JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
русский

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Крытый экспериментальной оценки эффективности и освещенность пятно ахроматические Дуплет на стекло (ADG) линзы Френеля для сосредоточение Фотогальваника

Published: October 27, 2017
doi:
10.3791/56269
, , , , , ,
1Instituto de Energía Solar,Universidad Politécnica de Madrid

Summary

Ахроматические Дуплет на стекле Френеля (ADG), объектив делает использование двух материалов с различными дисперсия для уменьшения хроматических аберраций и увеличить достижимой концентрации. В этом документе представлен протокол для полной характеристики линзы Френеля ADG.

Abstract

Мы представляем метод характеризовать ахроматические линзы Френеля для фотоэлектрических приложений. Ахроматические Дуплет на линзы Френеля стекла (ADG) состоит из двух материалов, пластмассы и эластомера, характеристики которого дисперсии (преломления вариация с длиной волны) разные. Мы впервые разработан геометрии линзы и затем используется моделирование трассировки лучей, основанный на методе Монте Карло, для анализа его эффективности с точки зрения как оптическая эффективность, так и максимально достижимой концентрации. Впоследствии линзы Френеля ADG прототипы были изготовлены с использованием простой и надежный метод. Он состоит из предварительного впрыска пластиковых деталей и последовательных ламинирования, вместе с эластомера и стеклянной подложке для изготовления паркета линзы Френеля ADG. Точность производимых объектива профиль проверяется с помощью оптического микроскопа, а его оптические характеристики оценивается с помощью солнечной симулятор для Концентратор фотоэлектрических систем. Имитатор состоит из ксеноновой лампы чьи испускаемого света отражается параболическое зеркало. Коллимированных свет имеет спектрального распределения и угловая апертура, похож на реальный солнце. Мы смогли оценить оптических характеристик линзы Френеля ADG принимая фотографии излучения месте поданных объектив с помощью камеры зарядовой (связью ПЗС) и измерения фототок, порожденных несколько типов multi Джанкшен (MJ) солнечной клетки, которые ранее характеризовались в солнечной симулятор для концентратор солнечных батарей. Эти измерения показали ахроматические поведение линзы Френеля ADG и, как следствие, пригодность моделирования и производственных методов.

Introduction

Концентратор фотоэлектрических (КНД) является перспективной технологии для снижения стоимости электроэнергии на основе солнечных потому, что эта технология может воспользоваться быстрым добавочные улучшения эффективности современных мульти сочленения (MJ) солнечных батарей. Эти устройства состоят из нескольких суб клеток (обычно три, названный как верхней, средней и нижней), каждая из которых состоит из различных полупроводниковых соединений. Каждый суб клетка имеет различные bandgap различных спектральных дисплеем, который позволяет каждому преобразовать отдельные части солнечного спектра в электричество. Таким образом МДж солнечной клетки способны к эксплуатации широкий спектр солнечного спектра (обычно 300-1800 Нм) достижение эффективности значения выше, чем 46% под концентрированный свет1. Для того, чтобы скомпенсировать высокую стоимость таких фотоэлектрических устройств, оптические системы используются для сконцентрировать освещённость на них, что снижает затраты на выпускную систему. В настоящее время большинство коммерчески доступных высокая концентрация фотоэлектрических (HCPV) систем на основе силикона на стекло (SoG) гибрид линзы Френеля2. Во всех преломления оптических систем аберрация является фактором, наиболее сильно снижает производительность объектива с точки зрения максимальной достижимой концентрации3 (т.е. минимум света месте район). Ахроматические линзы, то есть, использовать объектив с весьма ограниченной хроматические аберрации, он представляет собой возможность значительно увеличить максимальный достижимый концентрации без необходимости каких-либо дополнительных оптических элементов (упоминаемый как вторичные оптических элементов 4 , 5).

Дизайн ахроматические линзы (обычно называется ахроматической Дуплеты потому, что они изготовлены, сцепка двух материалов с различных дисперсионных характеристик) была хорошо известна с XVIII века. Обычные ахроматические Дуплет состоит из двух различных очки: первый из них называется короны и имеет низкая дисперсия, а вторая называется Огниво и обладает высокой дисперсии. Однако общая стоимость этих видов стекла и их обработки делает их недоступными для систем HCPV. Languy и соавторов предложил ахроматические Дуплет КНД, состоящих из двух пластмасс: poly(methyl methacrylate) (PMMA) и поликарбонат (ПК)6. В своей статье сравнительный анализ различных конфигураций и их преимущества представлены, но без учета их технологичность и масштабируемость при высокой производительности.

Линза Френеля ГПД, предлагаемых здесь была разработана таким образом, что свет на некоторые короткие волны («синий» свет) и определенной длиной волны («красный» свет) имеют точно же Фокусное расстояние. Детали разработки метода для стандартного ахроматического Дуплеты можно найти в других7. Были проведены несколько лучевого моделирования для демонстрации улучшения, полученные с помощью линзы Френеля ADG вместо обычных линзы Френеля SoG. В4был представлен подробный доклад о полученных результатах. Наиболее важным результатом является, что при замене обычной линзы Френеля SoG с линзой Френеля ADG, достижимой концентрация увеличивается примерно в три раза при сохранении же оптическая эффективность. Кроме того, поскольку процесс производства8 предусматривается для получения ADG очень похож на тот, используемых для изготовления линзы SoG, увеличение концентрации будут получены без существенного увеличения затрат.

Здесь мы представляем протокол для выполнения всеобъемлющего характеристику концентраторы, составе рефракционной основной объектив и мы применяем этот протокол как обычные линзы SoG Френеля (используется в качестве эталона), так и несколько прототипов линзы Френеля ADG. Для этого был использован солнечной тренажер для КНД. Подробное описание симулятор и всех его компонентов, а также его оперативных принципов, был представлен в другом месте9.

Protocol

1. объектив моделирования с помощью трассировки лучей моделирования модель подготовки импорта ADG Френеля геометрии линзы в лучевого моделирования программного обеспечения и Настройка свойств материала, например пропускание и Индекс преломления. Примечание: ADG Френеля дизайн был разработан в институте солнечной энергии и состоит из компьютерного кода, основанного на принципах основных оптики как ферма ' принцип s и Снелл ' s закон. Дисперсионных кривых материалов, составляющих линзы были использованы для разработки метода дизайн. Подробное описание метода дизайн представлен других 4. Настроить источник света с недвижимостью солнца как угловая апертура и спектрального распределения. Место приемник на расстоянии от объектива равно номинальным фокусным расстоянием. Рисунок 1. Скриншот имитационной модели трассировки лучей. Это можно наблюдать источник света, ADG линза Френеля (включая стеклянной подложке, эластомер и пластиковые линзы Би Френеля) и приемников, используемых для измерения излучения в Диафрагма (Линза приемника) и излучения на выходе (солнечной Мобильный приемник). пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. запустить моделирование и расчет желаемых результатов таких максимально достижимой концентрации и объектива оптическая эффективность. Достижимой концентрации определяется как соотношение между линзы оптической апертуры и приемника где бросили пятно. Оптическая эффективность определяется как соотношение между власть на приемник и линзы оптической апертуры 10. Примечание: Площадь приемника гораздо больше, чем свет пятно поданных объектив для того, чтобы обеспечить, что приемник собирает каждый Рэй представлено объектив. Таким образом, расчетные оптическая эффективность принимает во внимание потери материалов поглощения, отражения и производственных ограничений (проект углов и кончик округления в углу и долины). Повторите шаги 1.1. и 1.2. имитируя обычные силиконовые на стекло (SoG) Френеля вместо линзы Френеля ADG использоваться как ориентир. 2. Характеристика солнечных батарей Рисунок 2. Солнечные симулятор для концентратор солнечных батарей. Фотография из солнечной симулятор, используемые для характеристики солнечных батарей при концентрации излучения. На верхней диаграмме можно наблюдать лампа, чья позиция определяет уровень концентрации. На дне показано измерительные плоскости с Ссылка компонента солнечных батарей и DUT. На левой фотографии это можно оценить электронного оборудования (блок питания и DAQ) и компьютер, используемый для выполнения квалификации. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Калибровка солнечной симулятор для характеристики солнечных батарей место внутри солнечной симулятор ссылки компонентов клетки (верхний, средний и нижней), также известный как изотипов, которые были откалиброван под ссылкой спектра и устройство под тест (дут), то есть, фотоэлемент измеряться. Примечание: Место ссылочные ячейки и дут как близко друг к другу как можно скорее для того, чтобы уменьшить возможные ошибки из-за неравномерного освещения на плоскости измерения. Настройки вспышки лампы, позиционирования (высота) для того, чтобы достичь желаемого уровня концентрации. Дальше это лампа из измерения плоскости, тем меньше концентрация достигается. Спектрального распределения зависит от позиции лампы и интенсивности вспышки. Добавьте необходимые фильтры для регулировки спектрального распределения. Процедура получения распределения похож на ссылку спектра описано в шаге 2.2.1. Подключите изотипов и дут к правления солнечной симулятор сбора данных (DAQ). С помощью текстового редактора, создайте текстовый файл, содержащий значения поляризации для использования в измерения кривой (IV)-амперных ячейки. Текстовый файл содержит одну строку на точки напряжения. Больше очков напряжения приведет к выше определения кривой. Поскольку все участвующие солнечные MJ солнечных батарей, значения поляризации состоят из значения между 0 V и 3.1 V. Измерения интенсивности света на протяжении флэш-распад имеет первоначальный пик и затем начинает снижаться ( рис. 3). Спектрального распределения света также изменяется на протяжении импульс вспышки. Обычных МДж солнечной батареи состоит из трех суб клетки с различными нанофотоэлектролиза, которые связаны в серии. Каждый суб ячейки можно преобразовать электричество в другой части солнечного спектра. Таким образом ток, порожденных МДж солнечной ячейки всегда ограничивается суб ячейки производства наименее текущей. Чтобы выполнить точные измерения, выберите уровень освещенности, где оба изотипов, соответствует верхней и средней суб клетки, указать точно такой же уровень освещенности. Это подтверждает, что ячейка измеряется под целевого уровня концентрации и спектра. Тот факт, что уровень освещенности, обозначается в нижнюю ячейку суб не совпадающих можно пренебречь. Это потому что коммерческих солнечных батарей на основе Ge МДж никогда не текущий ограничено этой Подкомиссии ячейки. на рисунке 3 изображена графическая объяснение этой процедуры. Раз уровень желаемой интенсивности падающего излучения для измерения определяется, запустите тест IV. Симулятор читает поляризации точек из текстового файла, определенный на шаге 2.1.4.; для каждой точки оборудование поляризовывает ячейку на напряжения, вызывает вспышки и измеряет ток, порожденных солнечных батарей. На экране компьютера отображается пара значений тока и напряжения, что кривая IV,. Примечание: От IV кривой, то можно получить ток короткого замыкания (я sc), открыть напряжение холостого хода (oc V), коэффициент заполнения (FF) и эффективности DUT (хотя в следующих разделах, используется только ток короткого замыкания). Повторить шаг 2.2.2. различным уровням концентрации для проверки солнечных батарей фототока линейно зависит от концентрации уровне (см. Рисунок 4) и, следовательно, калиброванный ячейка может использоваться как датчик для Определите освещенность в фокальной плоскости объектива. Для каждого уровня концентрации, отрегулируйте спектрального распределения вспышки света, используя соответствующие фильтры для выполнения измерений когда изотипов, топ и среднего суб клетки, указывают же уровень освещенности, как описано в шаге 2.2.1. на рисунке 3. Время эволюция измеренных величин на протяжении флэш-распада. На графике он был отмечен момент когда изотипа клетки, соответствует верхней и средней суб клетки, измерить такой же уровень освещенности. После черная пунктирная линия, которая начинается от пересечения кривых соответствующий верхней и средней subcells это позволяет определить текущее значение DUT (черный круг) как ток измеряется в тот момент в котором верхней и средней ссылке суб клетки увидеть тот же уровень освещенности. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 4. (A) схема установки, используемые для проведения экспериментальной проверки. (B) фотография экспериментальной установки и ее компонентов (источник света с интеграции сферы, объектив образца, ПЗС и солнечных ячеек, которые используются как датчики света). Параболическое зеркало и фильтры не видно на этой фотографии. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. 3. объектив характеристика. Рисунок 5. Граф, представляющих эволюции фототок, порожденных МДж солнечной ячейки в зависимости от концентрации. Как и ожидалось существует линейная зависимость. пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Установки подготовки. Горе 3-оси автоматического позиционирования платформы: компьютер помощь движущиеся платформы точно контролировать относительную позицию между калиброванной солнечных батарей/CCD камера и объектив, чтобы быть измерены. Убедитесь, что 3-оси позиционирования-автоматизированная платформа идеально горизонтальной, используя уровень пузыря. Подключить поддержку солнечных батарей/CCD камеры на платформе ' s перемещение держатель таким образом, что это можно контролировать свои позиции вдоль x, y и z оси. Подключить объектив поддержки в платформе перед движущейся держатель, описанный в шаге 3.1.2. С помощью движущихся держателя на x и y оси, это можно прекрасно центр объектива в отношении цели солнечных батарей/CCD камеры. Перемещение держателя оси z, можно поставить цель солнечных батарей/CCD камеры в оптимальной координационным центром объектива (минимальный размер пятна) и переместить его вдоль оптической оси. К компьютеру, используется для выполнения всей экспериментальной test. Каждое устройство (автоматизированная платформа позиционирования, Правлению DAQ измерить ячейку фототок, ПЗС-камеры и Ксеноновая лампа) Тест подключения и эксплуатации всех подключенных устройств. Открытое программное обеспечение, управление солнечной симулятор для КНД и нажмите на кнопку " свет пульс " для того, чтобы стрелять flash. Если флэш-распад граф похож на рисунке 3, это означает, что Совет, Ксеноновая лампа, изотипа subcells и дут DAQ работают должным образом. Открытое программное обеспечение, управление CCD камера для проверки, что камера работает нормально. Открытое программное обеспечение, управление компьютера помощь движущиеся платформы и использовать его для перемещения держателя движущихся по трем осям. Сделать это так, выберите одну ось среди осей, перечисленные на верхней левой части окна программного обеспечения, а затем вставить позицию в " абсолютное движение " и пульс " запустить ". Если перемещение держателя движется, как ожидается, это означает, что движущиеся платформы работает должным образом. Чистые и место объектив, чтобы быть измерены на фиксированной поддержку монтируется на платформе автоматического позиционирования. В передней датчика, место либо горячей зеркало (короткий pass фильтр блокирование света, чьи волны больше чем 700 Нм) или холодные зеркала (длинный пас фильтр блокировки света, чьи волны короче чем 700 Нм). Примечание: Шаг 3.1.7. Это необходимо только для измерений с помощью камеры на ПЗС. Использовать перемещение держателя центр солнечных батарей/ПЗС-камеры относительно объектива и поместить его в оптимальной фокальной точке. С помощью любого текстового редактора, создайте текстовый файл, содержащий в каждой линии координаты, соответствующие измерения точки (определенное расстояние объектива приемника), начиная с позиции ячейки/CCD камеры 5 мм ближе к объективу чем оптимальной Фокусное расстояние и до позиции 5 мм дальше. Измерения фазы измерения солнечных батарей Примечание: В так же, как солнечный симулятор для солнечных элементов, описанных в предыдущем разделе, интенсивности света и спектрального распределения солнечного симулятор для КНД изменения всей флэш-распада. Графическое представление флэш-распада похож на полученные с солнечной симулятор для концентратор клеток, описанный в шаге 2.2.1. и изображенного на рисунке 3. Существует первоначального пик и затем уменьшается. Изменения спектрального распределения силы света по всей флэш-распада. В данный момент производится измерение, где оба изотипов, соответствует верхней и средней суб клетки, указывают на тот же уровень освещенности. Примечание: Вопреки в случае солнечной симулятор для солнечных элементов в этом случае единственным элементом управления, мы имеем над уровнем освещенности интенсивности вспышки света и нейтральные фильтры после того, как была определена оптимальная освещенность уровень, это можно начать испытания. Для каждой позиции, определенные в шаге 3.1.9., вызвать вспышки света. Симулятор затем создает текстовый файл, содержащий данных сигналов во всем Flash-распад, из которой можно вывести фотоэлемент текущего поколения под свет, сосредоточены в объектив. Повторите шаги от 3.1.7. чтобы 3.2.1.3. за каждый объектив измеряется. CCD камеры измерения для каждой позиции, определенные в 3.1.9., с помощью камеры на ПЗС, сфотографируйте сгенерированный свет пятно. Примечание: Датчик CCD камеры в сочетании с горячей или холодной зеркало имеет спектральной похож на верхней и средней суб клеток, соответственно (см. рис. 6). Кроме того для того чтобы получить фотографии с полезной информацией, необходимо принять некоторые меры предосторожности. Во-первых сила света вспышки должны быть скорректированы с целью получить хорошее соотношение сигнал шум и, в то же время, не насыщают ПЗС-сенсор. Чтобы сделать это, можно напрямую изменять интенсивность вспышки или использовать нейтральные фильтры, чтобы получить уровень желаемой интенсивности падающего излучения. Во-вторых, важно, что симулятор камеры полностью темно, чтобы избежать влияния внешних источников света на измерениях. Измерения температуры место объектив, чтобы быть измерены insIDE тепловой камеры используется для контроля температуры объектив в тесте С помощью тепловой камеры, варьироваться линз температуре от 10 ° C до 50 ° C с шагами равен 10 ° C. Чтобы сделать это, поместите линзы внутри тепловой камеры с прозрачной передней крышкой. Проводить измерения для различных температур, с помощью камеры на ПЗС таким же образом описано в 3.2.2.1. Примечание: Температура объектива тестируется непосредственно измеряется с помощью термопары, прилагается к нему. Разница температуры по всей поверхности линзы ниже 2 ° C. на рисунке 6. Спектральной чувствительности (SR) кремния датчика CCD камеры фильтруется холодной зеркала или стекла тепла (пустые точки) для имитации SR средней и верхней суб клеток 3 J соответствием решетки солнечных батарей (твердых точек). Этот рисунок был изменен с 10. обработка результатов, полученных с измерением фотоэлемент. Использование калиброванные изотипа клеточных компонентов для справки, определить фототока клетками верхнего и среднего суб солнечных батарей используется как датчик для каждой позиции (для подробного обсуждения о том, как оценить высшего и среднего photocurrents от сигналов, записанный во время вспышки распад относятся к 11). Нарисовать граф, представляющих приближенная фототока как функция расстояния объектива приемник для верхней и средней суб клетки. Сравнить результаты, полученные с помощью ADG ахроматические линзы Френеля с этим линзы Френеля SoG. Обработка результатов, полученных с CCD камеры измерения. Определения центра тяжести света в фотографии, сделанные с камеры на ПЗС. Примечание: " центроид света " излучения карты распределения является центром области, чей уровень освещенности выше 90% максимальная освещенность карте. Как только пятно центроид определена, определить количество возможных радиусов и, для каждого из них, вычислить процент света, содержащихся в пределах круга в отношении общей освещенности, содержащихся в фотография. Вычислить место радиус. Он определяется как радиус, содержащих 95% всего освещённость. Примечание: Значение 95% была выбрана с целью избежать искусственно большое пятно из-за шума, вызванного света, исходя из внешних источников, т.е. прямой свет от лампы ксенон или свет от окружающей среды. Повторить шаги обработки от 3.4.1. чтобы 3.4.3. для измерения с горячей и холодной зеркалом. График представляющих свет пятно диаметром как функция расстояния объектива приемника относительно оптимального положения (минимальный размер пятна) для синего и красного света (горячий зеркало и холодное зеркало измерений, соответственно).

Representative Results

Наиболее важные результаты, полученные из ранее описанных экспериментальных испытаний являются следующие:-Поведение ахроматические линзы Френеля ADG была продемонстрирована с помощью CCD камеры измерений (рис. 7).Оптическая эффективность (пропорциональный ток измеряется МДж ячейка, используется как датчик света) из ADG Френеля объектив показывает большой терпимости, когда ячейка перемещалась с оптимальной фокусного расстояния и вдоль оси Фокусное расстояние (рис. 8).-Размер пятно литой ADG объектив показывает большой допуск для различных температур (рис. 9). Эволюция пятно диаметром как функция расстояния объектива приемник показано на рисунке 7 для линз, обычные линзы Френеля SoG и линзы Френеля ADG. Топ и среднего суб клетки были проанализированы отдельно с помощью двух дихроичных светофильтров, один горячий зеркало фильтрации свет с длиной волны более чем 700 Нм и одно холодное зеркало фильтрации света, чьи волны короче чем 700 Нм. В 7а Рисунокможно увидеть, что минимумы двух кривых являются перемещенными лицами. Это обусловлено хроматических аберраций: так как показатель преломления для коротких длин волн выше, координационным центром для синий свет ближе к объективу. Затем минимальное место для синего света смещается влево (в сторону объектива) и минимальное место для красного света смещается вправо (к бесконечности). И наоборот в Рисунок 7b, можно отметить, что для линзы Френеля ADG, позиция минимальное место для синий свет соответствует точно минимальное место для красный свет, доказав, что объектив экспонаты ахроматические поведение. Эволюция нормализованных фототок, порожденных МДж солнечной ячейки, освещенный концентрации объектив, как функция относительной клеток объектив расстояния показано на рисунке 8. Более широкий аспект кривой для линзы Френеля ADG означает, что, благодаря Ахроматичный дизайн, она имеет более высокий допуск для перемещения объектива со своей оптимальной позиции вдоль оптической оси чем обычные линзы Френеля SoG. Как следствие ADG линзы более толерантны, монтаж ошибки или любого явления, которое изменяется Фокусное расстояние, например, изменения температуры. Наконец отклонение света месте актеров в объектив как функция температуры объектив это показано на рисунке 9. Топ и среднего суб клетки были проанализированы отдельно с помощью дихроичных светофильтров (горячие и холодные зеркала). Линзы были введены внутри тепловой камеры с прозрачным покровным стеклом для управления их температуры12. Графики на рисунке 9 показывают, как изменения температуры имеет меньше влияние на линзы Френеля ADG чем на ссылку линзы Френеля SoG. В самом деле, для последнего, для увеличения температуры 20 ° c, расширение размера светового пятна является значительным: диаметр составляет около 30% больше для топ суб ячейки и до 60% больше для среднего суб ячейки. Напротив для ADG объектива, даже в худшем случае увеличение является ниже 20%. Это означает, что даже в открытом условий эксплуатации с сильной тепловой экскурсия, используя ADG объектив будет сделать производительность системы более стабильной. Рисунок 7. Измеряемый диаметр пятна как функция расстояния объектива приемника. Диаметр пятна определяется как, включая 95% энергии. Красные пунктирные линии представляют пятно диаметром больше длин волн (те обычно преобразованы среднего суб ячейки в МДж солнечных элементов, т.е., 650-900 нм) и синий непрерывной линии представляют пятно диаметра для коротких длин волн (эти обычно охватываемые Топ subcell, т.е., 350-650 Нм). () SOG Fresnel объектив, (b) ADG Френеля. Этот рисунок был изменен с8. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 8. Нормализованное фототок, порожденных МДж солнечной ячейки, диаметр которого составляет 3 мм в зависимости от относительного расстояния клеток объектив. Каждая кривая была разделена на его максимальное значение. Ноль по оси x для трех линз представляет собой оптимальный Фокусное расстояние (где минимизирует место). Фон кривые представляют нормализованных photocurrents, генерируемые в верхней (круглые маркеры) и средний (треугольная маркеров) суб клетки. ADG_v2 является улучшенный дизайн линзы Френеля ADG. Нормализованное текущего производства солнечных батарей МДж (минимальное значение между верхней и средней photocurrents) было отмечено для ясности. Эта цифра была изменена 13. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 9. Относительный размер пятна как функция температуры объектива. (A) результаты, связанные с верхней суб ячейки (измерение осуществляется с использованием фильтра дихроичного теплого зеркала). (B) результаты, относящиеся к средней суб клеток (измерение осуществляется с использованием фильтра дихроичных холодные зеркала). Относительный размер пятна получается деления размера пятна на минимальное значение, измеренная для каждого объектива. Эта цифра была изменена13. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Discussion

Предлагаемый метод для характеризации линзы Френеля ADG включает в себя две различные процедуры: первый из них использует солнечные батареи как датчики света, в то время как второй основан на ПЗС-камеры.

Применение солнечных батарей на основе процедуры, фототок, порожденных МДж солнечной ячейки была измерена с помощью различных линзы Френеля как концентраторы. Как описано в протоколе, симулятор солнечной КНД делает использование ксеноновой лампы излучает свет, который отражается на параболическое зеркало. Такое зеркало генерирует коллимированном пучке света на плоскости измерения (совпадающих с диафрагмы объектива). Благодаря зеркало производственные допуски и шероховатости поверхности коллимированных свет не является единообразной на плоскости измерения. Неравномерность освещенность, созданных солнечной симулятор является основным источником ошибки в наших экспериментальных измерений10. Поскольку большие линзы интегрировать освещённость на плоскости измерения на большой площади, ошибка из-за неравномерности зависит от размера объектива. Солнечной симулятор для КНД систем, используемых в институте солнечной энергии достигает единообразия, лучше, чем ± 5% 3 x 3 см оптике9. Для линзы Френеля ADG, тестирование здесь, чьи оптической апертуры 40 x 40 мм, эффект неоднородности над измерения может быть критическим. Чтобы уменьшить эту неопределенность, ссылка объектив повторному измерению до проведения любого эксперимента. Кроме того при проведении этих измерений, важно соблюдать особую осторожность во время выравнивание ячейки и объектив. В самом деле фотоэлемент должен быть размещен точно по центру с света месте объектив, поданных во избежание смещения, потому что если плохо первоначального позиционирования используется, фототока сокращение из-за расфокусировки изменяется. Другая ошибка, которая может возникнуть, что вызвано различными затенением факторами передней металлизации сетки (MJ солнечных батарей используется как датчик калибруется с помощью равномерное излучение, но линзы литой профиль Гаусса форму на него во время измерений). Чтобы гарантировать, что металлизации, не влияющих на экспериментальные результаты, полезно проводить несколько измерений, вытесняя объектива и, как следствие, свет пятно на плоскости приемника. Если измеренные фототока изменяется значительно когда слегка перемещения света месте, это означает, что сетка металлизации затрагивает измерения.

Существуют другие методы, подходящие для измерения оптическая эффективность первичного объектива, например, с помощью датчиков теплового излучения например термоэлектрических батарей10. Основным недостатком этого подхода является слишком медленным для любого источника вспышки света ответ температурного датчика. Таким образом она может применяться только к открытый измерений (которые очень чувствительны к спектральное распределение потока излучения и других погодных условий). С помощью предлагаемого метода избегается это ограничение.

Кроме того с помощью солнечных батарей на основе процедуры, он также будет возможно получить размер света месте литой на объектив. Чтобы сделать это, photocurrents, порожденных несколькими МДж солнечных элементов того же типа и разные, но сходные размеры должны быть измерены. Для ячеек, размер которых меньше света месте актеров в объектив измеренной фототока уменьшается как клеток поверхности уменьшается из-за свет, разлив из клетки. И наоборот фототока остается неизменным для MJ солнечных элементов, размер которых больше, чем свет пятно, так как независимо от клеточной поверхности, все передано линзы свет достигает солнечных батарей. Таким образом размер светового пятна равно размеру наименьшего ячейки, которая достигает максимальной эффективности. Для этого метода тем выше количество солнечных батарей используется, тем выше резолюции.

Поскольку набор солнечных элементов, подходящих для выполнения описанных измерения не всегда доступен, было предложено процедура камеры CCD для измерения размера светового пятна. Благодаря широкий динамический диапазон датчика CCD, используя фотографии светлого пятна, сделанные с камеры точное сравнение между значениями пик и долина является возможным. Чтобы вычислить абсолютное значение освещенности, калибровка всей системы, включая фильтры и ПЗС-камеры, будет необходимо. Тем не менее от фотографии, это позволяет отделить освещенную зону от темной области над изображением и, таким образом, оценки размера светового пятна. Основные недостатки этой техники являются спектральный несоответствие между ПЗС-сенсор и МДж солнечной батареи и шума, производимого источники света отличается от коллимированном пучке, порожденных солнечной симулятор. Что касается первой проблемы путем добавления горячей или холодной зеркало камеры на ПЗС, это можно получить спектральной очень похож на что из верхней и средней суб клетки (см. рис. 6). Кроме того с тем чтобы ограничить фоновый шум, необходимо полностью затемнить палаты симулятор КНД. Так как это практически невозможно полностью избежать внешних источников света, обработка изображений очень важна и должна быть хорошо запрограммирован. Наиболее важным этапом является ликвидация фоновый шум. Фильтрация шума может быть частично автоматизирован, но, из-за сильной зависимости с внешними факторами, которые едва предсказуемы, каждый отредактированное изображение проходит визуальный осмотр.

CCD процедура может использоваться для получения эволюции размера светового пятна как функция температуры объектив, добавляя в систему тепловые камеры, где размещены линзы. В этом случае, помимо источников ошибок описанных выше неопределенность возникает от измерения температуры объектива. Управления термопары (который непосредственно подключен к компьютеру) не представляют реальной объектив температуры, потому что датчик размещены в точке тепловой камеры близко, но не напрямую связаны с линзы, чтобы быть измерены. Таким образом температура, измеренная с помощью такого термопары является средняя температура окружающей среды вокруг линзы, и он не обязательно соответствует температуре настоящий объектив. Вот почему рекомендуется использовать подключение каждого объектива к независимым термопары. Тем не менее есть вероятно градиент температуры между различными точками объектива. Для того чтобы количественно эта неопределенность, как только тепловой камеры достигает желаемой температуры, и перед выполнением любых измерений, лучше подождать 15-20 минут, чтобы стать максимально однородные температуры системы.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Эта работа частично поддерживается Министерством экономики и конкурентоспособности в рамках проекта Acromalens (ENE2013-45229-P), и он получил финансирование от Европейского союза Horizon 2020 исследований и инновационной программы в рамках проекта КНД Матч под Грант соглашение № 640873.

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
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. , (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, A280 (2011).
  7. Hecht, E. . Optics, Third Edition. , (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. , 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. , 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. , (2017).

Tags

Achromatic Doublet On Glass (ADG) Fresnel LensConcentrating PhotovoltaicsTransmission EfficiencyConcentration AbilitySpot SizeMulti-junction Solar CellsChromatic AberrationRefractive Primary ElementInexpensive Manufacturing ProcessSilicone On Glass Fresnel LensSolar SimulatorHelios 3030Reference IsotypesSpectral DistributionIV Test

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
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).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image