Hybrides High

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 5206 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Studie schlagen wir eine neuartige Hochkonzentrations-Photovoltaikzelle (HCPV) vor, indem wir sowohl die Lichtleckeigenschaften der Fresnel-Linsen-basierten Solarzellenmodule als auch die Leistungsprobleme berücksichtigen, die sich aus der Wolkenabschattung im praktischen Einsatz ergeben. Mit unseren selbstgebauten Anlagen führen wir Feldmessungen bis zu einem halben Jahr unter verschiedenen Umgebungsbedingungen durch. Den gewonnenen Ergebnissen zufolge war es überraschend zu wissen, dass in dem Bereich außerhalb des Fokussierungsbereichs, dem sogenannten Lichtleckbereich, immer eine Beleuchtungsstärke von etwa 20.000–40.000 Lux herrscht, egal ob es ein sonniger oder bewölkter Tag ist unterschiedliche Wolkenbedingungen. Dieses interessante Ergebnis wird durch die Lichtstreuung der Wolken und die inhärente Streucharakteristik einer Fresnel-Linse verursacht. Um diese wichtige Erkenntnis zu beweisen, haben wir die Beleuchtungsstärke der bei der Messung verwendeten Fresnel-Linsenstruktur mit unterschiedlich großen Aperturen simuliert, um den erfassten Bereich zu bestimmen. Im Labor wurden die diffusen Platten verwendet, um die Situation unterschiedlicher Wolkenschichtdicken nachzuahmen. Der Trend der berechneten und gemessenen Ergebnisse stimmte gut mit den Feldmessungen überein. Die experimentellen und Simulationsergebnisse zeigen außerdem, dass der runde Winkel und die Formschräge der Fresnel-Linse für den Lichtaustritt verantwortlich sind. Diese Erkenntnis veranlasste uns, ein Hybrid-Solarmodul mit hoher Konzentration vorzuschlagen, bei dem kostengünstigere polykristalline Silizium-Solarzellen um den hocheffizienten Wafer von HCPV herum platziert werden, um das Verlustlicht einzufangen und in nutzbaren Strom umzuwandeln.

Unter den 17 miteinander verbundenen globalen Zielen für nachhaltige Entwicklung (SDGs), die 2015 von der Generalversammlung der Vereinten Nationen festgelegt wurden, ist bezahlbare und saubere Energie ein wesentlicher Indikator für eine bessere, nachhaltigere Zukunft für alle. Daher nutzen Forscher für die Erzeugung sauberer und nachhaltiger Energie verschiedene natürliche Ressourcen, um sogenannte grüne Energie zu gewinnen, darunter Windenergie, Geothermie, Wasserkraft, Gezeitenkraft, Solarenergie usw. Unter diesen ist die Solarphotovoltaik weniger durch Gelände oder begrenzt Standort und sind eine nahezu überall auf der Welt verfügbare Energiequelle1. Daher war es schon immer das ultimative Ziel der Entwicklung des menschlichen Lebens, die Lichtenergie der Sonne effektiv in leicht nutzbare elektrische Energie umzuwandeln. Solarzellenmodule aus Halbleitermaterialien gelten als die am wirtschaftlichsten hergestellten Geräte zur Solarstromerzeugung. In den letzten Jahrzehnten wurde dieses Gerät zunehmend zur Stromerzeugung aus Sonnenstrahlen genutzt. Sie sind weltweit auf den Dächern öffentlicher Gebäude und Einfamilienhäuser zu finden. Im Allgemeinen handelt es sich bei den in halbleiterbasierten Solarmodulen verwendeten Materialien um polykristallines Silizium oder III-V- und II-VI-Verbindungshalbleiter, während ihre Photoumwandlungseffizienz 15 % bzw. 45 % beträgt2,3,4. Was den Produktpreis betrifft, sind die Kosten für Solarmodule aus III-V- oder II-VI-Verbindungshalbleitern viel höher als die für Polysilizium-Solarmodule. Allerdings werden aus Effizienzgründen immer noch III-V- oder II-VI-Halbleiter für Solarmodule in Solarkraftwerken verwendet. Sie werden in begleitenden Sonnennachführungssystemen eingesetzt, um die Effizienz der Stromerzeugung zu verbessern5. Darüber hinaus können wir eine optische Linse über dem auf Verbundhalbleitern basierenden Solarpanel konfigurieren, um das nahezu parallel einfallende Sonnenlicht effektiv auf einen begrenzten Bereich solch teurer Solarzellen zu fokussieren6,7. Solarzellenmodule mit dieser Konfiguration werden als hochkonzentrierte Photovoltaik (HCPV)8,9 bezeichnet, was bedeutet, dass durch die Gestaltung und Verwendung optischer Elemente der Großteil der Sonnenenergie auf einem kleinen Solarwafer gesammelt werden kann. Auf diese Weise können nicht nur Hochleistungs-Verbindungshalbleitermaterialien vollständig für die Stromversorgung von Solarzellen genutzt werden, sondern auch die Kosten aufgrund der Reduzierung der verwendeten Materialien erheblich gesenkt werden.

Bei den HCPV-Systemen hängt die Richtung des Sonnenlichts auf der Linse eng mit der Menge an Sonnenenergie zusammen, die von der Solarzelle gesammelt werden kann. Daher müssen wir ein zeitvariables Sonnennachführungssystem verwenden, um die höchste Umwandlungseffizienz zu erzielen. Daher erfordert auch der Aufbau der Fokussierlinse eine besondere Gestaltung. Zusätzlich zum richtigen Fokussierabstand ist es unser Ziel, die Anzahl der Fokussierlinsen pro Flächeneinheit zu erhöhen und das Gewicht der Linse selbst so weit wie möglich zu reduzieren. Herkömmliche Fokussierlinsen stellen im Allgemeinen aufgrund der akzeptablen Brennweite und der entsprechenden Linsengröße eine Herausforderung dar, sodass es schwierig ist, diese optimalen Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen, was wiederum den Preis des Sonnennachführungssystems erhöht. Eine wirksame Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, ist die Verwendung einer Fresnel-Linse10. Xie und Sierra et al. untersuchten die Anwendung der Fresnel-Linse bei hoher Sonnenenergiekonzentration11,12. Chen und Yamada et al. schlugen das Fresnel-Linsen-Design vor, um die Verteilung der Gleichmäßigkeit der Beleuchtungsstärke zu verbessern13,14, berücksichtigten jedoch nicht das Problem des Lichtaustritts der Fresnel-Linse und der Effizienz der Stromerzeugung bei Wetterbedingungen mit starker Bewölkung. Obwohl das HCPV-System in Kombination mit der Fresnel-Linse die Energie des Sonnenlichts effektiv nutzt, kann die Fresnel-Linse die Sonnenstrahlen nicht effektiv sammeln, wenn sich die Wolken am Himmel verändern, was zu einer Verringerung der Effizienz der HCPV-Stromerzeugung führt. In diesem Artikel wird eine neuartige Entdeckung des Lichtlecks in einem HCPV vorgestellt, das unter verschiedenen Wolkenbedingungen ein bestimmtes Maß an Beleuchtungsstärke aufrechterhalten könnte, und ein hybrides Lichtsammelsystem vorgeschlagen, das für verschiedene Wetterbedingungen geeignet ist und die Effizienz der Stromerzeugung optimal bleibt. Neue technische Erkenntnisse werden durch Feldmessungen unter verschiedenen Wolkenbedingungen demonstriert.

Eine Fresnel-Linse ist eine Art Komposit-Kompaktlinse, deren struktureller Aufbau schematisch in Abb. 1a dargestellt ist. Sie ermöglicht die Konstruktion von Linsen mit großer Apertur und kurzer Brennweite ohne die Masse und das Materialvolumen, die für eine herkömmliche Linse erforderlich wären Design15,16,17. Daher kann eine Fresnel-Linse viel dünner hergestellt werden als eine herkömmliche Linse. Fresnel-Linsen sind so konzipiert, dass sie das Gewicht der Linse erheblich reduzieren, sodass sie den Anforderungen eines Sonnennachführungssystems gerecht werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Linsen können jedoch nicht glatte und nicht kontinuierliche Linsenoberflächen, die in mehreren Segmenten verteilt sind, aufgrund von Herstellungsfehlern wie den Krümmungsradien und Entformungswinkeln der hergestellten Fresnel-Linsen unvermeidlich zu erheblichen Lichtverlusten führen, wie in Abb. 1b dargestellt . Kleine Veränderungen in diesen Strukturen können dazu führen, dass ein Teil des parallel einfallenden Sonnenlichts nicht effektiv durch die Fresnel-Linse in den Energiegewinnungsbereich im Solarzellenmodul fokussiert werden kann, was zu einer verringerten Effizienz der Stromerzeugung führt. Für die Simulationsberechnung mit dem Advanced System Analysis Program (ASAP)18 verwendeten wir eine Fresnel-Linse, wobei der Krümmungsradius der Rundwinkel (RVRA) und Formschrägen etwa 0,1 mm bzw. 1° betrug. Die Breite der Fresnel-Linse betrug 129 mm und die Dicke 1,81 mm. Die Ergebnisse der Simulationsberechnung sind in Abb. 1c durch Monte-Carlo-Raytracing19 dargestellt, wobei die Gesamtzahl der Simulationsstrahlen 10.000.000 betrug. Bei der Verwendung der Fresnel-Linse als Fokussierungslinse von HCPV können die meisten einfallenden Strahlen zwar effektiv im Fokusbereich konzentriert werden, der dem Energiesammelbereich entsprechen kann, dennoch wird ein Teil der Lichtenergie aus dem Energiesammelbereich abgeleitet Region. Die Größe des Fokussierungsbereichs in der Simulation betrug etwa 1,1 mm × 1,1 mm, das Leistungsverhältnis der Fokussierung betrug 63 % und das Lichtleckverhältnis außerhalb des Fokussierungsbereichs betrug 37 %.

Schematische Darstellung der Fresnel-Linsenstruktur und der simulierten Strahlausbreitung. (a) Die Struktur der Fresnel-Linse. (b) Die schematische Skizze stellt das vergrößerte Bild der Rillen in Fresnel-Linsen dar. (c) Raytracing-Simulation und eine Reihe von Strahlenfächern der Fresnel-Linse. (d) Die simulierte optische Flussverteilung über die Brennebene. Die außerhalb des Fokusbereichs angezeigte Beleuchtungsstärke stammte vom Lecklicht.

Ein weiteres praktisches Problem beim Einsatz von HCPV-Solarmodulen besteht darin, dass der Himmel nicht immer klar und wolkenlos sein kann. Wenn also eine Wolkenschicht das Sonnenlicht und die Solarmodule durchdringt, werden die Sonnenstrahlen durch die Wassermoleküle innerhalb der Wolke mehrfach gestreut, was zu einer Änderung der Ausbreitungsrichtung des in das Solarmodul eintretenden Lichts führt, die nahezu parallel verläuft. Die Änderung der Ausbreitungsrichtung des Sonnenlichts hängt mit der Dicke der Wolken zusammen. Wenn die Wolkendicke dünn ist, wird die Vorwärtsrichtung des Sonnenlichts größtenteils nicht beeinflusst, sodass das Sonnenlicht immer noch auf die Solarzellenmodule konzentriert werden kann. Wenn jedoch die Dicke der Wolkenschicht eine bestimmte Dicke erreicht, kollidieren die Sonnenstrahlen, die durch die Wolkenschicht dringen, zufällig mit Wassermolekülen, was zu einem zufälligen Streupfad führt. Dadurch wird das Sonnenlicht nicht mehr gebündelt, wenn es die Fresnel-Linse erreicht, und kann daher mit einer Linse nicht effizient auf die Solarzelle konzentriert werden, was zu einer Verringerung der Beleuchtungsstärke auf der Solarzelle führt. Wenn in diesem Fall eine Solarzelle auf III-V-Halbleiterbasis verwendet wird, weist das HCPV aufgrund seiner kleinen Lichtsammelfläche nahezu keine Leistungsumwandlungseffizienz auf.

Um die durch den Einsatz von Fresnel-Linsen verlorene Lichtenergie effektiv zu nutzen und hocheffiziente Solarzellenmodule herzustellen, die bei verschiedenen Wetterbedingungen eingesetzt werden können, wurde im Rahmen dieser Forschungsarbeit zunächst die Lichtenergie im Lichtleckbereich von Fresnel berechnet und gemessen Linsen mit unterschiedlichen Strukturen unter monochromatischer Lichteinstrahlung. Als nächstes verwendeten wir diffuse Platten mit unterschiedlichen Eindringraten, um die Außenbedingungen unterschiedlicher Wolkenschichtdicken nachzuahmen und maßen die seitliche Lichtintensitätsverteilung auf dem Solarzellenmodul. Abschließend fassen wir die Ergebnisse von Außenfeldmessungen zusammen und schlagen ein hochkonzentriertes Hybrid-Photovoltaikmodul vor. Wir gehen davon aus, dass ein solches System die Vorteile von HCPV- und polykristallinen Silizium-basierten Solarmodulen gleichzeitig kombinieren und bei verschiedenen Wetterbedingungen eine vergleichbare Leistungsumwandlungseffizienz erreichen kann Bedingungen.

Was die Struktur der Fresnel-Linse betrifft, können weder die Formschräge noch die durch die Formenherstellung verursachte RVRA dazu führen, dass das einfallende Licht im gleichen Fokusbereich konvergiert. Daher entsteht im HCPV-Zellenmodul ein Lichtleckbereich. Die Formschräge ist ein Nebeneffekt des Linsenverdünnungsprozesses. Je größer die Formschräge, desto dünner ist die Fresnel-Linse. Ein weiterer Aspekt, der zusammen mit der Formschräge auftritt, ist der runde Winkel. Der runde Winkel entsteht durch die große Winkeldrehung in der Struktur der Fresnel-Linse. Ebenso kann die Rundwinkelstruktur das Sonnenlicht nicht im zentralen Bereich konzentrieren. Beim Herstellungsprozess der Fresnel-Linse ist während des Entformungsprozesses eine Entformungsschräge von mindestens 1° erforderlich. Der runde Winkel hat normalerweise einen Krümmungsradius von Hunderten von Mikrometern oder mehr. Diese Faktoren können die Lichtkonzentrationssituation noch verschlimmern. Wir können seinen Einfluss auf die Lichtkonzentration anhand des Flächenverhältnisses der schrägen Facettenstruktur und des Rundwinkels in der Fresnel-Linsenstruktur abschätzen. Der Lichtverlust L, der durch die Formschräge und den runden Winkel verursacht wird, kann ausgedrückt werden

wobei der AF die Projektionsfläche der Fresnel-Linse ist. AG ist die Gesamtprojektionsfläche der Entwurfsfacette und AR ist die vom runden Winkel eingenommene Projektionsfläche. Wenn daher die Fresnel-Linse dünner ist, nimmt die Anzahl der Segmente zu, sodass auch der Anteil des Lichtverlusts zunimmt. Um die obige Aussage zu verifizieren, verwendeten wir zwei Fresnel-Linsen mit ähnlichen Flächen zur Lichtstrommessung, wie in Abb. 2 dargestellt. Im Experiment wurde ein monochromatischer Laserstrahl mit einer zentralen Wellenlänge von 532 nm genutzt, um Lichtkonzentrationsexperimente durchzuführen. Wie in Abb. 2c gezeigt, passierte das Laserlicht zunächst eine Objektivlinse und dann eine Linse mit großer Apertur, um den kollimierten Lichtstrahl zu bilden. Wir haben diesen kollimierten Strahl verwendet, um die Eigenschaften des Sonnenlichts im Freien nachzuahmen. Die beiden Fresnel-Linsen sind in Abb. 2 jeweils im Lichteinstrahlungspfad dargestellt. Fresnel-Linse Nr. 1 ist eine dünnere Linse mit mehr Segmenten und Fresnel-Linse Nr. 2 ist eine dickere Linse mit weniger Segmenten. Am Ende wurde ein Lichtdetektor mit einer rechteckigen Apertur von 10 mm × 16 mm in seiner Brennebene platziert, um den Lichtstrom des Fokussierungsflecks zu messen. Die gemessenen Lichtleckraten der beiden Linsen betrugen 43 % bzw. 36 %. Da die in Abb. 1 gezeigte Simulation für die dickere Fresnel-Linse Nr. 2 galt, konnten wir das Messergebnis mit der in Abb. 1 gezeigten Simulation vergleichen. Der Lichtverlust der Messung betrug 36 %, wenn der Fokusbereich 10 mm × 16 betrug mm. Die Simulation des Lichtaustritts betrug 37 %, wenn der Fokusbereich auf 1,1 mm × 1,1 mm eingestellt wurde, was viel kleiner war als bei der Messung. Der Unterschied im Fokusbereich lässt sich wie folgt erklären. Obwohl die wichtigsten optischen Parameter der Fresnel-Linse in der Simulation festgelegt wurden, befand sich die simulierte Fresnel-Linse immer noch in einem idealen Zustand. Dies bedeutet, dass kein Herstellungsfehler vorlag und das einfallende Licht gut gebündelt war. Diese beiden Faktoren waren im Experiment nicht möglich. Dadurch könnte der Fokussierungsfleck im Experiment im Vergleich zum Idealfall, etwa in der Simulation, seitlich erweitert oder unscharf sein. Die Simulation und die experimentelle Messung zeigten jedoch, dass sowohl in der Simulation als auch im Experiment etwa 36–37 % Lichtverlust außerhalb des Fokussierungsbereichs beobachtet werden konnten. Ohne Zweifel wurde der Leckagemechanismus einer Fresnel-Linse gut nachgewiesen.

Lichtleckmessungen der Fresnel-Linsen im Labor. (a) Die dünnere Fresnel-Linse (Fresnel-Linse Nr. 1): 60 Hauptsegmente mit einer Dicke von 0,56 mm. (b) Die dickere Fresnel-Linse (Fresnel-Linse Nr. 2): 9 Hauptsegmente mit einer Dicke von 1,81 mm. Beide Fresnel-Linsen haben den gleichen Radius. (c) Die Wellenlänge der Lichtbestrahlung beträgt 532 nm und die Leistung beträgt etwa 100 mW. Mit der Kollimationslinse deckt der Lichtstrahl die Fresnellinsen vollständig ab.

Ein weiteres Problem bei der Anwendbarkeit von HCPV resultiert aus Wellenfrontstörungen, die durch Wolken verursacht werden, wenn Sonnenlicht durch die Erdatmosphäre dringt. Wenn Lichtwellen Wolken mit beträchtlicher Dicke durchdringen, kollidiert ein Teil des Lichts mit Wassertröpfchen, verursacht Lichtbrechung oder -reflexion und bildet schließlich zufällige Lichtstreuung. Wenn das Licht in eine Fresnel-Linse eintritt, kann es daher nicht mehr als paralleles Licht betrachtet werden, und der konzentrierte Strahl wird nicht auf den Mittelpunkt des HCPV-Moduls fokussiert. Um diesen Effekt zu beweisen, haben wir die in Abb. 2 dargestellte experimentelle Konfiguration verwendet und verschiedene Diffusoren zwischen den Kollimations- und Fresnel-Linsen platziert. Die drei Diffusoren hatten unterschiedliche One-Shot-Transmissionsgrade, definiert als das Verhältnis des durchdringenden Lichtflusses und des einfallenden Lichtflusses eines bestimmten Diffusors20. Diese Diffusoren ermöglichen unterschiedliche Durchdringungsverhältnisse des Kollimationsstrahls, wodurch der Einfluss von Wolken auf das Sonnenlicht simuliert werden könnte. Die Versuchsergebnisse sind in Abb. 3 zusammengefasst. In Abb. 3a konnte ein klarer konzentrierter Strahlfleck um die Mitte des erfassten Bereichs beobachtet werden, was darauf hinweist, dass der größte Teil der Energie an einer begrenzten Stelle gesammelt wurde. Ein solches Ergebnis könnte verwendet werden, um Tage mit klarem Himmel nachzuahmen. In Abb. 3b–d konnten wir anhand der Fotos beobachten, dass die Hintergrundmuster zunehmend unscharf wurden. Gleichzeitig nahm die Intensität im Zentralbereich ab und die Beleuchtungsstärke der Umgebung näherte sich immer mehr der Intensität im Zentralbereich an. Fresnel-Linsen Nr. 1 (blau) und Nr. 2 (rot) zeigten ähnliche Eigenschaften.

Objektivfokussierungsleistung durch den Einsatz von Streugläsern zur Nachahmung des Wetters bei unterschiedlichen Bedingungen. Die einmaligen Transmissionsgrade der Diffusoren betragen (a) 100 % ohne Diffusor für den klaren Himmel, (b) 83 % für die leichte Wolke, (c) 65 % für die mittlere Wolke und (d) 56 % für den schwere Wolke.

Die im Labor verwendete Lichtquelle war eine grüne Laserdiode und entsprach nicht den praktischen Bedingungen. Um den optischen Effekt zu verstehen, der durch die Struktur der Fresnel-Linse beeinflusst wird, mussten wir die Beleuchtungsstärke durch Sonnenlicht und die entsprechende Simulation vergleichen. Deshalb haben wir die Beleuchtungsstärke des fokussierten Sonnenlichts mit der Fresnel-Linse gemessen. Bei den Messungen haben wir für Experimente die Fresnel-Linse Nr. 2 gewählt und einen Fotodetektor (Thorlabs PM16-12) verwendet, der bei Hochleistungsbeleuchtung zur Messung der Leistung des Brennflecks verwendet werden kann. Da die Messung unter fließendem Sonnenlicht durchgeführt wurde und der Fokussierungsfleck kein idealer kleiner Punkt war, bezog sich die Beleuchtungsstärke auf die Aperturgröße des Fotodetektors. Das Ergebnis war, dass eine genaue Messung des fokussierenden Sonnenlichts schwierig wurde. Alternativ haben wir die Blende des Fotodetektors geändert, um mehr Daten zu sammeln, und versucht, die Korrelation zwischen der Beleuchtungsstärke und der Blendengröße herauszufinden. Die Messergebnisse sind in Abb. 4 dargestellt, wobei die vertikale Achse das Beleuchtungsstärkeverhältnis am Fokuspunkt und am Boden ohne Fokussierlinse angibt. Es gibt drei Simulationskurven. Die schwarze Kurve ist das berechnete fokussierte Beleuchtungsstärkeverhältnis für ein herkömmliches Objektiv mit derselben Blendenzahl. Die blauen und rosafarbenen Kurven werden mit Fresnel-Linsen mit einem RVRA von 0,2 mm bzw. 0,5 mm erhalten. Der geringfügige Unterschied zwischen den drei Kurven wurde durch die geometrischen Strukturen der Fresnel-Linse verursacht. Die Situation der Messung war anders. Das wandernde Sonnenlicht erschwerte die Messung der Beleuchtungsstärke durch eine winzige Öffnung. Deshalb haben wir uns entschieden, die Größe und Form der Blende (einschließlich Kreis und Quadrat) zu ändern. Die Messung ist in Abb. 4 dargestellt, wo das Messergebnis einen ähnlichen Trend des Verhältnisses als Funktion der Aperturfläche zeigt. Somit half die Fresnel-Linsensimulation dabei, die optischen Eigenschaften des Sonnenlichts vorherzusagen.

Leistungsmessungen von Fresnel-Linsen unter Sonnenlicht. Wenn die Größe und Form der Blende geändert wurde, wurde die Messung bei klarem Sonnenlicht mit Fresnel-Linse Nr. 1 durchgeführt. Die drei Kurven zeigen die zugehörigen Simulationen.

Um die Konzentrationseffizienz und die Lichtleckeigenschaften des HCPV-Moduls unter tatsächlichen Wetterbedingungen zu verstehen, haben wir für alle folgenden Feldmessexperimente dennoch Fresnel-Linse Nr. 2 ausgewählt. Wir haben ein 2 × 2-Fresnel-Linsen-Array auf einer Box mit zwei Rotationsdimensionen aufgebaut. Das Fresnel-Linsen-Array kann jederzeit manuell so eingestellt werden, dass es direkt der Sonne zugewandt ist. Während der Messung traten unterschiedliche Wetterbedingungen auf, da sich die Dicke der Wolkenschicht veränderte. Daher konnten wir am unteren Rand der Box beobachten, dass die Helligkeit des Lichtleckbereichs abhängig von der Änderung der Wolkendicke variiert. Die Beleuchtungsstärke dieses Bereichs war die physikalische Größe, die in diesem Experiment gemessen werden sollte.

Während des halbjährlichen Messvorgangs können wir die Wetterbedingungen entsprechend der Wolkendicke grob in drei Situationen einteilen. Das erste ist ein klarer Himmel, das heißt, beim Blick in den Himmel gibt es keine Wolken und die Bodenbeleuchtungsstärke übersteigt 100.000 Lux. Der zweite ist ein leicht bewölkter Himmel, das heißt, die Dicke der Wolkenschicht ist dünn und die Sonne ist durch die Wolkenschicht noch undeutlich zu sehen. An leicht bewölkten Tagen ist ein Teil des Lichts noch parallel, so dass der Fokuspunkt noch deutlich beobachtet werden kann. Allerdings ist die Lichtintensität im Brennpunkt im Vergleich zum klaren Himmel stark reduziert. Der dritte ist ein stark bewölkter Himmel, das heißt, die Wolkenschicht ist dicker und die Helligkeit des gesamten Himmels ist gleichmäßiger. Bei diesem Wetter ist es schwierig, den richtigen Sonnenstand zu ermitteln. Das heißt, nachdem die Wolken das Sonnenlicht gestreut haben, ist seine Wellenfront unregelmäßig verteilt. Zu diesem Zeitpunkt ist am unteren Rand des Felds kein Fokuspunkt zu sehen. Nach mehr als sechsmonatigen Messungen haben wir die Bodenbeleuchtung und den Lichtaustritt unter verschiedenen Wetterbedingungen gemessen. Die Messergebnisse und das Verhältnis zwischen den beiden physikalischen Größen sind in Abb. 5 zusammengefasst. Abbildung 5a–c zeigt die Werte der Bodenbeleuchtungsstärke (hellblaue Balken) und der Leckbeleuchtungsstärke (dunkelblaue Balken) für klaren Himmel, leicht bewölkte bzw. stark bewölkte Tage. Die roten Kurven der Abbildung zeigen die Belegungsverhältnisse der Lichtintensität im Lichtleckbereich bei klarem Himmel, leicht bewölkten und stark bewölkten Tagen, die jeweils etwa 40 %, 65 % und 80 % betrugen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der Prozentsatz des Lichtaustritts unter der Fresnel-Linse höher war, wenn die Wolkenschicht dicker war. Der Wert der Bodenbeleuchtung nahm mit zunehmender Wolkendicke ab, was bedeutet, dass auch die von der Fresnel-Linse im Fokuspunkt konvergierte Energie verringert wurde.

Feldmessergebnisse unter verschiedenen Wetterbedingungen. (a) Klarer Himmel, (b) leichte Bewölkung und (c) schwere Bewölkung. Selbst an bewölkten Tagen kann der Bereich, in dem das Licht zerstreut wird, aufgrund des Vorhandenseins der Linse immer noch fast 80 % des Lichts haben. Dies ist sehr hilfreich für die gleichzeitige Entwicklung eines Gleichgewichts zwischen Solar-Photovoltaik und Agrarökologie.

Aus den obigen experimentellen Ergebnissen ist es wichtig und interessant festzustellen, dass die Beleuchtungsstärkewerte des Lichtleckbereichs selbst bei unterschiedlichen Wolkendicken keine signifikanten Änderungen aufweisen. Dies liegt daran, dass der Prozentsatz des Lichtaustritts umso geringer ist, je höher die Bodenbeleuchtung ist. Der Wert der Bodenbeleuchtungsstärke nimmt mit zunehmender Wolkendicke ab, aber der Prozentsatz der Lichtleckage steigt. Wir stellen daher fest, dass die Beleuchtungsstärke des Leckbereichs unabhängig von den Wetterbedingungen nahezu einem konstanten Wert entspricht. Der Lichtverlust von HCPV wird durch zwei optische Phänomene verursacht, darunter die Streuung des Sonnenlichts durch Wolken und den Lichtverlust, der durch die Struktur der Fresnel-Linse verursacht wird. Diese Art von Lichtverlust sollte ausreichend genutzt werden. Die erste Idee besteht darin, die Grundplatte des herkömmlichen HCPV von einem Metallkühlkörper in ein transparentes Medium umzuwandeln, damit Licht von außerhalb des Zentrums den Boden erreichen kann. Diese Verteilung des Sonnenlichts zwischen 20.000 und 40.000 lx soll das Wachstum einiger Pflanzen am Boden unterstützen. Daher können landwirtschaftliche Tätigkeiten mit mittlerer Ausleuchtung durch den Umstieg auf transparente Sockelleisten durchgeführt werden. Darüber hinaus können wir aus Sicht der Stromerzeugung auch kostengünstige Solarmodule zur Verlegung im Leckagebereich zur Stromerzeugung verwenden. Daher haben wir eine Stromerzeugungsanlage entworfen, die die Vorteile von HCPV- und polykristallinen Solarmodulen vereint.

Ein hybrides Photovoltaiksystem mit hoher Konzentration wird entworfen und vorgeschlagen, indem ein hocheffizientes III-V-Solarmodul am Fokuspunkt platziert und ein polykristallines Solarmodul auf Siliziumbasis darum herum gelegt wird, wie in Abb. 6a schematisch dargestellt. Im schematischen Diagramm in Abb. 6a passiert der parallele Strahl der Sonne die Fresnel-Linse und wird auf das hocheffiziente Solarpanel fokussiert. Das aus der Fresnel-Linsenstruktur austretende Licht und das Streulicht des durch die Wolken fallenden Sonnenlichts können zur Stromerzeugung zum polykristallinen Solarmodul auf Siliziumbasis (PSSP) geleitet werden. Bei klarem Himmel wird das Licht auf die hocheffiziente Solarzelle konzentriert, sodass die Effizienz der Stromerzeugung hoch ist. Bei starker Bewölkung kann das Sonnenlicht nicht auf die hocheffiziente Solarzelle konzentriert werden, so dass ein herkömmliches HCPV nicht effektiv Strom erzeugen kann, dieses Design jedoch immer noch Strom durch polykristalline Solarmodule erzeugen kann.

Vorgeschlagenes Hybrid-Photovoltaikgerät mit hoher Konzentration. (a) Das schematische Diagramm des vorgeschlagenen Hybrid-Photovoltaikgeräts umfasst eine Fresnel-Linse, eine hochwertige III-V-Photovoltaikkomponente im fokussierten Bereich und herkömmliche PSSPs, die darum herum angeordnet sind. (b) Die Vergleiche des Stromerzeugungsverhältnisses zwischen den drei Designs, wobei blaue Balken für das Szenario mit klarem Himmel und graue Balken für das Szenario mit stark bewölktem Himmel stehen (siehe Abb. 5c).

Um die Stromerzeugungseffizienz unseres vorgeschlagenen hochkonzentrierten Hybrid-Photovoltaiksystems unter verschiedenen Wetterbedingungen abzuschätzen, haben wir die Stromerzeugungskapazität der konventionellen hochkonzentrierten Photovoltaik- (HCPV) und hybriden HCPV-Stromerzeugungssysteme verglichen. Zunächst gehen wir davon aus, dass die Fresnel-Linsenfläche etwa 163,8 cm2 beträgt, während die Fläche des III–V-Solarpanels 0,75 cm2 beträgt, sodass die Fläche des polykristallinen Silizium-Solarpanels 163,05 cm2 beträgt. Da die Photonenumwandlungseffizienzen für PSSP- und III-V-Verbindungshalbleiter 15 % bzw. 45 % betragen, gehen wir von Umwandlungseffizienzen von α bzw. 3α für ein PSSP- und ein III-V-Solarpanel aus. Basierend auf der obigen Annahme berechnen wir die Stromerzeugung für verschiedene Solarzellen unter verschiedenen Wolkenbedingungen.

Das erste ist das Szenario bei klarem Himmel, auf das sich die Bedingungen in Abb. 5a beziehen. Der Einfachheit halber gehen wir davon aus, dass die Bodenbeleuchtung 100.000 lx beträgt. Daher kann die Stromerzeugung eines PSSP bei klarem Himmel berechnet werden

Die in Abb. 5a dargestellte Messung zeigt, dass der Lichtverlust unter der Fresnel-Linse 40 % der Bodenbeleuchtungsstärke ohne Fresnel-Linse beträgt. Wir gehen davon aus, dass der optische Fluss im Fokusbereich des HCPV die restliche Leistung ist, die durch die Fresnel-Linse übertragen wird, wo zusätzlich 10 % des Fresnel-Verlusts auftreten. Die Stromerzeugung des HCPV (PHCPV) und des Hybrid-HCPV (Phybrid) kann jeweils beschrieben werden

Die Gleichungen (3) und (4) deuten darauf hin, dass das Hybrid-HCPV bei klarem Himmel im Sonnenlicht 40 % der Stromverluste zurückhalten kann und schließlich etwa die doppelte Stromerzeugung eines PSSP erreicht, wie in den blauen Balken in Abb. 6b dargestellt.

Als nächstes diskutieren wir den Fall von Tagen mit starker Bewölkung unter Bezugnahme auf die Bedingungen in Abb. 5c. Hier gehen wir davon aus, dass die Beleuchtungsstärke am Boden 20 % der Beleuchtungsstärke unter klarem Himmel beträgt, also 20.000 lx oder 0,2PPSSP. Daher beträgt die Stromerzeugung des PSSP etwa 0,2 PPSSP. Aus Abb. 5c geht hervor, dass der Lichtverlust der Fresnel-Linse auf 80 % eingestellt ist, sodass die Leistungserzeugung im Lichtleckbereich etwa 0,16 PPSSP beträgt. Unter solchen Bedingungen gibt es keinen markanten Fokuspunkt an der festgezogenen III-V-Solarzelle, wie in Abb. 3d dargestellt, sodass die Stromerzeugung des HCPV um PPSSP/400 berechnet werden kann. Dies bedeutet, dass das HCPV unter der starken Bewölkung am Himmel leidet und unter solchen Bedingungen keine Funktion mehr hat. Allerdings kann das Hybrid-HCPV aufgrund von Lichtlecks immer noch 80 % des Sonnenlichts speichern, und die Gesamtstromerzeugung beträgt etwa 0,16 PPSSP, wie in den grauen Balken in Abb. 6b dargestellt. Infolgedessen verhält sich das Hybrid-HCPV bei klarem Himmel besser als ein HCPV und bei stark bewölktem Himmel wie ein PSSP.

Der Vergleich des Stromerzeugungsverhältnisses verschiedener Solar-Photovoltaik-Geräte ist in Abb. 6b zusammengefasst. Die Berechnungsergebnisse zeigen, dass ein Hybrid-HCPV in allen Szenarien mehr Strom erzeugt als ein HCPV, indem es das Lecklicht der Fresnel-Linse sammelt, und dass die Stromerzeugung an stark bewölkten Tagen, wenn ein HCPV seine Funktion verliert, nahe an der eines PSSP liegt. Das vorgeschlagene Hybrid-HCPV ist ein neues Design, das die Effizienz der Stromerzeugung verbessern und sich an verschiedene Wolkenbedingungen anpassen kann.

In diesem Artikel haben wir mit den theoretischen und praktischen Studien einer Fresnel-Linse begonnen und die inhärenten Lichtleckeigenschaften bei der Verwendung einer Fresnel-Linse als Fokussierungslinse analysiert. Wir haben darauf hingewiesen, dass die Lichtleckage auch durch Wolkenstreuung verursacht wird, die für ein HCPV ein unvermeidbarer Faktor ist. Anschließend wurde eine Reihe von Experimenten mit entsprechenden Berechnungen durchgeführt, um den Mechanismus des Lichtaustritts zu beweisen, unter anderem aus der Fresnel-Linse und den Wolken. Die entsprechende Feldmessung unter Verwendung einer Fresnel-Linse zur Fokussierung des Sonnenlichts wurde sechs Monate lang bei verschiedenen Wolkenhimmelbedingungen durchgeführt.

Den gewonnenen Ergebnissen zufolge war die wertvollste Erkenntnis, dass der auf der Fresnel-Linse basierende Solarkonzentrator im Lichtleckbereich eine Beleuchtungsstärke von etwa 20.000–40.000 Lux aufweist, unabhängig davon, ob es sich um einen sonnigen Tag oder einen bewölkten Tag mit unterschiedlichen Wolkendicken handelt. Dies ist eine inhärente Eigenschaft von HCPV, basierend auf der Fresnel-Linse und den nationalen Sonnenlichteigenschaften. Eine solche Eigenschaft könnte in Solarkraftwerken mit landwirtschaftlichem Nutzen hilfreich sein.

Diese Erkenntnis veranlasste uns, ein hochkonzentriertes Hybrid-Solarmodul vorzuschlagen, bei dem kostengünstigere PSSPs um den hocheffizienten Wafer von HCPV herum platziert werden, um das Verlustlicht einzufangen und in nutzbaren Strom umzuwandeln. Ein solches System kann unter verschiedenen Wolkenbedingungen eine extrem hohe Umwandlungseffizienz aufweisen. Unter der Annahme, dass die Umwandlungswirkungsgrade 15 % bzw. 45 % der PSSP- und III-V-Verbindungshalbleiter betragen, könnte das vorgeschlagene Hybridsystem im Vergleich zu PSSP- bzw. HCPV-Systemen einen Stromerzeugungswirkungsgrad von 190 % bzw. 126 % erreichen klarer Himmel. Bei starker Bewölkung weist das HCPV-System nahezu keinen Wirkungsgrad bei der Stromerzeugung auf, während das vorgeschlagene Hybridsystem mehr als 80 % des Wirkungsgrads bei der Stromerzeugung des PSSP-Systems aufrechterhalten kann. Daher ist das vorgeschlagene neuartige Solarstromsystem nützlich, um bei unterschiedlich bewölktem Himmel eine optimale Solarstromerzeugung zu erreichen.

Alle Datensätze dieser Studie sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Der Autor möchte der Breault Research Organization (BRO), Inc. für das Sponsoring des ASAP-Softwareprogramms danken. Darüber hinaus möchten die Autoren der Fudan High School (Taoyuan) für ihre Unterstützung der Feldmessung danken. Die Forschung wurde vom Nationalen Rat für Wissenschaft und Technologie in Taiwan mit der Zuschuss-Nr. gefördert. MOST 111-2218-E-008-004 –MBK und MOST 111-2221-E-008 -028 -MY3.

Abteilung für Photonik, Hochschule für Elektrotechnik und Informationstechnik, National Yang Ming Chiao Tung University, Hsinchu, 30010, Taiwan

Chi Sun und Tsung Sheng Kao

Abteilung für Optik und Photonik, National Central University, Jongli, Taoyuan, 32001, Taiwan

Chi-Shou Wu, Yong-Sheng Lin, Shuo-Ting Fang, Yao-Hsuan Chiu und Ching-Cherng Sun

Abteilung für Elektrophysik, National Yang Ming Chiao Tung University, Hsinchu, 30010, Taiwan

Ching-Cherng Sun

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Das Studienkonzept und -design stammte vom Teamleiter CCS; CS führte hauptsächlich das 4-Jahres-Experiment und die entsprechende Simulation durch; CSW, STF, YHC führten die Feldmessung durch; CSW und YSL haben eine Simulation durchgeführt; TSK nahm an der Diskussion teil und war für die Manuskripterstellung mit CS, CSW und CCS verantwortlich

Korrespondenz mit Ching-Cherng Sun.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Sun, C., Wu, CS., Lin, YS. et al. Hybride hochkonzentrierte Photovoltaikanlage für unterschiedliche Wetterbedingungen. Sci Rep 13, 5206 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32128-z

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Eingegangen: 27. Dezember 2022

Angenommen: 22. März 2023

Veröffentlicht: 30. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32128-z

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