تقييم تجريبي داخلي للكفاءة والإشعاع بقعة ليبنوا متعامي على الزجاج (مساعد المدير العام) فريسنل العدسة لتركيز وحدات الطاقة الشمسية
Summary
يبنوا متعامي على الزجاج (مساعد المدير العام) فريسنل العدسة يجعل استخدام المواد اثنين مع التشتت المختلفة للحد من انحراف لوني وزيادة تركيز يمكن بلوغه. ويرد في هذه الورقة، وبروتوكول لتوصيف كامل لعدسة “فريسنل مساعد المدير العام”.
Abstract
نحن نقدم طريقة لتميز متعامي فريسنل العدسات للتطبيقات الكهربائية الضوئية. يبنوا متعامي عن عدسة فريسنل الزجاج (مساعد المدير العام) تتكون من مواد اثنين وبلاستيك والاستومر، تختلف خصائصها التشتت (التباين الانكسار مع الطول الموجي). تصميم هندسة العدسة لأول مرة، وثم يستخدم المحاكاة تتبع أشعة، استناداً إلى أسلوب مونت كارلو، لتحليل أدائه من وجهة نظر الكفاءة البصرية وتركيز يمكن بلوغه الحد الأقصى. بعد ذلك، كانت تصنع النماذج عدسة “فريسنل مساعد المدير العام” باستخدام طريقة بسيطة وموثوق بها. وهو يتألف من حقنه السابقة من قطع البلاستيك وتصفيح متتالية، جنبا إلى جنب مع الاستومر وركيزة زجاج اختﻻق النيابة العامة من “المدير العام المساعد فريسنل” العدسات. يتم فحص دقة التشكيل الجانبي للعدسة المصنوعة باستخدام مجهر ضوئي حين يتم تقييم أدائها البصرية باستخدام جهاز محاكاة شمسية للنظم الكهربائية الضوئية المركزة. جهاز محاكاة تتكون من مصباح فلاش زينون ينعكس الذين الضوء المنبعثة من مرآة مكافئ. وقد الضوء وتحديدالمنطقه توزيع طيفي وفتحه زاوي مشابه للحقيقي الشمس. كنا قادرين على تقييم الأداء البصري للعدسات “فريسنل مساعد المدير العام” بأخذ صور فوتوغرافية للإشعاع الموضعية التي يدلي بها العدسة باستخدام كاميرا جهاز اقتران (CCD) وقياس فوتوكورينت المتولدة عن عدة أنواع من الوصلات المتعددة (MJ) الطاقة الشمسية الخلايا، التي اتسمت سابقا في جهاز محاكاة شمسية للخلايا الشمسية المركزة. وقد أثبتت هذه القياسات سلوك متعامي العدسات “فريسنل مساعد المدير العام”، ونتيجة، ومدى ملاءمة وضع نماذج وأساليب الإنتاج.
Introduction
جهاز تركيز الطاقة الشمسية (الحزب الشيوعي الفيتنامي) تكنولوجيا واعدة خفض تكلفة الكهرباء المعتمدة على الطاقة الشمسية نظراً لأن هذه التكنولوجيا يمكن الاستفادة من تحسن تدريجي سريع في كفاءة متقدمة متعددة الخلايا الشمسية مفرق (MJ). هذه الأجهزة تتكون من عدة خلايا الفرعية (عادة ثلاثة واسمه الأعلى والأوسط والأسفل) كل منها مصنوعة من أشباه الموصلات المختلفة المجمع. وقد كل خلية فرعية bandgap مختلفة أسفرت عن استجابة طيفية مختلفة، مما يتيح لكل تحويل الكهرباء جزءا متميزاً من الطيف الشمسي. وبهذه الطريقة، الخلايا الشمسية MJ قادرة على استغلال مجموعة واسعة من الطيف الشمسي (عادة 300-1800 نانومتر) تحقيق الكفاءة قيم أعلى من نسبة 46 في المائة تحت الضوء المركزة1. بغية التعويض عن التكلفة العالية لمثل هذه الأجهزة الضوئية، تستخدم النظم البصرية لتركيز الإشعاع عليها، مما يقلل من تكلفة النظام النهائي. حاليا، تستند معظم أنظمة (هكبف) الضوئية المتاحة تجارياً عالية التركيز سيليكون على الزجاج (مجموعة العمليات الخاصة) الهجين فريسنل العدسات2. في جميع النظم الضوئية الانكسارية، زيغ هو العامل الأكثر شدة انخفاض أداء العدسة من حيث تركيز يمكن بلوغه بحد أقصى3 (أي، الحد الأدنى الخفيفة بقعة المنطقة). الاستفادة من عدسة أتشروماتيك، هي عدسة مع لوني مخفضة للغاية، فمن الممكن لزيادة تركيز يمكن بلوغه الحد الأقصى دون حاجة لأي العناصر الضوئية الإضافية (المشار إليها كعناصر الضوئية الثانوية 4 , 5).
تصميم العدسات أتشروماتيك (عادة تسمى doublets متعامي نظراً لأنها ملفقة اقتران اثنين من المواد ذات الخصائص المختلفة التشتت) كانت معروفة منذ القرن الثامن عشر. يبنوا متعامي التقليدية تتألف من نظارات مختلفة اثنين: الأول يسمى التاج وقد تشتت منخفضة، بينما تسمى ثانية واحدة فلينت وقد تشتت عالية. بيد أن التكاليف الإجمالية لهذه الأنواع من النظارات وتجهيزها يجعلها يمكن تحملها بالنسبة لأنظمة هكبف. لانجوي والمؤلف المشارك المقترح يبنوا متعامي للحزب الشيوعي الفيتنامي وتتألف من اثنين من البلاستيك: poly(methyl methacrylate) (البولي ميثيل ميثا اكريلات) والبولي (PC)6. في هذه المادة، إجراء تحليل مقارن في التكوينات المختلفة ومزاياها قدم ولكن دون معالجة manufacturability وقابلية التوسع في إنتاج عالية.
قد تم تصميم عدسة “فريسنل المدير العام المساعد” المقترح هنا في مثل هذه طريقة أن يكون الضوء على موجه قصيرة معينة (الضوء “الأزرق”) وموجه طويلة معينة (الضوء “الأحمر”) بالضبط نفس البعد البؤري. طريقة تصميم doublets متعامي القياسية يمكن الاطلاع على تفاصيل في أي مكان آخر7. نفذت عدة عمليات المحاكاة تتبع أشعة لبيان التحسينات التي تم الحصول عليها باستخدام عدسة “فريسنل مساعد المدير العام” بدلاً من عدسة فريسنل مجموعة العمليات الخاصة تقليدية. وقدم تقريرا مفصلاً عن النتائج التي تم الحصول عليها في4. النتيجة الأكثر أهمية أنه عند استبدال عدسة فريسنل مجموعة العمليات الخاصة تقليدية مع عدسة “فريسنل مساعد المدير العام”، يزيد تركيز يمكن بلوغه حوالي ثلاث مرات مع الاحتفاظ بنفس الكفاءة البصرية. وعلاوة على ذلك، ومنذ عملية التصنيع8 المتوخاة للحصول على المدير العام المساعد جداً مشابهة لتلك المستخدمة لاختلاق العدسات مجموعة العمليات الخاصة، وسيتم الحصول على الزيادة في تركيز دون زيادة كبيرة في التكاليف.
نقدم هنا بروتوكولا للقيام بوصف شامل لمركزات تتألف عدسة الابتدائي انكسارية ونطبق هذا البروتوكول إلى عدسة فريسنل مجموعة العمليات الخاصة تقليدية (يستخدم كمعيار) ونماذج عدة من عدسة “فريسنل مساعد المدير العام”. للقيام بذلك، استخدم جهاز محاكاة شمسية للحزب الشيوعي الفيتنامي. قدم وصفاً تفصيليا للمحاكاة وجميع مكوناته، فضلا عن مبادئها التشغيل وفي أماكن أخرى9.
Protocol
Representative Results
Discussion
الطريقة المقترحة لوصف العدسات “فريسنل مساعد المدير العام” يتضمن إجراءات مختلفة اثنين: الأول يستخدم الخلايا الشمسية كأجهزة استشعار الضوء، بينما يستند الثاني إلى كاميرا CCD.
تطبيق الخلية الشمسية على أساس الإجراء، وقد تم قياس فوتوكورينت التي تم إنشاؤها بواسطة خلية شمسية MJ استخدام عدسات فريسنل مختلفة كمركزات. كما ورد في البروتوكول، محاكاة الشمسية الحزب الشيوعي الفيتنامي يجعل استخدام مصباح الزينون فلاش التي ينبعث منها الضوء الذي ينعكس في مرآة مكافئ. هذه مرآة يولد شعاع ضوء وتحديدالمنطقه على متن الطائرة قياس (المصادف فتحه العدسة). بسبب مرآة الصناعة التحويلية التحمل وخشونة السطح، على ضوء وتحديدالمنطقه ليست موحدة على متن الطائرة قياس. عدم تماثل الإشعاع تم إنشاؤها بواسطة جهاز محاكاة الطاقة الشمسية هي المصدر الرئيسي للخطأ في القياسات التجريبية لدينا10. منذ دمج عدسات كبيرة الإشعاع في الطائرة قياس على مساحة كبيرة، الخطأ بسبب عدم التجانس يعتمد على حجم العدسة. جهاز محاكاة الشمسية للحزب الشيوعي الفيتنامي النظم المستخدمة في معهد الطاقة الشمسية يبلغ تماثل أفضل من ± 5% ل البصريات 3 × 3 سم9. لاختبار هنا عدسة “فريسنل مساعد المدير العام”، الذين الفتحة الضوئية 40 × 40 مم، أثر عدم الاتساق عبر القياس يمكن أن تكون حاسمة. من أجل الحد من عدم اليقين هذا، عدسة مرجع إعادة قياس قبل إجراء أي تجربة. وعلاوة على ذلك، عند الاضطلاع بهذه القياسات، أنه أمر بالغ الأهمية لتوخي الحذر خاصة أثناء محاذاة الخلية والعدسة. وفي الواقع، قد الخلية الشمسية لتوضع بالضبط على محورها مع بقعة الضوء التي يدلي بها العدسة لتفادي اختلالها، لأنه إذا تم استخدام المواقع الأولية سيئة، هو تغيير الحد فوتوكورينت بسبب عدم. خطأ آخر قد تحدث التي تسببها عوامل التظليل المختلفة للشبكة التلميع الجبهة (MJ الشمسية الخلية المستخدمة في معايرة جهاز استشعار استخدام الإشعاع موحدة ولكن العدسات يلقي ملف تعريف شكل ضبابي على ذلك خلال القياسات). للتأكد من أن التلميع لا يؤثر على النتائج التجريبية، أنها مفيدة القيام بقياسات عدة مما أدى إلى تشريد العدسة، ونتيجة لذلك، بقعة الضوء على متن الطائرة جهاز استقبال. إذا فوتوكورينت قياس يختلف كثيرا عندما تتحرك قليلاً بقعة الضوء، فهذا يعني أن الشبكة التلميع تؤثر على القياسات.
وهناك أساليب أخرى مناسبة لقياس كفاءة البصري لعدسة الأساسية، مثلاً، باستخدام أجهزة استشعار الإشعاع الحراري مثل ثيرموبيليس10. ويعتبر العيب الرئيسي لهذا النهج أن استجابة جهاز استشعار حراري بطيء جداً لأي مصدر ضوء الفلاش. ولذلك، يمكن أن تطبق فقط على القياسات في الهواء الطلق (وحساسة للغاية للتوزيع الطيفي للإشعاع وغيرها من الأحوال الجوية). باستخدام الأسلوب المقترح، يتم تجنب هذا القيد.
بالإضافة إلى ذلك، باستخدام الخلايا الشمسية على أساس الإجراء، وأنه سيكون من الممكن الحصول على حجم المدلى بها بقعة الضوء بعدسة. للقيام بذلك، تحتاج فوتوكورينتس الذي تم إنشاؤه بالخلايا الشمسية MJ عدة من نفس النوع ومختلفة ولكن أحجام مماثلة يمكن قياسها. للخلايا التي حجمها أصغر من المدلى بها بقعة الضوء من العدسة، يقلل فوتوكورينت المقاسة كخلية الانخفاضات السطحية بسبب الضوء تمتد خارج الخلية. على العكس من ذلك، فوتوكورينت يظل ثابتاً للخلايا الشمسية MJ حجمها أكبر من بقعة الضوء، حيث يصل جميع الضوء المرسلة بواسطة العدسة بغض النظر عن سطح الخلية، الخلية الشمسية. ولذلك، يساوي حجم بقعة ضوء حجم الخلية الأصغر التي يبلغ أقصى قدر من الكفاءة. لاستخدام هذا الأسلوب، تستخدم كلما زاد عدد من الخلايا الشمسية، في أعلى القرار.
نظراً لمجموعة من الخلايا الشمسية مناسبة القيام بالقياسات الموصوفة ليست متاحة دائماً، اقترح إجراء كاميرا CCD لقياس حجم بقعة الضوء. وبفضل دينامية واسعة النطاق لاتفاقية مكافحة التصحر الاستشعار، باستخدام الصور فوتوغرافية بقعة الضوء التي اتخذت مع الكاميرا، ومن الممكن إجراء مقارنة دقيقة بين القيم القصوى ووادي. ولحساب القيمة المطلقة للإشعاع، معايرة لإنشاء أسرة، بما في ذلك عوامل التصفية وكاميرا CCD، سيكون من الضروري. ومع ذلك، من الصور، ومن الممكن لفصل المنطقة المضاءة من منطقة مظلمة أكثر من صورة، وهكذا، تقدير حجم بقعة الضوء. العوائق الرئيسية لهذا الأسلوب هي الطيفية عدم التطابق بين اتفاقية مكافحة التصحر الاستشعار وخلية شمسية MJ والضوضاء التي تنتجها مصادر الضوء المختلفة من شعاع وتحديدالمنطقه المتولدة عن محاكاة الطاقة الشمسية. فيما يتعلق بالمشكلة الأولى، عن طريق إضافة مرآة الساخنة أو الباردة للكاميرا اتفاقية مكافحة التصحر، ومن الممكن للحصول على استجابة طيفية مماثلة جداً للأعلى والأوسط الخلايا الفرعية (انظر الشكل 6). بالإضافة إلى ذلك، من أجل الحد من الضوضاء الخلفية، من الضروري تماما تغميق الدائرة بمحاكاة الحزب الشيوعي الفيتنامي. نظراً لأنه من المستحيل تقريبا تماما تجنب مصادر الضوء الخارجي، تجهيز الصورة مهم جداً ويجب أن تكون مبرمجة جيدا. أن الخطوة الأكثر أهمية هو القضاء على الضوضاء الخلفية. تصفية الضوضاء يمكن أن يكون آليا جزئيا، ولكن بسبب الاعتماد الشديد مع العوامل الخارجية التي لا يمكن التنبؤ بها، يخضع كل صورة المجهزة فحص البصري.
يمكن استخدام الإجراء اتفاقية مكافحة التصحر للحصول على تطور حجم بقعة الضوء كدالة لدرجة حرارة العدسة بإضافة إلى النظام دائرة حراري حيث يتم وضع العدسات. في هذه الحالة، بالإضافة إلى مصادر الخطأ الموصوفة سابقا، ينشأ عدم التيقن من قياسات درجات الحرارة العدسة. التحكم الحرارية (واحدة متصلة مباشرة بالكمبيوتر) لا تمثل درجة حرارة العدسة الحقيقية للاستشعار وضعت في نقطة الدائرة الحرارية قريبة لكن لا ترتبط مباشرة بالعدسات لقياس. ولذلك، أن درجة الحرارة تقاس باستخدام مثل هذه الحرارية متوسط درجة حرارة البيئة المحيطة بالعدسات وأنها لا تتطابق بالضرورة إلى درجة حرارة العدسة الحقيقية. هذا لماذا يوصي بربط كل عدسة الحرارية مستقلة. ومع ذلك، هناك على الأرجح تدرج درجة الحرارة بين نقاط مختلفة من العدسة. من أجل تحديد مقدار عدم اليقين هذا، مجرد قاعة الحرارية يحقق درجة الحرارة المطلوبة، وقبل القيام بأي قياس، فمن الأفضل الانتظار 15-20 دقيقة للسماح لدرجة حرارة النظام أصبحت موحدة قدر الإمكان.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
دعمت هذا العمل جزئيا بالإسبانية وزارة الاقتصاد والقدرة التنافسية في إطار مشروع أكرومالينس (ENE2013-45229-P) وأنها تلقت تمويلاً من أفق 2020 البحث الاتحاد الأوروبي في والابتكار البرنامج ضمن مشروع الحزب الشيوعي الفيتنامي المباراة في إطار المنحة 640873 أي اتفاق.
Materials
| 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 |
References
- 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).
- Lorenzo, E., Sala, G. . Sun II. , 536-539 (1979).
- Victoria, M. . New Concepts and Techniques for the Development of High-Efficiency Concentrating Photovoltaic Modules. , (2014).
- Vallerotto, G., et al. Design and modeling of a cost-effective achromatic Fresnel lens for concentrating photovoltaics. Opt. Express. 24, A1245 (2016).
- 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).
- 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, A280 (2011).
- Hecht, E. . Optics, Third Edition. , (1998).
- Vallerotto, G., Askins, S., Victoria, M., Antón, I., Sala, G. A novel achromatic Fresnel lens for high concentrating photovoltaic systems. AIP Conf. Proc. , 050007 (2016).
- Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. Solar simulator for concentrator photovoltaic systems. Opt. Express. 16, 14894 (2008).
- 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).
- 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).
- Askins, S., Victoria, M., Herrero, R., Domínguez, C., Antón, I., Sala, G. Effects of Temperature on Hybrid Lens Performance. AIP Conf. Proc. , 57-60 (2011).
- Vallerotto, G., Askins, S., Victoria, M., Antón, I., Sala, G. Experimental Characterization of Achromatic Doublet on Glass (ADG) Fresnel Lenses. AIP Conf. Proc. , (2017).
