Indoor experimentelle Bewertung der Effizienz und der Bestrahlungsstärke vor Ort von der achromatischen Doublet auf Glas (ADG) Fresnel-Linse für die Konzentration Photovoltaik

1. Objektiv mit Ray-Tracing-Simulation Modelling Modellvorbereitung Import ADG Fresnel Linse Geometrie in Raytracing Simulationssoftware und Materialeigenschaften wie Transmission eingerichtet und Brechungsindex. Hinweis: Das ADG Fresnel-Design wurde am Solar Energy Institute entwickelt und besteht aus Computer-Code basierend auf grundlegende Optik Grundsätze wie Fermat ' s Prinzip und Snell ' s Recht. Dispersion Kurven der Komposition des Objektivs Materialien wurden verwendet, die Design-Methode zu entwickeln. Eine detaillierte Beschreibung der Design-Methode wird an anderer Stelle präsentiert 4. Richten Sie eine Lichtquelle mit Liegenschaften der Sonne wie eckige Blende und Spektralverteilung. Stellen Sie einen Empfänger in einer Entfernung von der Linse gleich der nominalen Brennweite. Abbildung 1. Screenshot des Raytracing Simulationsmodells. Es ist möglich, die Lichtquelle, die ADG Fresnel-Linse (bestehend aus dem Glassubstrat, das Elastomer und Kunststoff Bi-Fresnel-Linse) und der Empfänger verwendet zur Messung der Bestrahlungsstärke auf die Blende (Objektiv Empfänger) und Bestrahlungsstärke an der Ausfahrt (solar zu beobachten Zelle Empfänger). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. die Simulation ausführen und gewünschte Ergebnisse wie die maximal erreichbare Konzentration und Objektiv optische Effizienz zu berechnen. Erreichbare Konzentration ist definiert als das Verhältnis zwischen optischer Blende und den Bereich des Empfängers wo Ort geworfen wird. Optische Wirkungsgrad ist definiert als das Verhältnis zwischen der Macht auf den Empfänger und die Macht an der Linse optische Blende 10. Hinweis: Der Bereich des Empfängers ist viel größer als der Lichtpunkt durch die Linse gegossen, um sicherzustellen, dass der Empfänger jeden Sonnenstrahl durch das Objektiv übertragen sammelt. Auf diese Weise nimmt der berechneten optischen Wirkungsgrad Verluste aufgrund von Materialien Absorption, Reflexion und Herstellung von Abhängigkeiten (Formschrägen und Tipp an Ecke und Täler Rundung). Wiederholen Sie die Schritte 1.1. und 1.2. Simulation einer herkömmlichen Silikon-auf-Glas (SoG) Fresnel anstelle einer ADG Fresnel-Linse als Benchmark verwendet werden. 2. Solarzelle Charakterisierung Abbildung 2. Sonnensimulator für Konzentrator-Solarzellen. Foto von der Solarsimulator Solarzellen unter konzentrierten Bestrahlungsstärke zu charakterisieren. Auf der Oberseite der Abbildung ist es möglich, die Lampe zu beobachten, deren Position der Konzentration bestimmt. Auf der Unterseite ist die Messebene mit Referenz-Komponente-Solarzellen und der Prüfling gezeigt. Auf der linken Seite der Fotografie ist es möglich, die elektronische Geräte (Stromversorgung und DAQ) und der Computer verwendet, um die Charakterisierung zu schätzen wissen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Kalibrierung der Sonnensimulator für Solarzellen Charakterisierung legen in der Solarsimulator der Komponente Referenzzellen (oben, Mitte und unten), auch bekannt als Klassen, die unter Referenz kalibriert wurden Spektrum und der Prüfling (DUT), d. h. der Solarzelle zu messenden. Hinweis: Legen Sie die Referenzzellen und Prüfling möglichst nah beieinander um mögliche Fehler durch ungleichmäßige Beleuchtung bei der Messebene reduzieren. Justieren Sie die Flash-Lampe Positionierung (Höhe) um die gewünschte Konzentration erreicht. Je weiter die Lampe ist aus der Marktbewertung Flugzeug, je niedriger die Konzentration erreicht. Die spektrale Verteilung hängt von der Position der Lampe und die Blitzintensität. Fügen Sie die notwendigen Filter um die spektrale Verteilung anzupassen. Die Vorgehensweise um eine Verteilung der Referenzspektrum ähnlich zu erhalten wird in Schritt 2.2.1. Schließen Sie die Klassen und DUT die Daten Akquisition (DAQ) gegenüber der Solarsimulator. Mit einem Texteditor, erstellen Sie eine Textdatei mit der Polarisation-Werte in die Zelle Strom-Spannung (IV) Kurve Messung verwendet werden. Die Textdatei enthält eine Zeile pro Spannung Punkt. Mehr Spannung Punkte führen zu höheren Kurvendefinition. Da alle Beteiligten Solarzellen MJ Solarzellen sind, bestehen die Polarisation Werte mit Werten zwischen 0 V und 3.1 V. Messungen die Lichtintensität in der Flash-Zerfall hat einen ersten Höhepunkt und dann beginnt zu sinken ( Abbildung 3). Die spektrale Lichtverteilung wird auch in der Flash-Puls geändert. Eine konventionelle MJ-Solarzelle besteht aus drei Sub-Zellen mit verschiedenen Bandlücken, die in Reihe geschaltet sind. Jede Sub-Zelle wandelt Strom in einem anderen Teil des Sonnenspektrums. Der von der MJ-Solarzelle erzeugte Strom ist daher immer von der Sub-Zelle produziert die wenigsten aktuellen begrenzt. Um eine genaue Messung durchzuführen, wählen Sie eine Bestrahlungsstärke wo beide Klassen, entspricht der oberen und mittleren Sub Zellen genau das gleiche Niveau der Bestrahlungsstärke zeigen. Dies bestätigt, dass die Zelle unter der Zielmarke Konzentration und Spektrum gemessen wird. Die Tatsache, dass die Bestrahlungsstärke durch die untere Sub Zelle angegeben nicht deckungsgleich sind, kann vernachlässigt werden. Und zwar deshalb, weil kommerzielle Solarzellen Ge-basierte MJ nie aktuelle begrenzt durch diese Sub-Zelle sind. Abbildung 3 zeigt eine grafische Erläuterung dieses Verfahrens. Einmal die gewünschte Bestrahlungsstärke Ebene für die Messung wird identifiziert, starten Sie den IV-Test. Der Simulator liest Polarisation Punkte aus der Textdatei definiert im Schritt 2.1.4.; für jeden Punkt der Ausrüstung polarisiert die Zelle mit der gewünschten Spannung, löst den Blitz und misst die von der Solarzelle erzeugten Strom. Das Wertepaar Strom und Spannung, die IV-Kurve ist, wird auf dem Computerbildschirm angezeigt. Hinweis: Von der IV-Kurve, es ist möglich, der Kurzschlussstrom (ich sc), Leerlaufspannung (V Oc), Füllfaktor (FF) und Effizienz des Prüflings zu öffnen (auch wenn in den nächsten Abschnitten nur die Kurzschluss-Strom verwendet wird). Wiederholen Schritt 2.2.2. mit verschiedenen Konzentrationen zu überprüfen, dass die Solarzelle Fotostromes linear von der Konzentration abhängt Ebene (siehe Abbildung 4), und daher die kalibrierte Zelle als Lichtsensor, verwendet werden kann Die Bestrahlungsstärke auf der Brennebene der Linse zu bestimmen. Für jede Konzentration einstellen die spektrale Verteilung des Blitzlichtes mit entsprechenden Filtern, um Messungen durchzuführen wenn sowohl Klassen, oberen und mittleren Sub Zellen, geben Sie den gleichen Bestrahlungsstärke, wie in Schritt 2.2.1. Abbildung 3. Zeitliche Entwicklung der gemessenen Größen während der Flash-Zerfall. In der Grafik wurde es sofort markiert die Isotype Zellen, bis zum oberen und mittleren Sub Zellen derselben Bestrahlungsstärke Ebene messen. Im Anschluss an die schwarz gestrichelte Linie der oberen und mittleren Teilelemente aus der Schnittmenge der entsprechenden Kurven beginnt, ist es möglich, den Prüfling Stromwert (schwarzer Kreis) als der Strom gemessen in genau in dem Moment in dem oberen und mittleren Referenz zu identifizieren Sub-Zellen sehen das gleiche Niveau der Bestrahlungsstärke. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Abbildung 4. (A) Regelung des Setups verwendet, experimentelle Tests durchzuführen. (B) Foto des experimentellen Aufbaus und seiner Komponenten (Lichtquelle mit Integration von Kugel, Linse Probe, CCD-Kamera und Solarzellen als Lichtsensoren verwendet). Der Parabolspiegel und Filter sind nicht sichtbar auf diesem Foto. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. 3. Objektiv Charakterisierung. Abbildung 5. Graphen, die Entwicklung des Fotostromes generiert von einer MJ-Solarzelle als Funktion der Konzentration darstellt. Erwartungsgemäß gibt es eine lineare Abhängigkeit. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur. Setup Vorbereitung. Mount 3-Achsen Positionierung Plattform automatisiert: ein Computer assistierte beweglichen Plattform in der Lage, genau zu steuern, die relative Position zwischen den kalibrierten Solarzelle/CCD-Kamera und das Objektiv gemessen werden. Überprüfen Sie, dass die 3-Achsen automatisierten Positionierung Plattform perfekt horizontal mit Hilfe einer Wasserwaage. Montieren die Solarzelle/CCD-Kamera-Unterstützung auf der Plattform ' bewegen Halter so, dass es möglich ist, seine Position entlang x, y und Z-Achsen Steuerung s. Montieren der Linsenträger auf der Plattform vor der beweglichen Halter im Schritt 3.1.2 beschrieben. Mit dem beweglichen Halter auf den x- und y Achsen, es ist möglich, das Objektiv in Bezug auf die Solarzelle/CCD Kamera Ziel perfekt zentriert. Verschieben die Halterung entlang der Z-Achse, es ist möglich, der Solarzelle/CCD-Kamera-Ziel in der optimalen Brennpunkt des Objektivs (minimale Spotgröße) platzieren und verschieben Sie sie entlang der optischen Achse. Schließen Sie jedes Gerät (automatisierte Positionierung Plattform, DAQ-Board zur Messung der Zelle Fotostromes, CCD-Kamera und Xenon-Lampe) an den Computer verwendet, um die gesamte experimentelle Test durchzuführen Testen Sie den Anschluss und den Betrieb aller angeschlossenen Geräte. Öffnen Sie die Software, die Steuerung der Solarsimulator für CPV und drücken Sie die Taste " Puls Licht " um einen Blitz zu schießen. Wenn der Flash-Verfall-Grafik ähnlich wie Abbildung 3 sieht, es bedeutet, dass DAQ-Board, Xenon-Lampe, Isotype Teilzelle und DUT richtig funktionieren. Öffnen Sie die Software, die Steuerung der CCD-Kamera zu überprüfen, dass die Kamera ordnungsgemäß funktioniert. Die Software steuert die Computer unterstützte Plattform öffnen und verwenden, um die bewegliche Halterung entlang der drei Achsen zu bewegen. Also, wählen Sie eine Achse zu tun die Achsen auf die oben aufgeführten Links im Softwarefenster, und fügen Sie dann eine Position in " Bewegung absolut " und Puls " laufen ". Wenn die beweglichen Halter bewegt sich wie erwartet, es bedeutet, dass der bewegliche Plattform richtig funktioniert. Clean und Ort das Objektiv auf die feste Unterstützung gemessen werden montiert auf der automatisierten Positionierung Plattform. Vor des Sensors, setzen Sie entweder einen heißen Spiegel (kurz-Pass filter Blockieren Licht, dessen Wellenlänge ist mehr als 700, nm) oder einem kalten Spiegel (lange pass Filter Blockieren Licht, dessen Wellenlänge kürzer als 700 ist, nm). Hinweis: Schritt 3.1.7. ist nur für Messungen mit der CCD-Kamera erforderlich. Benutzen Sie den beweglichen Halter zum Zentrieren der Solarzelle/CCD-Kamera in Bezug auf die Linse und platzieren Sie es im optimalen Fokuspunkt. Mit einem beliebigen Texteditor, erstellen Sie eine Textdatei, die in jeder Zeile die Koordinaten entsprechend eine Messstelle (Objektiv-Empfänger auf Distanz) aus einer Position der Zelle/CCD Kamera 5 mm näher an der Linse als die optimale Brennweite ab und bis zu einer Position 5 mm. Messphase Solarzelle Messungen Hinweis: genauso wie der Solarsimulator für Solarzellen beschrieben im vorherigen Abschnitt, die Lichtintensität und die spektrale Verteilung der Sonnensimulator für CPV ändert sich während der Flash-Zerfall. Die grafische Darstellung des Flash-Zerfalls ist ähnlich wie mit der solar-Simulator für Konzentratorzellen im Schritt 2.2.1 beschrieben erhalten. und in Abbildung 3 dargestellt. Gibt es ein ersten Höhepunkt und dann vermindert. Die spektrale Lichtverteilung ändert sich während der Flash-Zerfall. Die Messung erfolgt im Moment wo geben Sie beide Klassen, entspricht der oberen und mittleren Sub Zellen den gleichen Bestrahlungsstärke. Hinweis: Im Gegensatz zu dem Fall des solar-Simulator für Solarzellen in diesem Fall das einzige Steuerelement wir über die Bestrahlungsstärke Ebene haben ist die Flash-Lichtintensität und neutrale Filter sobald die optimale Bestrahlungsstärke Ebene identifiziert wurde, es ist möglich, beginnen die Test. Für jede Position im Schritt 3.1.9 definiert., das Blitzlicht ausgelöst. Der Simulator erzeugt dann eine Textdatei mit Daten-Signale in den Flash-Zerfall, woraus es möglich ist, Solarzelle ableiten, aktuelle Generation unter Licht durch die Linse konzentriert. Wiederholen Sie die Schritte aus 3.1.7. zu 3.2.1.3. für jedes Objektiv gemessen werden. CCD Kamera Messungen für jede Position in 3.1.9 definiert., mit der CCD-Kamera fotografieren Sie das erzeugte Licht spot. Hinweis: Der CCD-Sensor der Kamera gekoppelt mit einem heißen oder kalten Spiegel hat eine spektrale Antwort ähnlich der oberen und mittleren Sub Zelle bzw. (siehe Abbildung 6). Außerdem, um Fotos mit nützlichen Informationen zu erhalten, ist es notwendig, einige Vorkehrungen zu treffen. Erstens muss die Lichtstärke des Blitzes eingestellt werden, um ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis und, zur gleichen Zeit nicht sättigen den CCD-Sensor. Dazu ist es möglich, direkt die Blitzstärke ändern oder neutrale Filter verwenden, um das gewünschte Bestrahlungsstärke Niveau zu bekommen. Zweitens ist es wichtig, dass die Simulatorkammer völlig dunkel, den Einfluss von externen Lichtquellen auf Messungen zu vermeiden ist. Temperaturmessungen legen Sie das Objektiv zu messen insIDE die Wärmekammer verwendet, um die Linse Temperaturregelung während dem Test Mit der Wärmekammer variieren die Objektiv Temperatur von 10 ° C bis 50 ° C mit Schritten gleich 10 ° C. Dazu legen Sie die Linsen in eine Wärmekammer mit eine transparente Frontabdeckung. Messung für verschiedene Temperaturen mit der CCD-Kamera in der gleichen Weise in 3.2.2.1 beschrieben vornehmen . Hinweis: Die Temperatur des Objektivs getestet wird direkt durch Thermoelemente attached to it. gemessen. Die Temperaturdifferenz über die Linsen-Oberfläche ist weniger als 2 ° c Abbildung 6. Spektrale Antwort (SR) der CCD-Kamera-Silizium-Sensor gefiltert nach einem kalten Spiegel oder ein Hitze-Glas (leere Punkte) die SR der mittleren und oberen Sub Zellen einer 3 J Gitter abgestimmt Solarzelle (feste Punkte) zu simulieren. Diese Zahl verändert wurde, vom 10. Verarbeitung mit Solarzelle Messung erzielten Ergebnisse. Using kalibriert Isotype Zellbestandteile als Referenz, bestimmen die Fotostromes erzeugt durch die oberen und mittleren Sub Zellen der Solarzelle verwendet als Lichtsensor für jede Position (für eine detaillierte Diskussion über die oberen und mittleren schätzen Photoströme aus den Signalen aufgezeichnet beim Flash-Zerfall siehe 11). Zeichnen Sie ein Diagramm, die Vertretung der angenäherten Fotostromes als Funktion des Abstandes Linse-Empfänger für die oberen und mittleren Sub Zellen. Vergleichen Sie die Ergebnisse der ADG achromatische Fresnel-Linse mit derjenigen der SoG Fresnel-Linse. Verarbeitung mit CCD Kamera Messung erzielten Ergebnisse. Identifizieren den Schwerpunkt des Lichts auf den mit der CCD-Kamera aufgenommenen Fotos. Hinweis: Die " Schwerpunkt des Lichts " einer Bestrahlungsstärke Karte Verteilung ist das Zentrum des Gebiets deren Bestrahlungsstärke über 90 % der maximalen Einstrahlung der Karte ist. Vor Ort Schwerpunkt identifiziert, definieren eine Reihe von möglichen Radien und für jede Berechnung des Prozentsatzes von Licht innerhalb des Kreises in Bezug auf die totale Bestrahlungsstärke enthalten auf dem Foto enthalten. Berechnen Sie den spot Radius. Es ist definiert als der Radius mit 95 % der gesamten Einstrahlung. Hinweis: Ein Wert von 95 % wurden ausgewählt, um eine künstlich großen Fleck wegen des Lärms, verursacht durch Licht ausgehend von externen Quellen zu vermeiden, d. h. direkt von der Xenonlampe oder Licht aus der Umgebung. Wiederholen Sie die Verarbeitungsschritte von 3.4.1., 3.4.3. für Messungen mit einem warmen und kalten Spiegel. Plotten ein Diagramms Vertretung des hellen spot Durchmessers in Abhängigkeit von der Objektiv-Empfänger Abstand in Bezug auf die optimale Position (minimale Spotgröße) für blaues und rotes Licht (heiße Spiegel und kalten Spiegel Messungen).