Interior avaliação Experimental da eficiência e da irradiância Spot do dubleto acromático em vidro (ADG) lente de Fresnel para concentrar a energia fotovoltaica

1. lente modelagem utilizando simulação de Ray-Tracing preparação do modelo importação ADG Fresnel geometria da lente em software de simulação de ray tracing e configurar propriedades do material como transmitância e índice de refração. Nota: O design da ADG Fresnel foi desenvolvido no Instituto de energia Solar e consiste de código de computador com base em princípios de óptica básica como Fermat ' princípio de s e Snell ' lei de s. Curvas de dispersão dos materiais compondo a lente têm sido utilizadas para desenvolver o método de projeto. Uma descrição detalhada do método de projeto é apresentada em outro lugar 4. Configurar uma fonte de luz com propriedades real do sol como abertura angular e distribuição espectral. Colocar um receptor a uma distância da lente igual à distância focal nominal. Figura 1. Screenshot do modelo de simulação de ray tracing. É possível observar a fonte de luz, a lente de Fresnel ADG (compreendendo o substrato de vidro, o elastómero e as lentes de Fresnel-bi) e os receptores utilizados para medir a irradiância na abertura da lente (receptor de lente) e irradiância na saída (solar receptor de célula). clique aqui para ver uma versão maior desta figura. executar a simulação e calcular os resultados desejados, tais como a máxima atingível concentração e lente óptica eficiência. Concentração atingível é definida como a razão entre a abertura da lente óptica e a área do receptor onde a mancha é convertida. Eficiência óptica é definida como a razão entre o poder no receptor e a potência com a lente óptica abertura 10. Nota: A área do receptor é muito maior do que o ponto de luz convertida pela lente para garantir que o receptor coleta cada raio transmitido pela lente. Desta forma, a eficiência óptica calculada leva em conta as perdas por absorção de materiais, reflexão e fabricação restrições (projecto ângulos e ponta arredondamento no canto e vales). Repita etapas 1.1. e 1.2. simulando um convencional do silicone-em-vidro (SoG) Fresnel em vez de uma lente de Fresnel de ADG para ser usado como referência. 2. Caracterização da célula solar Figura 2. Simulador solar para células solares de concentrador. Fotografia do simulador solar usado para caracterizar células solares sob irradiância concentrada. Na parte superior da figura, é possível observar a lâmpada cuja posição determina o nível de concentração. No fundo, é mostrado o plano de medição com referência as células solares de componente e o DUT. À esquerda da fotografia, é possível apreciar o equipamento eletrônico (fonte de alimentação e DAQ) e o computador usado para executar a caracterização. clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Calibração do simulador solar para caracterização de célula solar Coloque dentro o simulador solar as referência componente células (superior, médio e inferior), também conhecidas como isotipos, que foram calibrados em uma referência espectro e o dispositivo sob teste (DUT), ou seja, a célula solar a ser medido. Nota: Coloque a referência a células e DUT tão próximos quanto possível, a fim de reduzir possíveis erros devido a iluminação não uniforme no plano de medição. Ajustar a lâmpada de flash (altura) de posicionamento para atingir o nível desejado de concentração. À medida que a lâmpada é de medição de avião, quanto menor a concentração alcançada. a distribuição espectral depende da posição da lâmpada e a intensidade do flash. Adicione os filtros necessários para ajustar a distribuição espectral. O procedimento para obter uma distribuição semelhante ao espectro de referência é descrito na etapa 2.2.1. Conectar os isotipos e DUT para a placa de aquisição de dados (DAQ) do simulador solar. Usando um editor de texto, crie um arquivo de texto contendo os valores de polarização deve ser usado na medição de curva da célula corrente-tensão (IV). O arquivo de texto contém uma linha por cada ponto de tensão. Mais pontos de tensão resultam em maior definição de curva. Uma vez que todos as envolvidos as células solares são células solares MJ, os valores de polarização são compreendidos por valores entre 0 V e 3.1 V. Medições a intensidade da luz em toda a decadência de flash tem um pico inicial e então começa a diminuir ( Figura 3). A distribuição espectral da luz também é modificada durante o pulso do flash. Uma pilha de solar convencional MJ é composta de três células sub com diferentes bandgaps conectados em série. Cada célula sub pode converter energia elétrica em uma parte diferente do espectro solar. Portanto, a corrente gerada pela célula solar MJ é sempre limitada pela célula sub produzindo o menos atual. Para realizar uma medição precisa, selecione um nível de irradiação, onde ambos os isotipos, correspondente à parte superior e médios células sub, indicam exatamente o mesmo nível de irradiância. Isto confirma que a célula é medida sob o nível de concentração de alvo e espectro. O fato de que o nível de irradiância indicado pela célula sub inferior não é coincidente pode ser negligenciado. Isto é porque células solares de MJ Ge-baseado comerciais nunca são corrente limitada por esta célula sub. a Figura 3 mostra uma explicação gráfica deste procedimento. Uma vez o nível desejado de irradiância para medição é identificado, iniciar o teste de IV. O simulador lê pontos de polarização do arquivo de texto, definido na etapa 2.1.4.; para cada ponto, o equipamento polariza a célula com a voltagem desejada, aciona o flash e mede a corrente gerada pela célula solar. O par de valores de tensão e corrente, que é a curva de IV, é exibido na tela do computador. Nota: A partir da curva de IV, é possível obter a corrente de curto-circuito (eu sc), abrir a tensão do circuito (V oc), fator de preenchimento (FF) e eficiência do DUT (mesmo que nas próximas seções, destina-se somente a corrente de curto-circuito). Repeat passo 2.2.2. em níveis de concentração diferentes para verificar que a fotocorrente célula solar depende linearmente a concentração de nível (ver Figura 4) e, portanto, a célula calibrada pode ser usada como um sensor de luz para Determine a irradiação no plano focal da lente. Para cada nível de concentração, ajustar a distribuição espectral da luz flash usando filtros adequados para realizar as medições quando ambos isotipos, superior e médios células sub, indicar o mesmo nível de irradiância, conforme explicado na etapa 2.2.1. Figura 3. Evolução no tempo das magnitudes medidas durante o decaimento de flash. No gráfico, foram marcadas no instante quando as células do isotipo, correspondente à parte superior e médios células sub, medem o mesmo nível de irradiância. Seguindo a linha tracejada preta que começa a partir da interseção das curvas correspondentes ao topo e meio subcells, é possível identificar o valor atual do DUT (círculo preto) como a corrente medida no exato momento em que referência superior e médio células sub ver o mesmo nível de irradiância. clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 4. (A) esquema da instalação utilizada para efectuar testes experimentais. (B) fotografia da instalação experimental e seus componentes (fonte de luz com a integração de esfera, amostra de lente, câmera CCD e células solares utilizadas como sensores de luz). O espelho parabólico e filtros não são visíveis nesta foto. clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 3. Caracterização da lente. Figura 5. Gráfico que representa a evolução da fotocorrente gerada por uma célula solar MJ em função da concentração. Como esperado, há uma dependência linear. clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Setup preparação. Montagem 3-eixos automatizado plataforma de posicionamento: uma computador assistida plataforma móvel capaz de controlar com precisão a posição relativa entre a célula solar calibrado/CCD câmera ea lente a ser medido. Verificar que a plataforma de posicionamento automatizado de 3-eixos é perfeitamente horizontal usando um nível de bolha. a montar o suporte de câmera de célula solar/CCD na plataforma ' s, movendo-se titular de tal forma que é possível controlar sua posição ao longo de x, y e z eixos. Montar o suporte de lente na plataforma na frente o titular em movimento descrito no passo 3.1.2. Usando o titular se movendo no x e y-eixos, é possível centralizar perfeitamente a lente em relação ao objectivo de câmera a célula solar/CCD. Movendo-se o titular ao longo do eixo z, é possível colocar o objetivo da câmera CCD/célula solar no ponto focal ideal da lente (tamanho mínimo de ponto) e movê-lo ao longo do eixo óptico. Conectar cada dispositivo (plataforma de posicionamento automatizada, placa DAQ para medir a fotocorrente celular, câmera CCD e lâmpada de xénon) para o computador usado para executar o teste experimental toda Testar a conexão e funcionamento de todos os dispositivos conectados. Abrir o software controlar o simulador solar de CPV e pressione o botão " pulso de luz " para disparar um flash. Se o gráfico do decaimento flash assemelha-se a Figura 3, isso significa que placa DAQ, lâmpada de xénon, isotipo subcells e DUT estão funcionando corretamente. Abrir o software que controla a câmera CCD, para verificar se a câmera está funcionando corretamente. Abrir o software que controla a plataforma móvel assistida do computador e usá-lo para mover o titular se movendo ao longo dos três eixos. Para fazer assim, selecione um eixo entre os eixos listados no canto superior esquerdo da janela do software, em seguida, inserir uma posição no " movimento absoluto " e pulso " executar ". Se o titular em movimento move-se conforme o esperado, isso significa que a plataforma móvel está funcionando corretamente. Limpo e coloque a lente a ser medido com o apoio fixo montado na plataforma de posicionamento automatizada. Na frente do sensor, coloque um espelho ou quente (curto-pass do filtro bloqueio luz cujo comprimento de onda é mais de 700 nm) ou um espelho frio (passe longo luz bloqueio de filtro, cujo comprimento de onda é inferior a 700 nm). Nota: Passo 3.1.7. é necessário apenas para medições usando a câmera do CCD. Usar o titular se movendo para centralizar a câmera de célula solar/CCD em relação a lente e colocá-lo no ponto focal ideal. Usando qualquer editor de texto, crie um arquivo de texto contendo em cada linha as coordenadas correspondentes a um ponto de medição (uma certa distância lente-para-receptor), a partir de uma posição da célula/CCD câmera 5 mm mais perto para a lente do que a distância focal ideal e até uma posição mais de 5 mm. Fase de medição célula Solar medições Nota: da mesma forma como o simulador solar para células solares descrito na seção anterior, a intensidade da luz e a distribuição espectral do simulador solar para CPV mudanças em toda a decadência de flash. A representação gráfica da decadência flash é semelhante ao obtido com o simulador solar concentrador células descrito na etapa 2.2.1. e representados na Figura 3. Há um pico inicial e depois diminui. As alterações de distribuição espectral da luz em todo o decaimento de flash. A medida é realizada no momento onde ambos os isotipos, correspondente à parte superior e médios células sub, indicam o mesmo nível de irradiância. Nota: Ao contrário do caso do simulador solar para células solares neste caso o único controle que temos sobre o nível de radiação é a intensidade de luz de flash e filtros neutros uma vez que o nível ideal de irradiância foi identificado, é possível começar a teste. Para cada posição definida na etapa 3.1.9., acionar a luz do flash. Em seguida, o simulador gera um arquivo de texto contendo os sinais dados durante o decaimento de flash do qual é possível deduzir a célula solar atual geração sob a luz concentrada pela lente. Repita os passos de 3.1.7. para 3.2.1.3. para cada lente a ser medido. Medições de câmera CCD para cada posição definida em 3.1.9., usando a câmera do CCD, tirar uma fotografia da luz gerada local. Nota: O sensor CCD da câmera juntamente com um espelho quente ou frio tem uma resposta espectral semelhante ao topo e meio sub célula, respectivamente (ver Figura 6). Além disso, a fim de obter fotografias com informações úteis, é necessário tomar algumas precauções. Em primeiro lugar, a intensidade da luz do flash deve ser ajustada a fim de obter uma boa relação sinal-ruído e, ao mesmo tempo, não saturar o sensor CCD. Para isso, é possível modificar diretamente a intensidade do flash ou usar filtros neutros para obter o nível desejado de irradiância. Em segundo lugar, é importante que a câmara de simulador é completamente escura para evitar a influência de fontes de luz externas em medições. As medições da temperatura coloca a lente para ser medido insIDE a câmara térmica, usada para controlar a temperatura da lente durante o teste Usando a câmara térmica, variar a temperatura de lente de 10 ° C a 50 ° C, com passos iguais a 10 ° C. Para fazer isso, coloque as lentes dentro de uma câmara térmica com uma capa transparente. Realizar a medição de temperaturas diferentes, usando a câmera do CCD da mesma maneira descrita na 3.2.2.1. Nota: A temperatura da lente a ser testada é medida diretamente através de termopares anexados a ele. A diferença de temperatura através da superfície de lentes é menor do que 2 ° C. Figura 6. Resposta espectral (SR) do sensor de silício de câmera CCD filtrada por um espelho frio ou um copo de calor (pontos vazios) para simular o SR das células sub médios e superiores de um 3 J retículo-combinadas célula solar (sólidos pontos). Esta figura foi modificada em 10. processamento de resultados obtidos com a medição de célula solar. Using calibrado isotipo célula componentes para referência, determinar a fotocorrente gerado pelas células sub superiores e médios da célula solar, usado como um sensor de luz para cada posição (para uma discussão detalhada sobre como estimar superior e médio photocurrents partir dos sinais gravados durante o decaimento flash referem-se a 11). Desenhar um gráfico que representa a fotocorrente aproximado como uma função da distância lente-para-receptor para a parte superior e médios células sub. Comparar os resultados obtidos usando a lente de Fresnel ADG acromática com que a lente de SoG Fresnel. Processamento de resultados obtidos com a medição de câmera CCD. Identificar o centroide da luz nas fotografias tiradas com a câmera do CCD. Nota: O " centroide de luz " de um mapa de irradiância distribuição é o centro da área, cujo nível de irradiância é acima de 90% da irradiância máxima do mapa. Uma vez que o ponto centroide é identificado, definir uma série de raios possíveis e, para cada um, calcular a porcentagem de luz contida dentro do círculo, no que diz respeito a irradiância total contido na foto. Calcular o raio de lugar. É definida como o raio, contendo 95% da irradiância total. Nota: Um valor de 95% foi escolhido para evitar um local grande artificialmente devido o barulho causado pela luz provenientes de fontes externas, ou seja, direcionar a luz da lâmpada xénon ou a luz do ambiente ao redor. Repita as etapas de processamento de 3.4.1. a 3.4.3. para medições com um espelho de quente e frio. Plotar um gráfico que representa o diâmetro do ponto luz em função da distância lente-a-receptor com relação a posição ideal (tamanho de ponto de mínimo) para a luz azul e vermelho (quente o espelho e o espelho frio medições, respectivamente).