Le doublet achromatique sur verre (ADG) Fresnel lentille fait utiliser des deux matériaux avec une dispersion différente pour réduire l’aberration chromatique et augmenter la concentration réalisable. Dans cet article, un protocole pour la caractérisation complète de la lentille de Fresnel ADG est présenté.
Nous présentons une méthode pour caractériser des lentilles de Fresnel achromatiques pour applications photovoltaïques. Le doublet achromatique sur verre (ADG) lentille de Fresnel est composé de deux matières, une matière plastique et l’élastomère, dont caractéristiques de dispersion (variation de l’indice de réfraction avec la longueur d’onde) sont différents. Nous avons tout d’abord conçu la géométrie de la lentille et ensuite utilisée simulation de ray-tracing, basée sur la méthode de Monte Carlo, d’analyser ses performances du point de vue de rendement optique et la concentration maximum réalisable. Par la suite, prototypes de lentille de Fresnel ADG fabriqués au moyen d’une méthode simple et fiable. Il se compose d’une injection préalable de pièces en plastique et une stratification consécutif, ainsi que l’élastomère et un substrat de verre pour fabriquer le parquet des lentilles de Fresnel ADG. La précision du profil lentille manufacturés est examinée à l’aide d’un microscope optique tandis que ses performances optiques est évaluée à l’aide d’un simulateur solaire pour les systèmes photovoltaïques de concentrateur. Le simulateur est composé d’une ampoule de flash au xénon dont la lumière émise est réfléchie par un miroir parabolique. La lumière collimatée a une distribution spectrale et une ouverture angulaire semblable au réel soleil. Nous avons été en mesure d’évaluer les performances optiques des lentilles Fresnel ADG en prenant des photographies de l’irradiance spot projetée par l’objectif à l’aide d’une caméra à dispositif à couplage de charge (CCD) et en mesurant le photocourant généré par plusieurs types de jonction multi (MJ) solaire cellules, qui ont été caractérisés auparavant à un simulateur solaire concentrateur des cellules solaires. Ces mesures ont démontré le comportement achromatique de lentilles de Fresnel ADG et, comme conséquence, l’aptitude de la modélisation et les méthodes de fabrication.
Photovoltaïque concentrateur (CPV) est une technologie prometteuse pour réduire le coût de l’électricité solaire car cette technologie peut bénéficier de l’amélioration rapide, l’efficacité des avancées multi piles solaires de jonction (MJ). Ces dispositifs sont composés de plusieurs cellules secondaire (habituellement trois désigné comme haut, moyen et bas) dont chacun est constitué d’un semi-conducteur de différent composé. Chaque cellule secondaire a un bandgap différent, ce qui entraîne une réponse spectrale différente, qui permet à chacun de convertir une partie distincte du spectre solaire en électricité. De cette façon, les cellules solaires MJ sont capables d’exploiter un large éventail du spectre solaire (généralement de 300 à 1800 nm) pour atteindre des valeurs de rendement supérieurs à 46 % sous lumière concentrée1. Afin de compenser le coût élevé de tels dispositifs photovoltaïques, systèmes optiques sont utilisés pour concentrer l’irradiance sur eux, ce qui réduit le coût du système final. Actuellement, la plupart des systèmes disponibles dans le commerce à haute concentration (HCPV) photovoltaïques reposent sur hybride (SoG) de silicone sur verre de lentilles de Fresnel2. Dans tous les systèmes d’optiques réfractives, l’aberration chromatique est le facteur diminuant plus sévèrement les performances de la lentille en fonction de la concentration maximum réalisable3 (c.-à-d., zone spot lumière minimale). L’utilisation d’une lentille achromatique, autrement dit, une lentille avec fortement réduit l’aberration chromatique, il est possible d’augmenter significativement la concentration maximum réalisable sans une nécessité pour tous les éléments optiques supplémentaires (appelés éléments optiques secondaires 4 , ( 5).
La conception de lentilles achromatiques (communément appelées doublets achromatiques parce qu’ils sont fabriqués de couplage de deux matériaux avec différents dispersibilité) a été bien connue depuis le XVIIIe siècle. Le doublet achromatique conventionnel est composé de deux verres différents : le premier est appelé la Couronne et a faible dispersion, tandis que l’autre s’appelle le silex et a haute dispersion. Toutefois, le coût global de ces sortes de verres et de leur traitement qui les rend inabordables pour les systèmes HCPV. Languy et co-auteurs ont proposé un doublet achromatique des CPV composées de deux matières plastiques : poly(methyl methacrylate) (PMMA) et en polycarbonate (PC)6. Dans leur article, une analyse comparative sur les différentes configurations et de leurs avantages est présenté, mais sans aborder leur fabricabilité et évolutivité à production élevée.
La lentille de Fresnel ADG proposée ici a été conçue de telle sorte que la lumière à une certaine longueur d’onde courte (lumière « bleue ») et un certain longueur d’onde (« rouge ») ont exactement la même distance focale. Détails de la méthode de conception pour les doublets achromatiques standards peuvent être trouvés ailleurs7. Plusieurs simulations de ray-tracing ont été effectuées afin de démontrer les améliorations obtenues à l’aide d’une lentille de Fresnel ADG au lieu d’une lentille de SoG Fresnel classique. Un rapport détaillé sur les résultats obtenus a été présenté en4. Le résultat le plus important est que lors de la substitution d’une lentille de Fresnel de SoG classique avec une lentille de Fresnel ADG, la concentration réalisable augmente environ trois fois tout en conservant la même efficacité optique. En outre, depuis le processus de fabrication8 envisagées pour obtenir l’ADG est très similaire à celle employée pour fabriquer des lentilles de SoG, l’augmentation de concentration sera obtenue sans augmenter significativement le coût.
Nous présentons ici un protocole pour effectuer une caractérisation complète des concentrateurs comprenant une lentille réfractive primaire et nous appliquons ce protocole à la fois une lentille de Fresnel de SoG classique (utilisé comme point de repère) et plusieurs prototypes de lentille de Fresnel ADG. Pour ce faire, un simulateur solaire pour CPV a été utilisé. Une description détaillée du simulateur et tous ses composants, ainsi que ses principes de fonctionnement, a été présentée ailleurs9.
La méthode proposée pour la caractérisation des lentilles de Fresnel ADG comprend deux procédures différentes : la première utilise des cellules solaires comme capteurs de lumière, tandis que le second est basé sur une caméra CCD.
Appliquant la cellule solaire selon la procédure, le photocourant généré par une cellule solaire MJ a été mesuré à l’aide de différentes lentilles de Fresnel comme concentrateurs. Comme décrit dans le protocole, le simulateur solaire CPV fait utiliser une ampoule de flash au xénon émettant de la lumière qui se réfléchit sur un miroir parabolique. Tel un miroir génère un faisceau lumineux collimaté sur le plan de mesure (qui coïncide avec l’ouverture de l’objectif). En raison des tolérances de fabrication de miroir et la rugosité de la surface, la lumière collimatée n’est pas uniforme sur le plan de mesure. La non-uniformité de l’éclairement énergétique créé par le simulateur solaire est la principale source d’erreur dans nos mesures expérimentales10. Étant donné que les lentilles grands intègrent l’éclairement énergétique sur le plan de mesure sur une grande surface, l’erreur due à la non-uniformité dépend de la taille de la lentille. Le simulateur solaire pour les systèmes CPV utilisé à l’Institut de l’énergie solaire atteint une uniformité superieur de ± 5 % pour optique de 3 x 3 cm9. Pour la lentille de Fresnel ADG testée ici, dont ouverture optique est de 40 x 40 mm, l’effet de non-uniformité au cours de la mesure peut être critique. Afin de réduire cette incertitude, une lentille de référence est re-mesurée avant la tenue de toute expérience. En outre, lorsqu’on effectue ces mesures, il est primordial d’être particulièrement prudent lors de l’alignement de la cellule et la lentille. En effet, la cellule solaire doit être placé exactement centré avec la tache lumineuse fondues par la lentille afin d’éviter un mauvais alignement, car si un mauvais positionnement initial est utilisé, la réduction de photocourant en raison de la défocalisation est altérée. Une autre erreur qui peut survenir est celle causée par des facteurs d’ombrage différente de la grille de métallisation avant (la cellule solaire MJ utilisée comme un capteur est étalonné à l’aide d’éclairement uniforme, mais les lentilles il monter un profil gaussien forme lors de la mesure). Pour vous assurer que la métallisation est sans incidence sur les résultats expérimentaux, il est utile de réaliser plusieurs mesures de déplacement de la lentille et, en conséquence, la tache lumineuse sur le plan du récepteur. Si le photocourant mesuré varie significativement quand bougeant légèrement la tache lumineuse, cela signifie que la grille de métallisation affecte les mesures.
Il existe d’autres méthodes appropriés pour mesurer l’efficacité optique d’une lentille primaire, par exemple, à l’aide de capteurs de rayonnement thermique comme thermopiles10. Le principal inconvénient de cette approche est que la réponse d’un capteur thermique est trop lente pour n’importe quelle source de lumière flash. Par conséquent, il ne peut s’appliquer aux mesures extérieures (qui sont très sensibles à la distribution spectrale de l’éclairement énergétique et autres conditions météorologiques). Avec la méthode proposée, cette limitation est évitée.
En outre, à l’aide de la cellule solaire selon la procédure, il serait également possible d’obtenir la taille de la tache éclairer par une lentille. Pour ce faire, les photocourants générés par plusieurs MJ de cellules solaires du même type et différentes mais similaires tailles doivent être mesurés. Pour les cellules dont la taille est plus petite que le spot éclairer par la lentille, le photocourant mesuré diminue de diminution de la surface cellulaire due à la lumière de déversement hors de la cellule. En revanche, le photocourant reste constant pour les cellules solaires MJ dont la taille est plus grande que le spot lumineux, car quelle que soit la surface de la cellule, toute la lumière transmise par l’objectif atteint la cellule solaire. Par conséquent, la taille de la tache lumineuse est égale à la taille de la plus petite cellule qui atteint le maximum d’efficacité. Pour cette méthode, plus le nombre de cellules solaires utilisés, plus la résolution.
Étant donné un ensemble de cellules solaires apte à effectuer les mesures décrites n’est pas toujours disponible, la procédure de caméra CCD a été proposée pour mesurer la taille de tache lumineuse. Grâce à la large gamme dynamique du capteur CCD, à l’aide de photographies de la tache lumineuse prise avec l’appareil photo, une comparaison précise entre les valeurs de crête et de la vallée est possible. Pour calculer la valeur absolue de l’irradiance, un étalonnage de l’installation entière, y compris les filtres et la caméra CCD, serait nécessaire. Néanmoins, les photographies, il est possible de séparer la zone éclairée de la zone sombre au-dessus d’une image et, ainsi, estimer la taille de tache lumineuse. Les principaux inconvénients de cette technique sont le décalage spectral entre le capteur CCD et une cellule solaire MJ et le bruit produit par les sources de lumière différent de la faisceau collimaté généré par le simulateur solaire. Concernant le premier problème, en ajoutant un miroir chaud ou froid à la caméra, il est possible d’obtenir une réponse spectrale est très semblable à celui du dessus et du milieu cellules secondaires (voir Figure 6). En outre, afin de limiter le bruit de fond, il faut complètement assombrir la chambre du simulateur CPV. Comme il est presque impossible d’éviter complètement les sources lumineuses externes, le traitement de l’image est très important et doit être bien programmé. L’étape la plus critique est l’élimination du bruit de fond. Filtrage de bruit peut être partiellement automatisé, mais, en raison de la forte dépendance à des facteurs externes qui sont difficilement prévisibles, chaque image traitée subit un examen visuel.
La procédure de CCD permet d’obtenir l’évolution de la taille de tache lumineuse en fonction de la température de la lentille en ajoutant au système une chambre thermique où sont placés les lentilles. Dans ce cas, outre les sources d’erreur décrite précédemment, incertitude découle des mesures de température de lentille. Le thermocouple de contrôle (celui directement connecté à l’ordinateur) n’atteint pas la température de l’objectif réel parce que le capteur est placé dans un point de la chambre thermique proche mais pas directement lié aux lentilles à mesurer. Par conséquent, la température mesurée à l’aide d’un thermocouple de tel est une température moyenne de l’environnement qui entoure les lentilles, et il ne correspond pas nécessairement à la température de l’objectif réel. C’est pourquoi la connexion chaque lentille à un thermocouple indépendant est recommandé. Néanmoins, il y a probablement un gradient de température entre les différents points de la lentille. Afin de quantifier cette incertitude, une fois que la chambre thermique atteint la température désirée, et avant d’effectuer toute mesure, il est préférable d’attendre 15-20 minutes pour laisser la température du système deviennent aussi uniforme que possible.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été partiellement soutenu par le ministère espagnol de l’économie et la compétitivité dans le projet Acromalens (ENE2013-45229-P) et il reçoit une subvention de l’Union européenne Horizon 2020 programme de recherche et l’innovation au sein du projet CPV Correspondre au titre de la subvention contrat N° 640873.
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 |