoltaik (HCPV) sistemleri silikon cam (SoG) hibrid Fresnel lens2üzerinde temel alır. Tüm refraktif optik sistemleri, renk sapması en ağır objektif performans açısından maksimum ulaşılabilir konsantrasyon3 (Yani, minimum ışık spot alan) azalan faktördür. Herhangi bir ek optik elemanları (ikincil optik öğeler olarak anılacaktır için ihtiyaç olmadan maksimum ulaşılabilir konsantrasyon önemli ölçüde artırmak mümkün olduğunu bir achromatic lens ile diğer bir deyişle, son derece düşük renk sapmaları ile bir lens kullanımı yapma 4 , 5).

Achromatic (çünkü onlar iki malzeme farklı dağılım özellikleri ile kaplin cihazlarında genellikle akromatik birini denir) lens tasarımı 18 yüzyıldan beri bilinen olmuştur. Geleneksel akromatik tamamen iki farklı bardak oluşmaktadır: Birincisi taç denir ve düşük dispersiyon, sahipken ikincisi flint denir ve yüksek dağılım var. Ancak, bu tür gözlük ve bunların işlenmesini toplam maliyeti onları satın alınacak HCPV sistemler için yapar. Languy ve co-yazar önerilen akromatik bir kütleye VBM iki plastik oluşan için: poly(methyl methacrylate) (PMMA) ve Polikarbonat (PC)6. Onların makalede, farklı konfigürasyonları ve kendilerine göre üstünlükleri bir karşılaştırmalı analizi sundu ama onların dezavantajlari ve ölçeklenebilirlik, yüksek üretim hitap olmadan.

Burada önerilen ADG Fresnel lens ışık bir belirli kısa dalga boyu ("mavi" ışık) ve bazı uzun dalga ("kırmızı" ışık), tam olarak aynı odak mesafesine sahip şekilde tasarlanmış. Ayrıntılar için standart akromatik birini tasarım yönteminin7başka bir yerde bulunabilir. ADG Fresnel lens yerine geleneksel bir özel harekat Fresnel lens ile elde edilen gelişmeler göstermek için birkaç ray-tracing simülasyonlar gerçekleştirilen. Elde edilen sonuçlar üzerinde ayrıntılı bir rapor4' te sunuldu. ADG Fresnel lens ile geleneksel bir özel harekat Fresnel lens yerine zaman ulaşılabilir konsantrasyonu yaklaşık üç kat aynı optik verimliliği korunarak arttığını en önemli sonucudur. Ayrıca, üretim süreci beri8 ADG elde etmek için öngörülen özel harekat lensler imal etmek istihdam çok benzer ki, konsantrasyon artış maliyeti önemli ölçüde artırmadan elde edilir.

Burada yoğunlaştırıcıları refraktif birincil lens oluşan kapsamlı bir karakterizasyonu gerçekleştirmek için bir iletişim kuralı mevcut ve biz (bir kriter olarak kullanılan) bir geleneksel SoG Fresnel lens hem birkaç ADG Fresnel lens prototip bu iletişim kuralı uygulanır. Bunu yapmak için bir güneş simülatörü VBM için kullanılmıştır. Simülatör ve tüm bileşenleri yanı sıra çalışma ilkelerini, ayrıntılı bir açıklama başka bir yerde9sundu.

Protocol

1. lens Ray-Tracing simülasyon kullanarak modelleme

  1. Model hazırlık
    1. alma ADG Fresnel lens geometri ray-tracing simülasyon yazılımı ve geçirgenliği gibi malzeme özelliklerini ayarlamak ve Kırılma indisi.
      Not: Güneş Enerji Enstitüsü ADG Fresnel tasarım geliştirilmiş ve Fermat gibi temel optik ilkelere dayalı bilgisayar kodu oluşur ' s prensip ve Snell ' s hukuk. Dağılımı eğrileri objektif beste malzemelerin tasarım yöntemi geliştirmek için kullanılmaktadır. Tasarım yöntemi ayrıntılı bir açıklamasını başka bir yerde 4 sundu.
    2. Bir ışık kaynağı ile açısal diyafram ve spektral dağıtım gibi güneşin gerçek özellikleri ayarlayın.
    3. Objektif bir mesafede bir alıcı nominal odak uzaklığı eşit yerleştirin.

Figure 1
şekil 1. Işın İzlemeli simulasyon modeli ekran görüntüsü. Işık kaynağı, (cam alt katman, elastomer ve plastik BI-Fresnel lens oluşan) ADG Fresnel lens ve olma objektif diyafram (objektif alıcı) ve çıkış (güneş olma ölçmek için kullanılan alıcıları gözlemlemek mümkündür hücre alıcı). Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

  1. benzetim çalıştırın ve maksimum ulaşılabilir konsantrasyon ve objektif optik verimlilik gibi istenen sonuçları hesaplamak. Ulaşılabilir konsantrasyon objektif optik diyafram ve spot nerede döküm alanı alıcı arasındaki oranı olarak tanımlanır. Optik verimliliği alıcı, güç ve güç objektif optik diyafram 10 arasındaki oranı olarak tanımlanır.
    Not: Alıcı çok alıcının lens tarafından iletilen her ışın toplar sağlamak için objektif tarafından döküm ışık spot daha büyük alanıdır. Bu şekilde, hesap kayıp malzemeleri emme, yansıma ve kısıtlamaları (taslak açı ve köşe ve vadiler yuvarlama ipucu) üretim nedeniyle hesaplanan optik verimliliği alır.
  2. Tekrar adımları 1.1. ve 1.2. kriter olarak kullanılmak üzere bir geleneksel silikon cam (SoG) Fresnel ADG Fresnel lens yerine simüle.

2. Güneş pili karakterizasyonu

Figure 2
Şekil 2. Güneş simülatörü yoğunlaştırıcı güneş hücreleri için. Güneş hücreleri konsantre olma altında karakterize etmek için kullanılan güneş simülatörü fotoğraf. Şekil üstünde olan pozisyon konsantrasyon düzeyini belirler lamba gözlemlemek mümkündür. Alt başvuru bileşen güneş hücreleri ve DUT ölçüm uçakla gösterilir. Fotoğrafın sol tarafta, elektronik donanımları (güç kaynağı ve DAQ) ve karakterizasyonu gerçekleştirmek için kullanılan bilgisayar takdir mümkündür. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

  1. Kalibrasyon güneş pili karakterizasyonu için güneş simülatörü
    1. yer içinde güneş simülatörü bir başvuru altında kalibre isotypes olarak da bilinen başvuru bileşen hücreleri (üst, orta ve alt) spektrum ve cihazın test (DUT), diğer bir deyişle, güneş ölçülecek pili altında.
      Not: hücrelere başvurma ve DUT yakın birlikte üniform olmayan aydınlatma, ölçme uçak nedeniyle olası hataları azaltmak için koymanız.
    2. (Yükseklik) konsantrasyon istenen seviyeye ulaşmak için konumlandırma flash lamba ayarlayın. Daha lamba olduğunu ölçme üzerinden uçak, elde düşük konsantrasyon.
      1. Spektral dağıtım lamba ve flash yoğunluğu konumuna bağlıdır. Spektral dağıtım ayarlamak için gerekli filtreleri ekleyin. Bir dağıtım için başvuru spektrum benzer elde etmek için bu yordamı 2.2.1. adımda anlatılan.
    3. İsotypes ve DUT güneş simülatörü veri alma (DAQ) kartına takın.
    4. Bir metin düzenleyicisi kullanarak hücre akım-gerilim (IV) eğrisi ölçüm içinde kullanılmak üzere polarizasyon değerleri içeren bir metin dosyası oluşturun. Metin dosyasının gerilim noktası başına bir satır içerir. Daha fazla voltaj puan daha yüksek eğrisi tanımında neden. Dahil güneş hücreleri MJ güneş hücreleri olduğundan, değer 0 V ve V. 3.1 arasında polarizasyon değerleri oluşuyor
  2. Ölçümleri
    1. flaş çürüme boyunca ışık şiddeti ilk bir tepe vardır ve o zaman ( şekil 3) azalmaya başlar. Işık tayf dağıtım flash nabız da değiştirilir. Geleneksel bir MJ güneş pili ile seri bağlı farklı bandgaps üç alt hücre oluşur. Her alt hücre elektrik güneş spektrum farklı bir kısmını dönüştürebilirsiniz. Bu nedenle, MJ güneş pili tarafından oluşturulan mevcut her zaman en az geçerli üreten alt hücre tarafından sınırlıdır. Doğru bir ölçüm gerçekleştirmek için nerede tam olarak aynı olma düzeyi Orta alt hücreleri ve üst için karşılık gelen her iki isotypes göstermek bir olma düzeyi seçin. Bu hücreyi hedef toplama düzeyi ve spektrum altında ölçülür onaylar. Alt alt hücre tarafından belirtilen olma düzeyi rastlantısal değildir aslında ihmal. Ticari Ge tabanlı MJ güneş pilleri asla bu alt hücre geçerli sınırlı olmasıdır. şekil 3 gösteriyor bu yordamı grafik açıklaması.
    2. Bir kez istenen olma düzeyi ölçümü için tanımlanır, IV test başlatın. 2.1.4. adımda tanımlanan metin dosyasından polarizasyon Puan simülatör okur.; her noktası için ekipman hücre istenen gerilim, polarizes, flaş tetikler ve güneş pili tarafından oluşturulan akım ölçer. IV eğri olduğunu, akım ve gerilim değerleri çifti bilgisayar ekranında görüntülenir.
      Not: IV eğrisi elde etmek mümkün kısa devre akımı (Ben sc), voltaj (V oc), doldurma faktörü (FF) ve DUT verimliliğini açma (yalnızca kısa devre akımı sonraki bölümlerde kullanılır rağmen).
    3. Tekrarlama adım 2.2.2. güneş pili photocurrent doğrusal olarak konsantre bağlı kontrol etmek için farklı konsantrasyon düzeylerde düzeyinde (bkz. şekil 4) ve dolayısıyla, kalibre edilmiş hücre için bir ışık sensörü olarak kullanılabilir objektif odak düzlemi, olma belirlemek. Ölçümleri gerçekleştirmek için uygun filtreler kullanarak flaş ışığı spektral dağıtımını her konsantrasyon düzeyini ayarlamak ne zaman isotypes, üst ve orta alt hücreleri belirtmek aynı olma düzeyi adım 2.2.1 açıklandığı gibi.

Figure 3
şekil 3. Zaman flash çürüme boyunca ölçülen büyüklükleri evrimi. Üst ve orta alt hücreleri, karşılık gelen izotip hücreleri aynı olma düzeyi ölçüldüğünde grafik üzerinde o an işaretlenmiş. Üst ve orta subcells için karşılık gelen eğrilerin kesişim başlayan siyah Kesikli çizgi, kesin bir zaman hangi üst ve orta referans olarak ölçülen geçerli olarak DUT geçerli değeri (Siyah Daire) tanımlamak mümkündür alt hücreleri bkz: aynı olma düzeyi. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
şekil 4. Deneysel test dışarı taşımak için kullanılan kurulum şeması (a). (B) fotoğraf deneysel kurulum ve parçalarının (entegre Küre, objektif örnek, CCD kamera ve güneş ışık sensörleri kullanılan hücre ile ışık kaynağı). Parabolik ayna ve filtreler bu fotoğrafta görünür değildir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

3. lens karakterizasyonu.

Figure 5
şekil 5. Konsantrasyonu bir fonksiyonu olarak bir MJ güneş pili tarafından oluşturulan photocurrent evrimi temsil eden grafik. Beklendiği gibi doğrusal bir bağımlılık yoktur. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

  1. Kurulum hazırlığı.
    1. Dağı 3-eksen otomatik konumlandırma platformu: bir bilgisayar destekli hareketli platform doğru kalibre edilmiş güneş pili/CCD kamera ve lens ölçülecek arasında göreli konumu kontrol edebilmek.
      1. 3-eksen otomatik konumlandırma platformu mükemmel bir kabarcık düzeyi kullanarak yatay olup olmadığını denetleyin.
    2. Güneş pili/CCD fotoğraf makinesi desteği platformda mount ' x, y ve z eksenleri boyunca konumunu kontrol etmek mümkün şekilde tutucu hareket s.
    3. Platformu 3.1.2. adımda anlatılan hareketli tutucu önünde lens desteğinde bağlayın. Hareketli tutucu kullanarak x ve y eksenleri, mükemmel objektif güneş pili/CCD kamera amacı ile ilgili olarak ortalamak mümkündür. Tutucu z ekseni boyunca hareket, güneş pili/CCD kamera objektif lens (en küçük nokta boyutu) en uygun odak noktasında yerleştirmek için ve onun optik eksen boyunca taşımak için mümkün mü.
    4. Her aygıt (otomatik konumlandırma platformu, hücre photocurrent, CCD kamera ve ksenon lamba ölçmek için DAQ kurulu) tüm deneysel test gerçekleştirmek için kullanılan bilgisayara bağlayın
    5. Bağlantı ve tüm bağlı aygıtların çalışmasını test edin.
      1. Güneş simülatörü VBM için kontrol yazılımını açın ve düğmesine basın " ışık nabız " bir flaş ateş için. Flash çürüme grafik şekil 3 ' e benzeyen DAQ yönetim kurulu, ksenon lamba, izotip subcells ve DUT düzgün çalıştığından demektir.
      2. CCD kamera kamera düzgün şekilde çalıştığını kontrol etmek için kontrol yazılımını açın.
      3. Bilgisayar destekli hareketli platform kontrol yazılımını açın ve hareketli sahibi üç eksen boyunca taşımak için kullanabilirsiniz. Seçin bir eksen arasında yapmak için üst üzerinde listelenen eksenleri yaptı yazılım penceresi sonra bir konumda Ekle " hareket mutlak " ve nabız " çalıştırmak ". Hareketli tutucu beklendiği gibi oynarsa, hareketli platform düzgün çalışıyor demektir.
    6. Temiz ve yer sabit destek ölçülecek objektif monte otomatik konumlandırma platformda.
    7. Önünde makinesinin sensörünün yerleştirin ya da sıcak bir ayna (kısa-pass filtre engelleme ışık olan dalga boyu 700 uzun nm) veya soğuk bir ayna (uzun filtre engelleme ışık olan dalga boyu 700 kısa pas nm).
      Not: Adım 3.1.7. Sadece CCD kamera kullanarak ölçüleri için gereklidir.
    8. Güneş pili/CCD kamera lens ile ilgili olarak ortalayın ve en uygun odak noktasına yerleştirmek için hareketli tutucu kullanın.
    9. Herhangi bir metin düzenleyicisi kullanarak her satırında en uygun odak mesafe daha objektif için hücre/CCD kamera 5 mm daha yakın bir konumdan başlayarak bir ölçüm noktası (belli bir objektif alıcı mesafe) karşılık gelen koordinatlar içeren bir metin dosyası oluşturmak ve bir konuma 5 mm daha fazla kadar.
  2. Ölçüm faz
    1. güneş pili ölçümleri
      Not: Güneş simülatörü güneş hücreleri için aynı şekilde açıklanan önceki bölümde, ışık şiddeti ve güneş simülatörü için spektral dağılımı Flash çürüme boyunca VBM değişiklikleri. 2.2.1. adımda anlatılan yoğunlaştırıcı hücreler için güneş simülatörü ile elde edilen bir flaş çürüme grafik gösterimi benzer. ve şekil 3 ' te görülen. İşte bir ilk zirve ve sonra azalır. Flash çürüme boyunca ışık tayf dağıtım değişiklikleri. Ölçüm şu anda nerede üst ve orta alt hücreleri, karşılık gelen her iki isotypes aynı olma düzeyi göstermek gerçekleştirilir.
      Not: Güneş hücreleri için güneş simülatörü olgusu aksine bu durumda olma düzeyi üzerinde elimizdeki tek kontrol birden parlamak ışık şiddeti ve tarafsız filtreler
        en iyi olma düzeyi belirlenmiştir bir kez
      1. , başlamak mümkündür test. 3.1.9. adımda tanımlanan her pozisyon için., flaş ışığı tetikler. Simülatör, daha sonra veri sinyalleri hangi lens tarafından yoğun ışık altında şimdiki nesil güneş pili anlamak mümkün olduğunu flaş çürüme boyunca içeren bir metin dosyası oluşturur.
      2. Tekrar adım 3.1.7. için 3.2.1.3. ölçülecek her lens için.
    2. CCD kamera ölçümleri
      1. 3.1.9 içinde tanımlanan her pozisyon için., CCD kamera almak istimal bir fotoğraf üretilen ışığın spot.
        Not: Sıcak ya da soğuk ayna ile birleştiğinde fotoğraf makinesinin CCD sensör üst ve orta alt hücre, benzer bir spektral yanıt sırasıyla vardır (bkz. şekil 6). Ayrıca, yararlı bilgiler fotoğraflarla almak için bazı önlemler almak gereklidir. İlk olarak, belgili tanımlık birden parlamak ışık şiddeti iyi bir sinyal / gürültü oranı almak ve aynı zamanda, CCD sensör değil emdirmek için ayarlanması gerekir. Bunu yapmak için doğrudan flash yoğunluğunu değiştirmek için veya istenen olma düzeyi almak için tarafsız filtreleri kullanmak için mümkündür. İkinci olarak, simülatörü odası dış ışık kaynakları etkisi ölçümleri önlemek için tamamen karanlık olması önemlidir.
      2. Sıcaklık ölçümleri
        1. koyun olmak objektif ölçülen insIDE test sırasında objektif sıcaklık kontrol etmek için kullanılan termal odası
        2. Termal odası kullanarak farklı adımları eşit 10 ° c ile 50 ° C lens sıcaklığı 10 ° c Bunu yapmak için lens saydam ön kapak ile termal bir oda içine yerleştirin.
        3. Ölçüm için farklı sıcaklıklarda 3.2.2.1 içinde açıklanan aynı şekilde CCD kamera kullanarak yürütmek.
          Not: Test edilen objektif sıcaklığını doğrudan bağlı thermocouples aracılığıyla ölçülür. Lens yüzey üzerinde sıcaklık farkı 2'den daha düşük ° C.

Figure 6
şekil 6. Soğuk bir ayna veya SR bir 3 J kafes eşlemeli güneş pili (katı nokta) orta ve üst düzey alt hücre benzetimini yapmak için bir ısı cam (boş noktalar) tarafından filtre CCD kamera silikon sensörü spektral yanıt (SR). Bu rakam 10 ' dan değiştirildi.

  1. güneş pili ölçümü ile elde edilen sonuçlar işleniyor.
    1. Kalibre kullanma izotip hücre bileşenleri için başvuru, her pozisyon için bir ışık sensörü (üst ve orta tahmin etmek nasıl ayrıntılı bir tartışma için kullanılan güneş pili üst ve orta alt hücreleri tarafından üretilen photocurrent belirlemek photocurrents flash çürüme sırasında kaydedilen sinyalleri 11 ' e bakınız).
    2. Yaklaşık photocurrent üst ve orta alt hücreler için objektif alıcı mesafe bir fonksiyonu olarak temsil eden bir grafik çizin.
    3. Bu özel harekat Fresnel lens ile ADG akromatik Fresnel lens ile elde edilen sonuçlar karşılaştırın.
  2. CCD kamera ölçümü ile elde edilen sonuçlar işleniyor.
    1. Tespit CCD fotoğraf makinesi ile çekilen fotoğraflarda ışığın centroid.
      Not: " centroid ışık " bir olma Haritası dağıtım kimin olma düzeyi haritanın en fazla olma yüzde 90'ını alan ortasıdır.
    2. Nokta centroid tanımlanır sonra bir dizi olası yarıçapları tanımlamak ve, her biri için fotoğrafta yer alan toplam olma ile ilgili olarak daire içinde yer alan ışık yüzdesi hesaplamak.
    3. Nokta yarıçapını hesaplayın. Toplam olma % 95'i içeren RADIUS tanımlanır.
      Not: %95 değeri dış kaynaklardan devam ışık kaynaklanan gürültü nedeniyle yapay olarak büyük bir nokta önlemek için seçildi, Yani, doğrudan xenon ışığı veya çevreye gelen ışık.
    4. Tekrar işleme adım 3.4.1. 3.4.3 için. ölçümleri ile bir sıcak ve soğuk ayna için.
    5. İçin mavi ve kırmızı ışık ışık spot çapı ile ilgili en iyi konumu (en küçük nokta boyutu) objektif alıcı mesafe bir fonksiyonu olarak temsil eden bir grafik Arsa (ayna ve soğuk yansıtmayı ölçümlerini, sırasıyla sıcak).

Representative Results

Yukarıda açıklanan deneysel testlerden elde edilen en önemli sonuçlar şunlardır:
-ADG Fresnel lens akromatik davranışını CCD kamera ölçümleri (Şekil 7) kullanarak gösterilmiştir.
-Optik verimliliği (orantılı bir ışık sensörü kullanılan MJ hücre tarafından ölçülen geçerli) hücre optimum odak mesafesi ve odak mesafesini eksen (şekil 8) boyunca hareket ettiğinde ADG Fresnel lens büyük bir hoşgörü gösterir.
-Spot döküm ADG objektif tarafından boyutunu farklı sıcaklıklarda (Şekil 9) için büyük bir hoşgörü gösterir.

Objektif alıcı mesafe bir fonksiyonu olarak spot çapı evrimi mercekler, bir geleneksel SoG Fresnel lens ve ADG Fresnel lens için Şekil 7 ' de gösterilmiştir. Üst ve orta alt hücreler ayrı ayrı iki dikroik filtreler aracılığıyla analiz edilmiştir, sıcak bir ayna 700 yüksek bir dalga boyu ile filtreleme ışık nm ve bir soğuk ayna olan dalga boyu 700 kısa ışık filtreleme nm. Şekil 7aiçinde iki eğri minima zorla göç ettirilmiş görülebilir. Renk sapmaları nedeniyle bu: kısa dalga boyları için Kırılma indisi daha yüksek olduğu için mavi ışık için odak noktası için objektif yakındır. Daha sonra mavi ışık için minimum nokta soldaki (objektif doğru) yerlerinden ve kırmızı ışık için minimum nokta sağdaki (sonsuz doğru) yerlerinden olduğunu. Bunun tersi olarak, şekil 7biçinde bu ADG Fresnel lens için mavi ışık için minimum nokta konumunu tam olarak kırmızı ışık, objektif akromatik davranışı sergiler kanıtlamak için minimum nokta karşılık geldiğini, görülebilmektedir.

Göreli hücre-cam mesafesi bir fonksiyonu şekil 8' de gösterildiği gibi konsantre bir lens tarafından aydınlatılmış bir MJ güneş pili tarafından oluşturulan normalleştirilmiş photocurrent evrimi. ADG Fresnel lens için eğrinin daha geniş açıdan akromatik tasarımı sayesinde, bu objektif bir deplasman için geleneksel bir özel harekat Fresnel lens daha yüksek bir tolerans optik eksen boyunca optimum pozisyonundan olduğu anlamına gelir. Sonuç olarak, ADG lensler daha hoşgörülü montaj hataları veya değiştirir odak uzaklığı, örneğin, bir sıcaklık değişimi herhangi bir fenomen vardır.

Son olarak, objektif tarafından ışık spot döküm varyasyon objektif sıcaklık fonksiyonu olarak Şekil 9' da gösterilmiştir. Üst ve orta alt hücreleri dikroik filtreler aracılığıyla (sıcak ve soğuk aynalar) ayrı ayrı analiz edilmiştir. Lensler onların sıcaklık12denetlemek için şeffaf bir kapak cam termal bir oda içinde konulmuştur. Şekil 9 grafiklerde nasıl sıcaklık değişimi bir alt başvuru SoG Fresnel lens üzerinde ADG Fresnel lens etkiler gösterir. Aslında, ikincisi, 20 ° c sıcaklık artışı için ışık spot boyutu genişlemesi önemlidir: çapı yaklaşık % 30 üst alt hücre için daha büyük ve 60 's % orta alt hücre için büyük. Aksine, ADG lens için en kötü durumda bile % 20 altında artmasıdır. Yani bile açık çalışma koşulları içinde güçlü termal gezi ile ADG lens kullanarak sistem performansını daha kararlı yapar.

Figure 7
Şekil 7. Spot çapı objektif alıcı mesafe bir fonksiyonu olarak ölçülür. Spot çapı enerjinin o dahil olmak üzere %95 tanımlanır. Kırmızı kesik çizgiler temsil daha uzun dalga boyları için spot çapı (Bu genellikle dönüştürülmüş MJ güneş pilleri, Yaniorta alt hücre tarafından., 650-900 nm) ve mavi sürekli çizgiler temsil daha kısa dalga boyları için spot çapı (Bu genellikle kapalı üst subcell, Yani, 350-650 nm tarafından). (bir) özel harekat Fresnel lens, (b) ADG Fresnel lens. Bu rakam8değiştirildi. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 8
Şekil 8. Normalleştirilmiş photocurrent kimin çapı 3 mm bir göreli hücre cam mesafesi fonksiyonudur MJ güneş pili tarafından oluşturulan. Her eğrinin maksimum değeri tarafından ayrılmıştır. X-ekseninde üç lensler için sıfır (spot nerede azaltır) en uygun odak uzaklığını gösterir. Arka plan eğrileri temsil üst (dairesel işaretleri) tarafından oluşturulan normalleştirilmiş photocurrents ve orta (üçgen işaretleyicileri) alt hücreleri. ADG_v2 geliştirilmiş bir ADG Fresnel lens tasarımı var. MJ güneş pili (üst ve orta photocurrents arasında en az değer) tarafından üretilen normalleştirilmiş geçerli netlik uğruna belirtti. Bu rakam 13değiştirildi. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 9
Şekil 9. Objektif sıcaklık fonksiyonu olarak göreli nokta boyutu. (A)sonuçları üst alt hücre (sıcak dikroik ayna filtre kullanarak yürütülen ölçüm) için ilgili. (B) sonuçları orta alt hücre (soğuk dikroik ayna filtre kullanarak yürütülen ölçüm) için ilgili. Göreli nokta boyutu nokta boyutu bölme her lens için ölçülen en düşük değer elde edilir. Bu rakam13değiştirildi. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Discussion

Yöntem önerilen ADG Fresnel lens karakterizasyonu iki farklı yordamlar içerir: ikinci bir CCD kamera dayalı ışık sensörleri, güneş hücreleri ilk kullanır.

Güneş pili uygulama yordam dayalı, MJ güneş pili tarafından oluşturulan photocurrent farklı Fresnel lens kullanmayı yoğunlaştırıcıları ölçülür. İletişim kuralında tanımlanan, VBM güneş simülatörü yapan parabolik aynaya yansıyan ışık yayan bir xenon flaş lambası kullanın. Böyle bir ayna (lens diyaframı ile çakışık) ölçüm uçakta collimated bir ışık demeti üretir. Ayna imalat toleransları ve yüzey pürüzlülüğü nedeniyle, collimated ışık ölçüm uçakta tek tip değildir. Sigara-tekdüzelik güneş simülatörü tarafından oluşturulan olma hata bizim deneysel ölçümler10ana kaynağıdır. Büyük lensler olma ölçme uçak, büyük bir alan üzerinde entegre beri hata olmayan tekdüzelik nedeniyle objektifin boyutuna bağlıdır. Güneş Enerji Enstitü'de kullanılan VBM sistemler güneş simülatörü için 3 x 3 cm optik9± %5 iyi bir tekdüzelik attains. Burada test ADG Fresnel lens için optik olan diyafram 40 x 40 mm, ölçüm üzerinde bütünlük etkisi kritik olabilir. Bu belirsizlik azaltmak için bir başvuru objektif herhangi bir deney öncesinde yeniden ölçülür. Ayrıca, ne zaman bu ölçümler taşıma, objektif ve hücre hizalama sırasında özellikle dikkat etmek önemlidir. Aslında, güneş pili ile ışık spot bir kötü ilk konumlandırma kullandıysanız, defocusing nedeniyle photocurrent azaltma değiştirilmediğinden objektif tarafından hatalı hizalaması, önlemek için döküm tam olarak ortalanmış yerleştirilen gerekir. Oluşabilecek başka bir açık metallization kılavuz (MJ güneş gibi bir sensör Tekdüzen olma kullanılarak kalibre edilmiş ama lensler bir Gauss şekil profil üzerinde ölçümler sırasında döküm kullanılan hücre) farklı gölgelendirme faktörler nedeniyle oluşan hatadır. Metallization deneysel sonuçlar etkilemiyor emin olmak için çeşitli ölçümler objektif yerinden dışarı ve alıcı uçak ışık oracıkta bir sonucu olarak yürütmek yararlıdır. Ölçülen photocurrent önemli ölçüde ne zaman ışık spot kıpırdadığını değişiyorsa, metallization kılavuz ölçümleri etkiliyor anlamına gelir.

Thermopiles10gibi termal olma sensörleri kullanarak Örneğin, birincil bir lens Optik verimliliğini ölçmek uygun başka yöntemleri de vardır. Bu yaklaşımın en büyük dezavantajı bir termal sensör yanıt için herhangi bir flaş-ışık kaynağı çok yavaş olmasıdır. Bu nedenle, bu sadece (hangi are çok duyarlı olma ve diğer hava koşulları spektral dağıtım) açık ölçümleri için uygulanabilir. Önerilen yöntem ile bu sınırlama önlenmiş olur.

Ayrıca, güneş pili kullanarak temel yordam, ayrıca bir lens tarafından ışık spot döküm boyutunu almak mümkün olacaktır. Bunu yapmak için aynı türden çeşitli MJ güneş hücreleri tarafından oluşturulan ve benzer boyutlarda ama farklı photocurrents ölçülmesi gerekir. Kimin boyutu ışık spot oyuncular tarafından objektif küçüktür hücreler için hücre yüzey düşüşler nedeniyle hücreden dışarı dökülmesini ışık olarak ölçülen photocurrent azalır. Buna karşılık, photocurrent hücre yüzeyine ne olursa olsun, objektif tarafından aktarılan tüm ışık güneş pili ulaşır bu yana olan boyutu ışık spot büyüktür MJ güneş hücreleri için sabit kalır. Bu nedenle, hafif nokta boyutu maksimum verimlilik attains en küçük hücre boyutuna eşittir. Bu yöntem için güneş hücreleri sayısı yükseldikçe kullanılan, daha yüksek çözünürlük.

Güneş hücreleri tarif ölçüleri taşımak için uygun bir dizi her zaman kullanılabilir olmadığından, CCD kamera yordamı hafif nokta boyutunu ölçmek için teklif edildi. Işık spot fotoğraf makinesi ile çekilmiş fotoğraflarını kullanarak CCD sensörü, geniş dinamik aralığı sayesinde tepe ve vadi değerleri arasında doğru bir karşılaştırma mümkündür. Olma mutlak değerini hesaplamak için filtreler ve CCD kamera, dahil olmak üzere kendin, kalibrasyon gerekli olacaktır. Yine de, fotoğraflardan bir resim üzerine koyu alandaki ışıklı alan ayırmak ve böylece, hafif nokta boyutunu tahmin etmek mümkündür. Bu teknik ana sakıncaları CCD görüntü algılayıcı ve MJ güneş pili ve ışık kaynakları tarafından üretilen gürültü arasında spektral uyumsuzluk vardır farklı güneş simülatörü tarafından oluşturulan collimated kiriş. İlgili ilk sorun, CCD kamera, sıcak veya soğuk ayna ekleyerek bu spektral yanıt çok üst ve orta alt hücreleri (bkz. şekil 6), benzer elde etmek mümkündür. Ayrıca, arka plan gürültü sınırlamak için bu tamamen VBM simülatörü TMMOB koyulaştırmak gereklidir. Ondan beri onun'hemen hemen tamamen dış ışık kaynakları önlemek mümkün, görüntü işleme çok önemlidir ve iyi programlanmış olmalı. Arka plan gürültü ortadan kaldırılması için en önemli adımdır. Gürültü filtreleme kısmen otomatik olabilir ama pek tahmin edilebilir dış faktörler ile güçlü bağımlılık nedeniyle işlenmiş her resim bir görsel muayene uğrar.

CCD yordam ışık spot boyutu evrimi bir termal odası lensler yerleştirildiği sisteme ekleyerek lens sıcaklık bir fonksiyonu olarak elde etmek için kullanılabilir. Bu durumda, daha önce açıklanan, hata kaynakları yanı sıra objektif sıcaklık ölçümleri belirsizlik ortaya çıkar. Çünkü görüntü algılayıcı termal odası yakın bir noktasında yerleştirilen ama ölçülecek lensler için doğrudan bağlı denetim ısıl (doğrudan bilgisayara bağlı bir) gerçek objektif sıcaklık temsil etmiyor. Bu nedenle, böyle bir termokupl kullanarak ölçülen sıcaklık lensler çevreleyen ortamın ortalama sıcaklık ve mutlaka gerçek objektif sıcaklığına karşılık gelmiyor. Bu yüzden her lens için bağımsız bir ısıl bağlama önerilir. Yine de, büyük olasılıkla bir sıcaklık gradyanı objektif farklı noktaları arasında. Bu belirsizlik kez istenilen sıcaklık termal odası sağlar ve herhangi bir ölçüm yapmadan önce 15-20 dakika kadar Tekdüzen haline sistem sıcaklık izin beklemek daha iyi ölçmek için.

Disclosures

İfşa etmek yok.

Acknowledgments

Bu eser kısmen Ekonomi ve rekabet İspanyolca Bakanlıkça Acromalens proje (ENE2013-45229-P) kapsamında desteklenen ve Avrupa Birliği'nin ufuk 2020 araştırma ve yenilik programı proje VBM içinde fon aldı Hibe sözleşmesi No 640873 altında aynı.

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