Hybride élevé

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5206 (2023) Citer cet article

546 accès

10 Altmétrique

Détails des métriques

Dans cette étude, nous proposons une nouvelle cellule photovoltaïque à haute concentration (HCPV) en considérant à la fois les caractéristiques de fuite de lumière des modules de cellules solaires à base de lentilles de Fresnel et les problèmes de performances résultant de l'ombrage des nuages dans l'utilisation pratique. Nous utilisons nos systèmes auto-construits pour effectuer des mesures sur le terrain jusqu'à six mois dans diverses conditions environnementales. Selon les résultats acquis, il était surprenant de savoir que dans la zone autre que la zone de mise au point, la soi-disant région de fuite de lumière, il y a toujours un éclairement d'environ 20 000 à 40 000 lx, qu'il s'agisse d'une journée ensoleillée ou d'une journée nuageuse avec différentes conditions de nuages. Un résultat aussi intéressant est dû à la diffusion de la lumière des nuages et à la caractéristique de fuite inhérente à une lentille de Fresnel. Pour prouver cette découverte importante, nous avons simulé l'éclairement de la structure de la lentille de Fresnel utilisée dans la mesure avec des ouvertures de différentes tailles pour déterminer la zone détectée. En laboratoire, les plaques diffuses ont été utilisées pour imiter la situation de différentes épaisseurs de couches nuageuses. La tendance des résultats calculés et mesurés correspondait bien aux mesures sur le terrain. De plus, les résultats expérimentaux et de simulation montrent que l'angle rond et la facette de tirage de la lentille de Fresnel étaient responsables des fuites de lumière. Cette découverte nous a incités à proposer un module solaire hybride à haute concentration dans lequel des cellules solaires en silicium polycristallin plus rentables sont placées autour de la plaquette à haut rendement de HCPV pour capturer la fuite de lumière dissipée et la convertir en électricité utilisable.

Parmi les 17 objectifs mondiaux de développement durable (ODD) interdépendants fixés par l'Assemblée générale des Nations Unies en 2015, une énergie abordable et propre est un indicateur essentiel d'un avenir meilleur et plus durable pour tous. Par conséquent, pour la production d'énergie propre et durable, les chercheurs utilisent diverses ressources naturelles pour obtenir de l'énergie dite verte, notamment l'énergie éolienne, l'énergie géothermique, l'hydroélectricité, l'énergie marémotrice, l'énergie solaire, etc. Parmi celles-ci, le solaire photovoltaïque est moins limité par le terrain ou l'emplacement et constitue une source d'énergie qui peut être obtenue presque partout dans le monde1. Par conséquent, convertir efficacement l'énergie lumineuse du soleil en énergie électrique facilement utilisable a toujours été l'objectif ultime du développement de la vie humaine. Les panneaux de cellules solaires fabriqués à partir de matériaux semi-conducteurs sont reconnus comme le dispositif de production d'énergie solaire fabriqué le plus économique. Au cours des dernières décennies, cet appareil a été largement exploité pour générer de l'électricité à partir des rayons du soleil. On les retrouve sur les toits des bâtiments publics et des maisons individuelles du monde entier. Généralement, les matériaux utilisés dans les panneaux solaires à base de semi-conducteurs sont le silicium polycristallin ou les semi-conducteurs composés III-V et II-VI, tandis que leurs rendements de photoconversion sont respectivement de 15 % et 45 %2,3,4. En ce qui concerne le prix du produit, le coût des panneaux solaires fabriqués avec des semi-conducteurs composés III-V ou II-VI est beaucoup plus élevé que celui des panneaux solaires en polysilicium. Cependant, pour des raisons d'efficacité, les semi-conducteurs III-V ou II-VI sont toujours utilisés pour les panneaux solaires dans les centrales solaires. Ils sont utilisés dans les systèmes de suivi du soleil pour améliorer l'efficacité de la production d'énergie5. De plus, nous pouvons configurer une lentille optique au-dessus du panneau solaire à base de semi-conducteurs composés pour concentrer efficacement la lumière solaire incidente presque parallèle sur une zone limitée de ces cellules solaires à coût élevé6,7. Les modules de cellules solaires avec cette configuration sont appelés photovoltaïques à haute concentration (HCPV)8,9, ce qui signifie que grâce à la conception et à l'utilisation d'éléments optiques, la majeure partie de l'énergie solaire peut être collectée sur une plaquette solaire de petite taille. De cette manière, non seulement les matériaux semi-conducteurs composés hautes performances peuvent être pleinement utilisés pour l'alimentation électrique des cellules solaires, mais également le coût peut être considérablement réduit en raison de la réduction des matériaux utilisés.

Dans les systèmes HCPV, la direction de la lumière du soleil sur la lentille est étroitement liée à la quantité d'énergie solaire qui peut être collectée par la cellule solaire, nous devons donc utiliser un système de suivi du soleil variant dans le temps pour obtenir l'efficacité de conversion la plus élevée. Par conséquent, la structure de la lentille de focalisation nécessite également une conception particulière. En plus de la bonne distance de mise au point, nous visons à augmenter le nombre de lentilles de mise au point par unité de surface et à réduire autant que possible le poids de la lentille elle-même. Les lentilles de focalisation conventionnelles sont généralement difficiles à concevoir en raison de la distance focale acceptable et de la taille de lentille correspondante, ce qui rend difficile la réalisation simultanée de ces exigences optimales, ce qui à son tour augmente le prix du système de chasse solaire. Un moyen efficace de résoudre ce problème consiste à utiliser une lentille de Fresnel10. Xie et Sierra et al. ont étudié l'application de la lentille de Fresnel à forte concentration d'énergie solaire11,12. Chen et Yamada et al. ont proposé la conception de la lentille de Fresnel pour améliorer la distribution de l'uniformité de l'éclairement13,14, mais ils n'ont pas pris en compte le problème de la fuite de lumière de la lentille de Fresnel et l'efficacité de la production d'énergie dans des conditions météorologiques à gros nuages. Bien que le système HCPV combiné à la lentille de Fresnel utilise efficacement l'énergie du soleil, à mesure que les nuages dans le ciel changent, la lentille de Fresnel ne peut pas collecter efficacement les rayons du soleil, ce qui entraîne une diminution de l'efficacité de la production d'énergie HCPV. Cet article présente une nouvelle découverte de fuite de lumière dans un HCPV, qui pourrait maintenir un certain niveau d'éclairement dans différentes conditions nuageuses, et propose un système de collecte de lumière hybride adapté à différentes conditions météorologiques, et l'efficacité de la production d'énergie reste optimale. De nouvelles découvertes techniques seront démontrées par des mesures sur le terrain dans diverses conditions nuageuses.

Une lentille de Fresnel est un type de lentille compacte composite, et la conception structurelle est schématiquement illustrée à la Fig. 1a, permettant la construction de lentilles à grande ouverture et à courte distance focale sans la masse et le volume de matériau qui seraient requis par une conception de lentille conventionnelle15,16,17. Par conséquent, une lentille de Fresnel peut être rendue beaucoup plus mince qu'une lentille conventionnelle. Les lentilles de Fresnel sont conçues pour réduire considérablement le poids de la lentille afin qu'elle puisse répondre aux exigences d'un système de suivi du soleil. Cependant, contrairement aux lentilles conventionnelles, les surfaces de lentilles non lisses et non continues réparties en plusieurs segments peuvent entraîner des fuites de lumière importantes inévitables en raison d'erreurs de fabrication telles que les rayons de courbure et les angles de dépouille des lentilles de Fresnel fabriquées, comme indiqué sur la figure 1b. Des changements subtils dans ces structures peuvent rendre une partie de la lumière solaire incidente parallèle incapable d'être efficacement focalisée dans la plage de récupération d'énergie dans le module de cellule solaire à travers la lentille de Fresnel, ce qui entraîne une diminution de l'efficacité de la production d'énergie. Nous avons utilisé une lentille de Fresnel pour le calcul de simulation avec Advanced System Analysis Program (ASAP)18, où le rayon de courbure des angles ronds (RVRA) et les angles de dépouille étaient respectivement d'environ 0,1 mm et 1°. La largeur de la lentille de Fresnel était de 129 mm et l'épaisseur est de 1,81 mm. Les résultats des calculs de simulation sont présentés à la Fig. 1c par lancer de rayons Monte Carlo19, où le nombre total de rayons de simulation était de 10 000 000. Lors de l'utilisation de la lentille de Fresnel comme lentille de focalisation du HCPV, bien que la plupart des faisceaux incidents puissent être efficacement concentrés dans la zone de mise au point, ce qui peut être équivalent à la zone de collecte d'énergie, une partie de l'énergie lumineuse est toujours dissipée hors de la région de collecte d'énergie. La taille de la zone de mise au point dans la simulation était d'environ 1,1 mm × 1,1 mm, le rapport de puissance de mise au point était de 63 % et le taux de fuite de lumière en dehors de la zone de mise au point était de 37 %.

Schéma de principe de la structure de la lentille de Fresnel et de la propagation simulée du faisceau. (a) La structure de la lentille de Fresnel. (b) Le croquis schématique représente l'image agrandie des rainures dans les lentilles de Fresnel. ( c ) Simulation de lancer de rayons et ensemble d'éventails de rayons de la lentille de Fresnel. ( d ) La distribution de flux optique simulée à travers le plan focal. L'éclairement montré à l'extérieur de la zone de mise au point provenait de la lumière de fuite.

Un autre problème pratique rencontré lors de l'utilisation de modules solaires HCPV est que le ciel ne peut pas toujours être clair et sans nuages. Ainsi, lorsqu'une couche nuageuse traverse la lumière du soleil et les modules solaires, les rayons du soleil sont multipliés par les molécules d'eau à l'intérieur du nuage, provoquant le changement de la direction de déplacement de la lumière entrant dans le module solaire, qui était presque parallèle. Le changement de direction de la lumière solaire est lié à l'épaisseur des nuages. Lorsque l'épaisseur du nuage est mince, la majeure partie de la direction vers l'avant de la lumière du soleil n'est pas affectée, de sorte que la lumière du soleil peut toujours être concentrée sur les modules de cellules solaires. Cependant, lorsque l'épaisseur de la couche nuageuse augmente jusqu'à une certaine épaisseur, les rayons solaires traversant la couche nuageuse entrent en collision avec des molécules d'eau de manière aléatoire, ce qui entraîne un chemin de diffusion aléatoire. Ainsi, la lumière du soleil n'est plus collimatée lorsqu'elle atteint la lentille de Fresnel, et ne peut donc pas être efficacement concentrée sur la cellule solaire avec une lentille, et entraîne une diminution de l'éclairement sur la cellule solaire. Dans ce cas, si une cellule solaire à base de semi-conducteur III-V est utilisée, le HCPV n'a pratiquement aucune efficacité de conversion de puissance en raison de sa petite zone de collecte de lumière.

Pour obtenir efficacement l'énergie lumineuse dissipée due à l'utilisation de lentilles de Fresnel et fabriquer des modules de cellules solaires à haut rendement pouvant être utilisés dans diverses conditions météorologiques, ce travail de recherche a d'abord calculé et mesuré l'énergie lumineuse dans la zone de fuite de lumière des lentilles de Fresnel avec différentes structures sous irradiation lumineuse monochromatique. Ensuite, nous avons utilisé des plaques diffuses avec des taux de pénétration variables pour imiter les conditions extérieures de différentes épaisseurs de couche nuageuse et mesuré la distribution latérale de l'intensité lumineuse sur le module de cellule solaire. Enfin, résumant les résultats des mesures sur le terrain en extérieur, nous proposons un module photovoltaïque solaire hybride à haute concentration, en espérant qu'un tel système puisse combiner simultanément les avantages du HCPV et des panneaux solaires à base de silicium polycristallin et atteindre une efficacité de conversion de puissance comparable dans différentes conditions météorologiques.

En ce qui concerne la structure de la lentille de Fresnel, ni la facette de dépouille ni le RVRA provoqué par la fabrication du moule ne peuvent faire converger la lumière incidente sur la même zone focale. Par conséquent, une zone de fuite de lumière est formée dans le module de cellule HCPV. La facette de brouillon est un effet secondaire du processus d'amincissement de la lentille. Plus la facette de tirage est importante, plus la lentille de Fresnel est fine. Une autre chose qui se produit avec la facette de dépouille est l'angle rond. L'angle rond est généré en raison du grand angle de rotation dans la structure de la lentille de Fresnel. De même, la structure à angle rond ne peut pas concentrer la lumière du soleil dans la région centrale. Dans le processus de fabrication de la lentille de Fresnel, un angle de dépouille d'au moins 1° est requis pendant le processus de démoulage. L'angle rond a généralement un rayon de courbure de centaines de microns ou plus. Ces facteurs peuvent aggraver encore la situation de concentration de lumière. Nous pouvons estimer son influence sur la concentration lumineuse en fonction du rapport de surface de la structure à facettes de tirage et de l'angle rond dans la structure de la lentille de Fresnel. La fuite de lumière L causée par la facette de dépouille et l'angle rond peut être exprimée

où l'AF est la zone de projection de la lentille de Fresnel. AG est la zone de projection globale de la facette de dépouille et AR est la zone de projection occupée par l'angle rond. Par conséquent, lorsque la lentille de Fresnel est plus fine, le nombre de segments augmente, de sorte que la proportion de fuite de lumière augmente également. Pour vérifier la déclaration ci-dessus, nous avons utilisé deux lentilles de Fresnel avec des zones similaires pour la mesure du flux lumineux, comme illustré à la Fig. 2. Dans l'expérience, un faisceau laser monochromatique avec une longueur d'onde centrale de 532 nm a été exploité pour mener des expériences de concentration de lumière. Comme le montre la figure 2c, la lumière laser a d'abord traversé une lentille d'objectif, puis une lentille à grande ouverture pour former le faisceau lumineux collimaté. Nous avons utilisé ce faisceau collimaté pour imiter les caractéristiques de la lumière solaire extérieure. Les deux lentilles de Fresnel sont représentées sur la figure 2, respectivement, dans le trajet d'irradiation lumineuse. La lentille de Fresnel #1 est une lentille plus fine avec plus de segments, et la lentille de Fresnel #2 est une lentille plus épaisse avec moins de segments. Au final, un détecteur de lumière avec une ouverture rectangulaire de 10 mm × 16 mm a été placé à son plan focal pour mesurer le flux lumineux de la tache de focalisation. Les taux de fuite de lumière des deux lentilles ont été mesurés respectivement à 43 % et 36 %. Étant donné que la simulation illustrée à la Fig. 1 concernait la lentille de Fresnel n ° 2 plus épaisse, nous avons pu comparer le résultat de la mesure avec la simulation illustrée à la Fig. 1. La fuite de lumière de la mesure était de 36% lorsque la zone de mise au point était de 10 mm × 16 mm. La simulation de la fuite de lumière était de 37 % lorsque la zone de mise au point était réglée sur 1,1 mm × 1,1 mm, ce qui était beaucoup plus petit que celui de la mesure. La différence dans la zone de mise au point peut être expliquée comme suit. Bien que les principaux paramètres optiques importants de la lentille de Fresnel aient été définis dans la simulation, la lentille de Fresnel simulée était toujours dans un état idéal. Cela signifie qu'il n'y avait pas d'erreur de fabrication et que la lumière incidente était bien collimatée. Ces deux facteurs n'étaient pas possibles dans l'expérience. Ainsi, la tache de mise au point dans l'expérience pourrait être étendue latéralement ou floue par rapport à celle d'un cas idéal, comme dans la simulation. Cependant, la simulation et la mesure expérimentale ont montré qu'environ 36 à 37% de fuite de lumière pouvaient être observées en dehors de la zone de focalisation à la fois dans la simulation et dans l'expérience. Sans aucun doute, le mécanisme de fuite d'une lentille de Fresnel a été bien prouvé.

Mesures de fuite de lumière des lentilles de Fresnel en laboratoire. (a) La lentille de Fresnel plus fine (lentille de Fresnel #1) : 60 segments principaux d'une épaisseur de 0,56 mm. (b) La lentille de Fresnel plus épaisse (lentille de Fresnel #2) : 9 segments principaux d'une épaisseur de 1,81 mm. Les deux lentilles de Fresnel ont le même rayon. (c) La longueur d'onde de l'irradiation lumineuse est de 532 nm et la puissance est d'environ 100 mW. Avec la lentille de collimation, le faisceau lumineux recouvre entièrement les lentilles de Fresnel.

Un autre problème d'applicabilité du HCPV résulte du désordre du front d'onde causé par les nuages lorsque la lumière du soleil traverse l'atmosphère terrestre. Lorsque les ondes lumineuses traversent des nuages d'une épaisseur considérable, une partie de la lumière entre en collision avec des gouttelettes d'eau, provoque une réfraction ou une réflexion de la lumière et forme finalement une diffusion aléatoire de la lumière. Par conséquent, lorsque la lumière pénètre dans une lentille de Fresnel, elle ne peut plus être considérée comme une lumière parallèle, tandis que le faisceau concentré ne se focalisera pas sur le point central du module HCPV. Pour prouver cet effet, nous avons utilisé la configuration expérimentale présentée sur la figure 2 et placé différents diffuseurs entre les lentilles de collimation et de Fresnel. Les trois diffuseurs avaient des transmittances uniques différentes, définies comme le rapport du flux lumineux pénétrant et du flux d'incidence d'un certain diffuseur20. Ces diffuseurs permettent différents rapports de pénétration du faisceau de collimation, qui pourraient être utilisés pour simuler l'influence des nuages sur la lumière du soleil. Les résultats de l'expérience sont résumés sur la Fig. 3. Sur la Fig. 3a, un point de faisceau concentré clair a pu être observé autour du centre de la zone détectée, indiquant que la majeure partie de l'énergie a été collectée à un emplacement limité. Un tel résultat pourrait être utilisé pour imiter les jours avec un ciel dégagé. De la Fig. 3b à d, nous avons pu observer sur les photos que les motifs d'arrière-plan devenaient de plus en plus flous. Dans le même temps, l'intensité dans la zone centrale a diminué et l'éclairement de la zone environnante était de plus en plus proche de l'intensité dans la zone centrale. Les lentilles de Fresnel #1 (bleu) et #2 (rouge) ont présenté des propriétés similaires.

Performances de mise au point de l'objectif avec l'utilisation de verres diffusants pour imiter la météo dans différentes conditions. Les transmittances uniques des diffuseurs sont (a) 100 % sans diffuseur pour le ciel clair, (b) 83 % pour le nuage léger, (c) 65 % pour le nuage moyen et (d) 56 % pour le nuage lourd.

La source lumineuse utilisée dans le laboratoire était dérivée d'une diode laser verte, et elle ne correspondait pas aux conditions pratiques. Pour comprendre l'effet optique affecté par la structure de la lentille de Fresnel, nous avons dû comparer l'éclairement par l'éclairement solaire et par la simulation correspondante. Par conséquent, nous avons mesuré l'éclairement de la lumière solaire focalisée avec la lentille de Fresnel. Dans les mesures, nous avons choisi la lentille de Fresnel n ° 2 pour les expériences et utilisé un photodétecteur (Thorlabs PM16-12) qui peut être utilisé à un éclairage à haute puissance pour mesurer la puissance du point focal. Étant donné que la mesure a été effectuée sous la lumière du soleil en mouvement et que le point de mise au point n'était pas un petit point idéal, l'éclairement était lié à la taille d'ouverture du photodétecteur. Le résultat était que la mesure précise de la lumière solaire focalisée devenait difficile. Alternativement, nous avons changé l'ouverture du photodétecteur pour collecter plus de données et avons essayé de trouver la corrélation entre l'éclairement et la taille de l'ouverture. Les résultats de mesure sont illustrés à la Fig. 4, où l'axe vertical indique le rapport d'éclairement au point focal et au sol sans lentille de focalisation. Il existe trois courbes de simulation. La courbe noire est le rapport d'éclairement focalisé calculé pour un objectif conventionnel avec le même nombre f. Les courbes bleues et roses sont obtenues à l'aide de lentilles de Fresnel avec RVRA de 0,2 mm et 0,5 mm, respectivement. La légère différence entre les trois courbes a été causée par les structures géométriques de la lentille de Fresnel. La situation de la mesure était différente. La lumière solaire en mouvement a rendu difficile la mesure de l'éclairement à travers une petite ouverture. Par conséquent, nous avons décidé de modifier la taille et la forme de l'ouverture (y compris le cercle et le carré). La mesure est représentée sur la figure 4, où le résultat de la mesure montre une tendance similaire du rapport en fonction de la zone d'ouverture. Ainsi, la simulation de la lentille de Fresnel a permis de prédire la propriété optique de la lumière solaire.

Mesures des performances des lentilles de Fresnel sous la lumière du soleil. Lorsque la taille et la forme de l'ouverture ont été modifiées, la mesure a été effectuée sous un soleil clair avec une lentille de Fresnel #1. Les trois courbes montrent les simulations associées.

Pour comprendre l'efficacité de concentration et les caractéristiques de fuite de lumière du module HCPV dans des conditions météorologiques réelles, nous avons toujours sélectionné la lentille de Fresnel #2 pour toutes les expériences de mesure sur le terrain suivantes. Nous avons mis en place un réseau de lentilles de Fresnel 2 × 2 sur une boîte à deux dimensions de rotation. Le réseau de lentilles de Fresnel peut être ajusté manuellement pour faire face directement au soleil à tout moment. Pendant la mesure, différentes conditions météorologiques se sont produites à mesure que l'épaisseur de la couche nuageuse changeait. Par conséquent, nous avons pu observer au fond de la boîte que la luminosité de la zone de fuite de lumière variera en fonction de l'évolution de l'épaisseur du nuage. L'éclairement de cette zone était la grandeur physique à mesurer dans cette expérience.

Au cours du processus de mesure semestriel, nous pouvons grossièrement diviser les conditions météorologiques en trois situations en fonction de l'épaisseur des nuages. Le premier est un ciel dégagé, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de nuages lorsque l'on regarde le ciel et que l'éclairement au sol dépasse 100 000 lx. Le second est un ciel légèrement nuageux, c'est-à-dire que l'épaisseur de la couche nuageuse est mince et que le soleil est encore vaguement visible à travers la couche nuageuse. Les jours légèrement nuageux, une partie de la lumière est toujours parallèle, de sorte que le point focal peut toujours être clairement observé. Cependant, l'intensité lumineuse au point focal a été fortement réduite par rapport au ciel dégagé. Le troisième est un ciel nuageux épais, c'est-à-dire que la couche nuageuse est plus épaisse et que la luminosité de tout le ciel est plus uniforme. Dans ce genre de temps, il faut du travail pour connaître la position correcte du soleil. C'est-à-dire qu'après que les nuages aient dispersé la lumière du soleil, son front d'onde est irrégulièrement distribué. À ce moment, aucun point focal n'est visible au bas de la boîte. Après plus de six mois de mesures, nous avons mesuré l'éclairement au sol et la fuite de lumière dans différentes conditions météorologiques. Les résultats mesurés et le rapport entre les deux grandeurs physiques sont résumés à la Fig. 5. La figure 5a à c montre les valeurs de l'éclairement au sol (barres bleu clair) et de l'éclairement de fuite (barres bleu foncé) pour un ciel clair, des jours légèrement nuageux et très nuageux, respectivement. Les courbes rouges de la figure enregistrent les taux d'occupation de l'intensité lumineuse dans la zone de fuite de lumière sous un ciel clair, des jours légèrement nuageux et très nuageux, qui étaient respectivement d'environ 40 %, 65 % et 80 %. Les résultats expérimentaux montrent que le pourcentage de fuite de lumière sous la lentille de Fresnel était plus élevé lorsque la couche nuageuse était plus épaisse. La valeur d'éclairement au sol a diminué avec l'augmentation de l'épaisseur des nuages, ce qui signifie que l'énergie convergée par la lentille de Fresnel au point focal a également été réduite.

Résultats des mesures sur le terrain dans différentes conditions météorologiques. (a) Ciel clair, (b) nuages légers et (c) nuages lourds. Même par temps nuageux, la zone où la lumière se dissipe peut encore avoir près de 80% de la lumière due à la présence de la lentille. C'est très utile pour développer à la fois le solaire photovoltaïque et l'équilibre agro-écologique.

D'après les résultats expérimentaux ci-dessus, il est important et intéressant de constater que les valeurs d'éclairement de la zone de fuite de lumière ne montrent aucun changement significatif même à différentes épaisseurs de nuage. En effet, le pourcentage de fuite de lumière est plus faible lorsque l'éclairement au sol est plus élevé. La valeur d'éclairement au sol diminue lorsque l'épaisseur du nuage augmente, mais le pourcentage de fuite de lumière augmente. Nous constatons donc que l'éclairement de la zone de fuite sera proche d'une valeur constante quelles que soient les conditions météorologiques. La fuite de lumière du HCPV est causée par deux phénomènes optiques, notamment la diffusion de la lumière solaire par les nuages et la fuite de lumière causée par la structure de la lentille de Fresnel. Ce type de fuite de lumière doit être utilisé de manière adéquate. La première idée est de changer la plaque de base du HCPV conventionnel d'un dissipateur thermique métallique à un support transparent afin que la lumière de l'extérieur du centre puisse atteindre le sol. Cette répartition de l'ensoleillement entre 20 000 et 40 000 lx devrait favoriser la croissance de certaines plantes au sol. Par conséquent, les activités agricoles moyennement éclairées peuvent être réalisées en passant à des plinthes transparentes. De plus, du point de vue de la production d'électricité, nous pouvons également utiliser des panneaux solaires à faible coût pour se poser dans la zone de fuite pour la production d'électricité, nous avons donc conçu une installation de production d'électricité qui combine les avantages des panneaux solaires HCPV et polycristallins.

Un système photovoltaïque hybride à haute concentration est conçu et proposé en plaçant un panneau solaire III-V à haut rendement au point focal et en posant un panneau solaire à base de silicium polycristallin autour de celui-ci, comme illustré schématiquement sur la Fig. 6a. Dans le diagramme schématique de la Fig. 6a, le faisceau parallèle du soleil passe à travers la lentille de Fresnel et est focalisé sur le panneau solaire à haut rendement. La fuite de lumière de la structure de la lentille de Fresnel et la lumière diffusée par la lumière du soleil traversant les nuages peuvent être dirigées vers le panneau solaire à base de silicium polycristallin (PSSP) pour la production d'électricité. Lorsque le ciel est dégagé, la lumière est concentrée sur la cellule solaire à haut rendement, de sorte que l'efficacité de la production d'électricité est élevée. Dans un nuage épais, la lumière du soleil ne peut pas être concentrée sur la cellule solaire à haut rendement, de sorte qu'un HCPV conventionnel ne peut pas produire efficacement de l'électricité, mais cette conception peut toujours générer de l'électricité par des panneaux solaires polycristallins.

Projet de dispositif photovoltaïque hybride à haute concentration. (a) Le schéma de principe du dispositif photovoltaïque hybride proposé comprend une lentille de Fresnel, un composant photovoltaïque III – V de haute qualité situé dans la zone focalisée et des PSSP conventionnels disposés autour. (b) Les comparaisons du rapport de production d'énergie entre les trois conceptions, où les barres bleues sont pour le scénario de ciel clair et les barres grises sont pour le scénario de ciel nuageux épais mentionné à la Fig. 5c.

Pour estimer l'efficacité de la production d'énergie de notre système photovoltaïque hybride à haute concentration proposé dans différentes conditions météorologiques, nous avons comparé la capacité de production d'énergie des systèmes de production d'énergie conventionnels, photovoltaïques à haute concentration (HCPV) et hybrides HCPV. Premièrement, nous supposons que la surface de la lentille de Fresnel est d'environ 163,8 cm2, tandis que la surface du panneau solaire III-V est de 0,75 cm2, de sorte que la surface du panneau solaire en silicium polycristallin est de 163,05 cm2. Étant donné que les rendements de conversion des photons sont de 15 % et 45 % pour les semi-conducteurs composés PSSP et III-V, nous supposons des rendements de conversion de α et 3α pour un PSSP et un panneau solaire III-V, respectivement. Sur la base de l'hypothèse ci-dessus, nous calculerons la production d'électricité pour différentes cellules solaires dans diverses conditions nuageuses.

Le premier est le scénario de ciel clair mentionné dans les conditions de la figure 5a. Pour simplifier, nous supposons que l'éclairement au sol est de 100 000 lx. Par conséquent, la production d'énergie d'un PSSP dans un ciel clair peut être calculée

La mesure illustrée à la Fig. 5a indique que la fuite de lumière sous la lentille de Fresnel est de 40 % de l'éclairement au sol sans la lentille de Fresnel. Nous supposons que le flux optique au niveau de la zone de focalisation du HCPV est la puissance de repos transmise à travers la lentille de Fresnel où il y a 10 % supplémentaires de perte de Fresnel. La production d'énergie du HCPV (PHCPV) et du HCPV hybride (Phybrid) peut s'écrire respectivement

Les équations (3) et (4) indiquent que le HCPV hybride pourrait réserver 40 % de fuite de puissance sous la lumière du soleil dans un ciel clair, et atteint finalement environ deux fois la production d'énergie d'un PSSP, comme le montrent les barres bleues de la Fig. 6b.

Pour la suite, nous discutons le cas des jours de gros nuages référés aux conditions de la Fig. 5c. Ici, nous supposons que l'éclairement au sol est de 20 % de celui sous un ciel clair, c'est-à-dire 20 000 lx ou 0,2 PPSSP. Par conséquent, la production d'énergie du PSSP est d'environ 0,2 PPSSP. À partir de la Fig. 5c, la fuite de lumière de la lentille de Fresnel est fixée à 80 %, de sorte que la génération d'énergie dans la zone de fuite de lumière est d'environ 0,16 PPSSP. Dans de telles conditions, il n'y a pas de point de focalisation proéminent au niveau de la cellule solaire III-V serrée, comme le montre la Fig. 3d, de sorte que la production d'énergie du HCPV peut être calculée autour de PPSSP/400. Cela signifie que le HCPV souffre du nuage lourd dans le ciel et n'a aucune fonction dans de telles conditions. Cependant, le HCPV hybride peut encore réserver 80 % de la lumière du soleil en raison des fuites de lumière, et la production d'énergie totale est d'environ 0,16 PPSSP, comme le montrent les barres grises de la Fig. 6b. En conséquence, le HCPV hybride agit mieux qu'un HCPV dans un ciel clair et comme un PSSP dans un ciel très nuageux.

La comparaison du rapport de production d'énergie de différents dispositifs solaires photovoltaïques est résumée, comme le montre la Fig. 6b. Les résultats des calculs montrent qu'un HCPV hybride génère plus d'électricité qu'un HCPV dans tous les scénarios en collectant la lumière de fuite de la lentille de Fresnel, et la production d'électricité est proche de celle d'un PSSP les jours très nuageux lorsqu'un HCPV perd sa fonction. Le HCPV hybride proposé est une nouvelle conception qui peut améliorer l'efficacité de la production d'énergie et s'adapter à diverses conditions de cloud.

Dans cet article, nous avons commencé par les études théoriques et pratiques d'une lentille de Fresnel et analysé la caractéristique de fuite de lumière inhérente lors de l'utilisation d'une lentille de Fresnel comme lentille de focalisation. Nous avons souligné que la fuite de lumière est également causée par la diffusion des nuages, qui est un facteur inévitable pour un HCPV. Ensuite, une série d'expériences ont été faites avec les calculs correspondants pour prouver le mécanisme de fuite de lumière, y compris à partir de la lentille de Fresnel et des nuages. La mesure de champ correspondante avec l'utilisation d'une lentille de Fresnel pour focaliser la lumière du soleil a été effectuée pendant six mois pour diverses conditions de ciel nuageux.

Selon les résultats acquis, la découverte la plus précieuse est que le concentrateur solaire basé sur la lentille de Fresnel a un éclairement d'environ 20 000 à 40 000 lx dans la région de fuite de lumière, qu'il s'agisse d'une journée ensoleillée ou d'une journée nuageuse avec différentes épaisseurs de nuages. Il s'agit d'une caractéristique inhérente au HCPV basée sur la lentille de Fresnel et les caractéristiques nationales de la lumière du soleil. Une telle propriété pourrait être utile dans les usines d'énergie solaire avec des avantages agricoles.

Cette découverte nous a incités à proposer un module solaire hybride à haute concentration dans lequel des PSSP plus rentables sont placés autour de la plaquette à haut rendement de HCPV pour capturer la fuite de lumière dissipée et la convertir en électricité utilisable. Un tel système peut présenter une efficacité de conversion extrêmement élevée dans différentes conditions de nuage. Dans l'hypothèse où les rendements de conversion sont de 15 % et 45 % des semi-conducteurs composés PSSP et III-V, respectivement, le système hybride proposé pourrait atteindre 190 % et 126 % d'efficacité de production d'énergie par rapport aux systèmes PSSP et HCPV, respectivement, dans le ciel clair. Lorsqu'il y a de gros nuages, le système HCPV n'a pratiquement aucune efficacité de production d'énergie, tandis que le système hybride proposé peut maintenir plus de 80 % de l'efficacité de production d'énergie du système PSSP. Ainsi, le nouveau système d'énergie solaire proposé est utile pour atteindre une production d'énergie solaire optimale sous différents ciels nuageux.

Tous les ensembles de données de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Lo Piano, S. & Mayumi, K. Vers une évaluation intégrée de la performance des centrales photovoltaïques pour la production d'électricité. Appl. Énergie 186, 167–174 (2017).

Article Google Scholar

Lin, CH, Sun, KW, Liu, QM, Shirai, H. & Lee, CP Cellules solaires hybrides poly(3,4-éthylènedioxythiophène) : poly(styrènesulfonate)/GaAs avec une efficacité de conversion de puissance de 13 % en utilisant le champ de surface avant et arrière. Opter. Express 23, A1051 (2015).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Yi, C. et al. Application de la texturation de surface au polydiméthylsiloxane sur le tandem III-V//Si permettant d'améliorer l'efficacité absolue de plus de 2 %. Opter. Express 28, 3895 (2020).

Article ADS PubMed Google Scholar

Green, M. et al. Tableaux d'efficacité des cellules solaires (version 54). Programme. Photovolt. 27, 565 (2019).

Article Google Scholar

Awasthi, A. et al. Examen de la technologie de suivi du soleil dans le système solaire photovoltaïque. Energy Rep. 6, 392–405 (2020).

Article Google Scholar

Miñano, JC & González, JC Nouvelle méthode de conception de concentrateurs sans imagerie. Appl. Opter. 31, 3051–3060 (1992).

Article ADS PubMed Google Scholar

Tian, M. et al. Un examen des progrès récents de la recherche sur le concentrateur parabolique composé (CPC) pour les applications de l'énergie solaire. Renouveler. Soutenir. Énergie Rev. 81, 1272–1296 (2018).

Article Google Scholar

Rumyantsev, VD Modules de concentrateur solaire avec panneaux de lentilles de Fresnel en silicone sur verre et cellules multijonctions. Opter. Express 18, A17–A24 (2010).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Shen, SC, Chang, SJ, Yeh, CY & Teng, PC Conception et test d'une lentille de concentration TIR-R à énergie solaire uniforme pour les systèmes HCPV. Opter. Express 21, A942–A952 (2013).

Article ADS PubMed Google Scholar

Leutz, R. et al. Actes du colloque sur le génie énergétique. Hong Kong 2, 759 (2000).

Google Scholar

Xie, WT, Dai, YJ, Wang, RZ et Sumathy, K. Applications d'énergie solaire concentrée utilisant des lentilles de Fresnel : un examen. Renouveler. Soutenir. Énergie Rev. 15, 2588–2606 (2011).

Article Google Scholar

Sierra, C. & Vazquez, AJ Haute concentration d'énergie solaire avec une lentille de Fresnel. J. Mater. Sci. 40, 1339-1343 (2005).

Article ADS CAS Google Scholar

Chen, WG, Uang, CM & Jou, CH Conception optimale d'une lentille de Fresnel irrégulière pour plusieurs sources de lumière à l'aide d'un algorithme génétique hiérarchique à trois couches. Opter. Express 15, 9918–9935 (2007).

Article ADS PubMed Google Scholar

Yamada, N. & Nishikawa, T. Algorithme évolutif pour l'optimisation de la géométrie des lentilles de Fresnel sans imagerie. Opter. Express 18, A126 (2010).

Article ADS PubMed Google Scholar

Miller, OE, McLeod, JH & Sherwood, WT Lentilles de Fresnel en plastique mince à grande ouverture. J. Opt. Soc. Suis. 41, 807 (1951).

Annonces d'article Google Scholar

Egger, JR Proc. SPIE 193, 63 (1979).

Annonces d'article Google Scholar

Leutz, R. & Suzuki, A. Lentilles de Fresnel sans imagerie : conception et performances des concentrateurs solaires (Springer, 2001).

Réserver Google Scholar

Recherche Bréault. Rediffusion le 26 juin 2022, depuis http://www.breault.com/ (2022).

Ting, DZ & McGill, TC Jr. Simulation Monte Carlo des caractéristiques d'extraction de lumière des diodes électroluminescentes. Opter. Ing. 34, 3545-3553 (1995).

Annonces d'article Google Scholar

Sun, CC et al. Modèle de calcul de l'efficacité de transmission lumineuse des diffuseurs fixés à une cavité d'éclairage. Opter. Express 18, 6137–6148 (2010).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Télécharger les références

L'auteur tient à remercier Breault Research Organization (BRO), Inc. pour le parrainage du logiciel ASAP. De plus, les auteurs tiennent à remercier le Fudan High School (Taoyuan) pour son soutien à la mesure sur le terrain. La recherche a été parrainée par le Conseil national des sciences et de la technologie de Taiwan avec la subvention no. MOST 111-2218-E-008-004 –MBK et MOST 111-2221-E-008 -028 -MY3.

Département de photonique, Collège de génie électrique et informatique, Université nationale Yang Ming Chiao Tung, Hsinchu, 30010, Taïwan

Chi Sun et Tsung Sheng Kao

Département d'optique et de photonique, National Central University, Jongli, Taoyuan, 32001, Taiwan

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

Département d'électrophysique, Université nationale Yang Ming Chiao Tung, Hsinchu, 30010, Taïwan

Soleil Ching-Cherng

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

La conception et la conception de l'étude ont été réalisées par le chef d'équipe CCS ; CS a principalement mené l'expérience de 4 ans et la simulation correspondante ; CSW, STF, YHC ont effectué la mesure sur le terrain ; CSW et YSL ont fait une simulation ; TSK a participé à la discussion et était responsable de la préparation du manuscrit avec CS, CSW et CCS

Correspondance à Ching-Cherng Sun.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui autorise l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur tout support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournissez un lien vers la licence Creative Commons et indiquez si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Sun, C., Wu, CS., Lin, YS. et coll. Système photovoltaïque hybride à haute concentration conçu pour différentes conditions météorologiques. Sci Rep 13, 5206 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32128-z

Télécharger la citation

Reçu : 27 décembre 2022

Accepté : 22 mars 2023

Publié: 30 mars 2023

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

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.

Nouvelles