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

Resumo

O dubleto acromático no vidro Fresnel (ADG) lente faz uso de dois materiais com dispersão diferente para reduzir a aberração cromática e aumentar a concentração atingível. Neste trabalho, é apresentado um protocolo para a caracterização completa da lente Fresnel ADG.

Resumo

Apresentamos um método para caracterizar acromáticas lentes de Fresnel para aplicações fotovoltaicas. O dubleto acromático na lente de Fresnel de vidro (ADG) é composto de dois materiais, um plástico e um elastômero, cujas características de dispersão (variação do índice de refração com comprimento de onda) são diferentes. Nós inicialmente concebido a geometria da lente e simulação de ray tracing, baseada no método de Monte Carlo, usado para analisar o seu desempenho do ponto de vista de eficiência óptica e a concentração máxima atingível. Depois disso, protótipos de lente de Fresnel de ADG foram fabricados usando um método simples e confiável. Consiste em uma prévia injeção de peças plásticas e uma laminação consecutiva, juntamente com o elastômero e um substrato de vidro para fabricar o parquet de lentes de Fresnel ADG. A precisão do perfil lente fabricada é examinada usando um microscópio óptico, enquanto seu desempenho óptico é avaliado usando um simulador solar para sistemas fotovoltaicos de concentrador. O simulador é composto por uma lâmpada de flash de xénon cuja luz emitido é refletido por um espelho parabólico. A luz colimada tem uma distribuição espectral e uma abertura angular similar ao verdadeiro sol. Fomos capazes de avaliar o desempenho óptico das lentes Fresnel ADG por tirar fotografias da irradiância local convertido pela lente usando uma câmera de dispositivo de carga acoplada (CCD) e medindo a fotocorrente gerado por diversos tipos de junção multi (MJ) solar células, que foram previamente caracterizadas em um simulador solar para células solares de concentrador. Estas medidas têm demonstrado o comportamento acromático de lentes de Fresnel ADG e, como consequência, a adequação de modelização e de métodos de fabricação.

Introdução

Fotovoltaicas concentrador (CPV) é uma tecnologia promissora para reduzir o custo da eletricidade solar-com, porque esta tecnologia pode aproveitar a rápida melhoria incremental na eficiência da avançada multi células solares de junção (MJ). Estes dispositivos são compostos de várias células sub (geralmente três nomeado como alto, médio e inferior) cada um dos quais é feito de um semicondutor de diferente composto. Cada célula sub tem um bandgap diferente, resultando em uma resposta espectral diferente, que permite a cada um converter uma parte distinta do espectro solar em electricidade. Desta forma, as células solares MJ são capazes de explorar uma ampla gama do espectro solar (tipicamente 300-1800 nm) atingir valores de eficiência superiores a 46% sob luz concentrada¹. Para compensar o alto custo desses dispositivos fotovoltaicos, sistemas óticos são usados para concentrar a irradiância sobre eles, o que reduz o custo final do sistema. Atualmente, a maioria dos sistemas disponíveis comercialmente alta concentração fotovoltaicas (HCPV) baseiam-se no vidro do silicone híbrido de (SoG) de lentes de Fresnel². Em todos os sistemas ópticos refractivos, aberração cromática é o fator mais severamente, diminuindo o desempenho da lente em termos da concentração máxima atingível³ (ou seja, mínimo local área de luz). Fazendo uso de uma lente acromática, ou seja, uma lente com a aberração cromática altamente reduzida, é possível aumentar significativamente a concentração máxima atingível, sem a necessidade de elementos ópticos adicionais (referido como elementos de óptica secundários ^{4 , 5}).

O design das lentes acromática (comumente chamado de doublets acromáticas porque eles são fabricados acoplamento de dois materiais com características de dispersão diferente) tem sido conhecido desde o século XVIII. O dubleto acromático convencional é composto de dois copos diferentes: o primeiro chama-se coroa e tem baixa dispersão, enquanto o segundo é chamado o sílex e tem alta dispersão. No entanto, o custo total destes tipos de óculos e seu processamento torna inacessível para sistemas HCPV. Languy e co-autores propuseram um dubleto acromático para CPV é composto por dois plásticos: poly(methyl methacrylate) (PMMA) e policarbonato (PC)⁶. Em seu artigo, uma análise comparativa sobre as diferentes configurações e suas vantagens é apresentado, mas sem abordar a sua industrialização e escalabilidade em alta produção.

A lente de Fresnel ADG aqui proposta foi projetada de tal forma que a luz em um determinado curto de comprimento de onda (luz "azul") e um certo longo de comprimento de onda (luz "vermelha") têm exatamente a mesma distância focal. Detalhes sobre o método de projeto para doublets acromáticas padrão podem ser encontrados em outro lugar⁷. Várias simulações de ray tracing efectuaram-se de demonstrar os avanços obtidos usando uma lente de Fresnel de ADG em vez de uma lente de Fresnel de SoG convencional. Em⁴, foi apresentado um relatório pormenorizado sobre os resultados obtidos. O resultado mais importante é que, quando substituindo uma lente de Fresnel de SoG convencional com uma lente de Fresnel de ADG, a concentração atingível aumenta cerca de três vezes, mantendo a mesma eficiência óptica. Além disso, desde o processo de fabricação⁸ previstas para obter o ADG é muito semelhante ao empregado para fabricar lentes SoG, o aumento da concentração será obtido sem aumentar significativamente o custo.

Aqui nós apresentamos um protocolo para realizar uma caracterização abrangente de concentradores que compreende uma lente refrativa primária e aplicamos este protocolo para uma lente de Fresnel de SoG convencional (usado como referência) e vários protótipos de lente de Fresnel de ADG. Para tanto, utilizou-se um simulador solar para CPV. Uma descrição detalhada do simulador e todos os seus componentes, bem como seus princípios de funcionamento, foi apresentada em outro lugar⁹.

Protocolo

1. lente modelagem utilizando simulação de Ray-Tracing

1. preparação do modelo
   1. 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.
   2. Configurar uma fonte de luz com propriedades real do sol como abertura angular e distribuição espectral.
   3. 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.

2. 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).
3. 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.

1. Calibração do simulador solar para caracterização de célula solar
   1. 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.
   2. 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.
      1. 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.
   3. Conectar os isotipos e DUT para a placa de aquisição de dados (DAQ) do simulador solar.
   4. 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.
2. Medições
   1. 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.
   2. 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).
   3. 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.

1. Setup preparação.
   1. 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.
      1. Verificar que a plataforma de posicionamento automatizado de 3-eixos é perfeitamente horizontal usando um nível de bolha.
   2. 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.
   3. 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.
   4. 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
   5. Testar a conexão e funcionamento de todos os dispositivos conectados.
      1. 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.
      2. Abrir o software que controla a câmera CCD, para verificar se a câmera está funcionando corretamente.
      3. 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.
   6. Limpo e coloque a lente a ser medido com o apoio fixo montado na plataforma de posicionamento automatizada.
   7. 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.
   8. Usar o titular se movendo para centralizar a câmera de célula solar/CCD em relação a lente e colocá-lo no ponto focal ideal.
   9. 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.
2. Fase de medição
   1. 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
      1. 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.
      2. Repita os passos de 3.1.7. para 3.2.1.3. para cada lente a ser medido.
   2. Medições de câmera CCD
      1. 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.
      2. As medições da temperatura
         1. coloca a lente para ser medido insIDE a câmara térmica, usada para controlar a temperatura da lente durante o teste
         2. 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.
         3. 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.

3. processamento de resultados obtidos com a medição de célula solar.
   1. 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).
   2. Desenhar um gráfico que representa a fotocorrente aproximado como uma função da distância lente-para-receptor para a parte superior e médios células sub.
   3. Comparar os resultados obtidos usando a lente de Fresnel ADG acromática com que a lente de SoG Fresnel.
4. Processamento de resultados obtidos com a medição de câmera CCD.
   1. 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.
   2. 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.
   3. 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.
   4. Repita as etapas de processamento de 3.4.1. a 3.4.3. para medições com um espelho de quente e frio.
   5. 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).

Resultados

Os resultados mais importantes obtidos de ensaios experimentais descritos anteriormente são os seguintes:
-Comportamento acromático de lente de Fresnel de ADG foi demonstrado usando medições de câmera CCD (Figura 7).
-A eficiência óptica (proporcional à corrente medida pela célula MJ, usada como um sensor de luz) de Fresnel a ADG lente mostra uma grande tolerância quando a célula é movida a distância focal ideal e ao longo do eixo de distância focal (Figura 8).
-O tamanho do elenco local pela lente ADG mostra uma grande tolerância a diferentes temperaturas (Figura 9).

A evolução do diâmetro do ponto como uma função da distância lente-para-receptor é mostrada na Figura 7 para lentes, uma lente de Fresnel de SoG convencional e a lente de Fresnel de ADG. A parte superior e médios sub células foram analisadas separadamente através de dois filtros dicroicos, quente um espelho de filtragem de luz com um comprimento de onda superior a 700 nm e um espelho frio filtrando luz cujo comprimento de onda é inferior a 700 nm. Na Figura 7a, pode ser visto que as taxas mínimas das duas curvas são deslocadas. Isto é devido a aberração cromática: desde que o índice de refração para comprimentos de onda curtos é mais elevado, o ponto focal para a luz azul é mais perto da lente. Então, o ponto mínimo para luz azul é deslocado para a esquerda (em direção a lente) e o ponto mínimo para luz vermelha é deslocado para a direita (no sentido de infinito). Por outro lado, na Figura 7b, pode-se observar que, para a lente de Fresnel de ADG, a posição do ponto mínimo para luz azul corresponde exatamente com o ponto de mínimo para luz vermelha, provando que a lente apresenta comportamento acromático.

A evolução da fotocorrente normalizada gerada por uma célula solar MJ iluminada por uma lente de concentração como uma função da distância lente-célula relativa é mostrada na Figura 8. O aspecto mais amplo da curva para a lente de Fresnel de ADG significa que, graças ao design acromática, tem uma maior tolerância para um deslocamento da lente de sua posição ideal ao longo do eixo óptico de uma lente de Fresnel de SoG convencional. Como consequência, ADG lentes são mais tolerantes a erros de montagem ou de qualquer fenômeno que altera a distância focal, por exemplo, uma variação de temperatura.

Finalmente, a variação da luz elenco local pela lente em função da temperatura de lente é mostrado na Figura 9. A parte superior e médios sub células foram analisadas separadamente por meio de filtros dicroicos (espelhos de quentes e frios). As lentes foram colocadas dentro de uma câmara térmica com um vidro de tampa transparente para controlar sua temperatura¹². Os gráficos na Figura 9 mostram como a variação de temperatura tem um menor impacto sobre a lente de Fresnel de ADG do que na referência da lente de Fresnel de SoG. Na verdade, para o último, para um incremento de temperatura de 20 ° C, a expansão do tamanho de ponto de luz é significativa: o diâmetro é de cerca de 30% maior para a parte superior célula sub e até 60% maior para a célula sub média. Pelo contrário, para a lente da ADG, mesmo no pior caso o aumento é inferior a 20%. Isso significa que mesmo em condições de funcionamento ao ar livre com forte excursão térmica, usando a lente ADG faria o desempenho do sistema mais estável.

Figura 7. Diâmetro do ponto medido em função da distância lente-para-receptor. Diâmetro do ponto é definido como que incluindo 95% da energia. Linhas tracejadas vermelhas representam o ponto diâmetros para comprimentos de onda (aqueles normalmente convertido pela célula sub média em células solares MJ, isto é., 900-650 nm) e azuis linhas contínuas representam ponto diâmetros para comprimentos de onda mais curtos (aquelas normalmente coberto pela subcell superior, ou seja, 350-650 nm). (um) Fresnel SOG lente, lente (b) ADG Fresnel. Esta figura foi modificada de⁸. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 8. Fotocorrente normalizada gerada por uma célula solar MJ cujo diâmetro é de 3 mm em função da distância lente-a-célula relativa. Cada curva foi dividida por seu valor máximo. O zero no eixo x para três lentes representa a ideal distância focal (onde se minimiza o local). Curvas de fundo representam os photocurrents normalizadas geradas pelo topo (circulares marcadores) e médio células sub (marcadores triangulares). ADG_v2 é um design de lente de Fresnel de ADG melhorado. A corrente normalizada produzida pela célula solar MJ (o valor mínimo entre a parte superior e médios photocurrents) tem sido comentada por razões de clareza. Esta figura foi modificada em ¹³. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 9. Tamanho de ponto relativo em função da temperatura da lente. (A) resultados relacionados à célula sub superior (medição efectuada utilizando um filtro dicroico espelho quente). (B) resultados relacionados à célula sub média (medição efectuada utilizando um filtro dicroico espelho frio). O tamanho relativo de ponto é obtido dividindo-se o tamanho de ponto, o valor mínimo medido para cada lente. Esta figura foi modificada em¹³. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussão

O método proposto para a caracterização das lentes de Fresnel ADG inclui dois procedimentos diferentes: o primeiro que utiliza células solares como sensores de luz, enquanto a segunda se baseia em uma câmera CCD.

Aplicando a célula solar baseada o procedimento, a fotocorrente gerada por uma célula solar MJ foi medido usando diferentes lentes de Fresnel como concentradores. Conforme descrito no protocolo, o simulador solar CPV faz uso de uma lâmpada de flash de xénon emitem luz que é refletida em um espelho parabólico. Tal um espelho gera um feixe de luz colimado no avião medição (coincidente com a abertura da lente). Devido às tolerâncias de fabricação do espelho e rugosidade da superfície, a luz colimada não é uniforme no avião medição. A não uniformidade da irradiância criado pelo simulador solar é a principal fonte de erro em nossas medições experimentais¹⁰. Desde grandes lentes integram a irradiação no plano de medição em uma grande área, o erro devido a não uniformidade depende do tamanho da lente. O simulador solar para sistemas CPV utilizado no Instituto de energia Solar atinge uma uniformidade melhor que ± 5% para o sistema ótico de 3 x 3 cm⁹. Para a lente de Fresnel de ADG testada aqui, cuja abertura óptica é 40 x 40 mm, o efeito da não-uniformidade sobre a medição pode ser crítico. A fim de reduzir essa incerteza, uma lente de referência é re-medida antes de realizar qualquer experimento. Além disso, ao efectuar estas medições, é fundamental para se ter um cuidado especial durante o alinhamento da célula e a lente. Na verdade, a célula solar tem que ser colocado exatamente centrado com o ponto de luz elenco pela lente para evitar desalinhamento, porque se um mau posicionamento inicial é usado, a redução de fotocorrente devido a desfocagem é alterada. Outro erro que pode ocorrer é causado por fatores diferentes do sombreamento da grade frontal metalização (MJ célula solar usada como um sensor é calibrado usando uniforme da irradiação, mas as lentes elenco um perfil de forma gaussiana nele durante as medições). Para garantir que a metalização não afecta os resultados experimentais, é útil realizar várias medições, deslocando a lente e, como consequência, o ponto de luz no plano receptor. Se a fotocorrente medido varia significativamente quando ligeiramente movendo o ponto de luz, isso significa que a grade de metalização está afetando as medições.

Existem outros métodos adequados para medir a eficiência óptica de uma lente principal, por exemplo, usando sensores de irradiação térmica, tais como como¹⁰. A principal desvantagem desta abordagem é que a resposta de um sensor térmico é muito lenta para qualquer fonte de luz de flash. Portanto, só pode ser aplicado para medições ao ar livre (que são muito sensíveis à distribuição espectral de irradiância e outras condições atmosféricas). Com o método proposto, esta limitação é evitada.

Além disso, usando a célula solar com base em procedimento, também seria possível obter o tamanho do elenco local luz por uma lente. Para fazer isso, os photocurrents gerados por vários painéis solares MJ do mesmo tipo e diferentes, mas de tamanhos semelhantes precisam ser medidos. Para as células cujo tamanho é menor do que o elenco local luz pela lente, a fotocorrente medido diminui como as diminuições de superfície celular devido a luz derramando fora da célula. Por outro lado, a fotocorrente permanece constante para células solares MJ, cujo tamanho é maior do que o ponto de luz, que independentemente da superfície da célula, toda a luz transmitida pela lente atinge a célula solar. Portanto, o tamanho do local da luz é igual ao tamanho da célula menor que alcança o máximo de eficiência. Por este método, quanto maior o número de células solares utilizado, quanto maior a resolução.

Desde que um conjunto de células solares adequados para efectuar as medições descritas não está sempre disponível, o procedimento de câmera CCD tem sido proposto para medir o tamanho de ponto de luz. Graças a ampla faixa dinâmica do sensor CCD, usando fotografias tirada com a câmera, o ponto de luz, uma comparação exata entre valores de pico e vale é possível. Para calcular o valor absoluto da irradiância, uma calibração de todo o set-up, incluindo os filtros e câmera CCD, seria necessária. No entanto, de fotografias, é possível separar a área iluminada da área escura sobre uma imagem e, assim, estimar o tamanho de ponto de luz. As principais desvantagens desta técnica são a incompatibilidade espectral entre o sensor CCD e uma célula solar MJ e o ruído produzido por fontes de luz diferentes do feixe colimado gerado pelo simulador solar. Em relação ao primeiro problema, adicionando um espelho quente ou frio para a câmera CCD, é possível obter uma resposta espectral muito semelhante da parte superior e médios células sub (ver Figura 6). Além disso, a fim de limitar o ruído de fundo, é preciso escurecer completamente a câmara do simulador CPV. Uma vez que é quase impossível evitar completamente a fontes externas de luz, o processamento de imagem é muito importante e tem que ser bem programado. O passo mais crítico é a eliminação do ruído de fundo. Filtragem de ruído pode ser parcialmente automatizada, mas, devido a forte dependência com fatores externos que são dificilmente previsíveis, cada imagem processada passa por um exame visual.

O procedimento de CCD pode ser usado para obter a evolução do tamanho de ponto de luz em função da temperatura da lente, adicionando ao sistema uma câmara térmica, onde as lentes são colocadas. Neste caso, além das fontes de erro descrita anteriormente, a incerteza decorre as medições de temperatura de lente. O termopar de controle (aquele ligado diretamente ao computador) não representa a temperatura de lente real porque o sensor é colocado em um ponto da câmara térmica perto mas não directamente ligado às lentes para ser medido. Portanto, a temperatura medida usando tal um termopar é uma temperatura média do ambiente ao redor das lentes e não necessariamente corresponde à temperatura de lente real. É por isso conectar cada lente de um termopar independente é recomendado. No entanto, há provavelmente um gradiente de temperatura entre os diferentes pontos da lente. De forma a quantificar esta incerteza, uma vez que a câmara térmica atinge a temperatura desejada, e antes de realizar qualquer medição, é melhor esperar 15-20 minutos para deixar a temperatura do sistema tornam-se mais uniforme possível.

Materiais

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