ساختار متمرکز‌کننده فوتوولتاییک

ساختار متمرکز‌کننده فوتوولتاییک

ساختار اصلی متمرکز‌کننده‌های فوتوولتاییک را عدسی‌ها و آینه‌های متمرکز‌کننده تشکیل می‌دهند. ساخت عدسی‌های متمرکز‌کننده نور در 30 سال اخیر، پیشرفت زیادی داشته است. عدسی‌های غیر‌تصویری که شاخه‌ای از عدسـی‌هـای هندسـی می‌باشـند، نقـش عمـده‌ای در تکامـل شکل عدسی‌های متمرکز‌کننده نور داشته‌اند. برای ایـن کـاربرد، نگرانـی بابـت انحـراف نـور در دوباره‌سازی تصاویر وجود ندارد، بلکه هدف به حداکثر رساندن انتقـال جریـان نـور از محوطـه جـدا‌کننده اول، به سمت دریافت‌کننده فوتوولتاییک می‌باشد. در این کاربرد، نور می‌تواند با اشعه‌هـای خورشـید نمـایش داده شـود. بنـابراین هندسـه لنـز، بـرای توصـیف مشخصـه‌هـای متمرکـز‌کننـده، مناسب می‌باشد. برخی از مشخصه‌های اپتیکی، نقـش بسـیار مهمـی در متمرکـز‌کننـده‌هـای فوتـوولتاییـک ایفـا می‌کنند. این پارامتر‌ها هم هندسی هستند (مربوط به طراحی اجزا) و هم فیزیکی (مربوط به ساخت و انتخاب مواد). مهم‌ترین مشخصه‌هـای هندسـی عبارتنـد از: ضـریب تمرکـز و زاویه پذیرش. مهم‌ترین مشخصه‌های فیزیکی که باید در نظرگرفته شود عبارتنـد از: انتقـال نـور- انعکاس نور- جذب نور- پراکندگی نور.

YI  :  شاخص زردی نور

BRDF : تابع توزیع انعکاس نور در دو جهت

BTDF : تابع توزیع انتقال نور در دو جهت

BRDF : تابع توزیع انعکاس نور در دو جهت می‌باشد که با پراکندگی تابش در واحد سطح تشعشـع تعریف می‌شود و به روش ریاضی قابل تعریف با معادله زیر می‌باشد.

 

θi و φi معـرف زوایـای برخـورد اشـعه ورودی در مختصـات کـروی و θs و φs معـرف جهـت‌هـای پراکندگی می‌باشند.
Ls پرتو پراکنده شده و Ei پرتو تابش می‌باشد.این مشخصه‌های نوری زمانی اهمیت پیـدا می‌کننـد که مدتی از عمر مواد و سطوح بگـذرد و باعـث پراکنـدگی ناخواسـته نـور در سـطوح بازتـابش شود.
BTDF برای بیان جزییات پراکندگی نور از یک سطح شفاف بکار می‌رود. معمولاً پارامتری کـه بـرای توضیح پراکندگی نور در مواد شفاف بکار می‌رود “ناصافی یا تیرگی” نامیده می‌شود.

ناصافی عبارت است از نسبت نور پراکنده شده به کل نـوری کـه بـه یـک سـطح شـفاف مـی تابـد و معمولاً با درصد بیان می‌شود. این ناصافی تعریفی از توزیع نور پراکنده شده به دست نمی‌دهد.[ ASTMD 1003-97, 1997]

بعضی اوقات این نورِ پراکنده شده، برای CPV کاملاَ از بین نمی‌رود. اگـر چـه ناصـافی یـک مـاده معمـولاً برای تخمین کارایی متمرکزکننده‌ها کاربرد دارد.
تمامی این خواص بر روی راندمان نوری متمرکز‌کننده خورشیدی تاثیر‌گذار است، جـایی‌کـه رانـدمان نوری به ترتیب زیر تعریف می‌شود:

 

هدف طراح این لنزها، به حداکثر رساندن راندمان نوری، ضریب تمرکـز و زاویـه پـذیرش متمرکـز کننـده‌ است. اگرچه برای کاربردهای فوتوولتاییک در نظر گرفتن دیگر مشخصات اپتیکی ماننـد توزیـع فاصـله تشعشع بر‌روی سطح دریافـت کننـده و توزیـع زاویـه برخـورد نـور بـر روی سـلول‌های خورشـیدی نیـز اهمیت پیدا می‌کند.
در واقع دستگاه‌های PV با تابش صاف و زوایای برخورد کوچکتر، بهتر کار می‌کنند.
ضریب تمرکز هندسی که در معادله زیر تعریف می‌شود، یک نسـبت محـض بـین سـطوح اسـت کـه می‌تواند به‌صورت نامحدود رشد کند. اگرچه برای بدست آوردن یک راندمان بالا (بـرای مثـال بیشـترین انتقال انرژی نور برخوردی به یک سطح) ضریب تمرکز، توسط بیشترین میزان واگرایی اشعه‌های نور برخوردی به سطح، محدود می‌شود.

واضح است که این محدودیت مطابق با قانون دوم ترمودینامیک با در نظر گرفتن خورشـید بـه عنـوان منبع‌ گرما و دریافت‌کننده [Smestad et al., 1990]، عبارت از سینوس زاویه تابش برای یک انتقال ایده‌آل در حالت معمولی خود میباشد. جایی که دریافت‌کننده در ماده‌ای با شاخص شکست n غوطه‌ور است. این قـانون بـا معادله زیر برای یک متمرکز‌کننده 3 بعدی با تقارن محوری نشان داده شده است.
θin معرف بیشترین زاویه برخورد برای اشعه تابش ورودی با توجه به جهت عمـود بـر سـطح ورودی است که بیشترین اشعه را جذب می‌کند و θout، بیشترین زاویه اشعه‌ها در قسـمت دریافـت‌کننـده است.

در شکل زیر، تصویری شماتیک از یک متمرکز‌کننده نشان داده شده است.

در شکل فوق، پرتوهای ورودی با بیشترین زاویه برخورد θin در روزنه خروجـی کـه محیطی است با ضریب شکست n جمع می‌شوند.

با در نظر گرفتن بیشترین تمرکز قابل حصول θout = 90° بیشترین تمرکز به لحاظ تئـوری از رابطه زیر بدست می‌آید. برای یک متمرکـز‌کننـده‌ خورشـیدی بـا گیرنـده‌ای در هـوا، به‌عنـوان نمونـه بـا n=1 و θin=0,27° این مقدار 46000 خواهد بود. مقادیر بالاتر از آن، به ازای n‌های بزرگتر، از یـک طریـق تجربـی بدسـت آمده است.[Gleckman et al, 1989] واگرایی نورخورشید به‌خاطر اندازه آن که قابل صـرف‌نظر نیسـت توسـط شـعاع خورشـید و فاصله بین زمین تا خورشید تعیین می‌شود. برای یک متمرکز‌کننده خطی معادله سینوسی تابش بصورت معادلات زیر خواهـد بـود.

بـرای یـک پرتـو L، یـک متمرکز کننده ایده‌آل (Φin= Φout)، باید تمام جریان تابش روی کل سطح را نگاه‌ دارد. بطوری‌که برای یک متمرکز‌کننـده خطـی، ایـن جریـان از معادلـه اول بدسـت مـی‌آیـد و ضـریب تمرکـز از معادلـه دوم استخراج می‌شود. برای یک متمرکز‌کننده‌ خورشیدی در هوا، این مقدار حدود 200 خواهد بود.

 در CPV زاویه پذیرش عبارت از زاویه برخورد اشعه‌ایست که تحت آن، راندمان اپتیکی متمرکـز‌کننـده به %90 بیشترین مقدار خود برسد. دو مشخصه هندسی راندمان اپتیکی و زاویه پذیرش برای یک متمرکز‌کننده‌نوری با یک سطح تمرکز تعیین شده در یک شکل گرافیکـی ماننـد شـکل زیر به‌خـوبی نمـایش داده می‌شـود، جـایی کـه تغییـرات راندمان اپتیکی با تغییر زاویه پذیرش نشان داده شده است. شکل مسـتطیلی بـا خطـوط منقطـع در یک سمت زاویه مرزی منحنی، متناظر با متمرکز‌کننده‌ ایده‌آل است که در آن تمامی زوایـای اشـعه‌ها در سطح خروجی با زاویه‌ای کمتر از θ، جمع‌آوری مـی‌شـود. خطـوط دیگـر دو مشخصـه متمرکـز‌کننده‌های غیر‌ایده‌آل را نشان می‌دهد که زاویه پذیرش آنها در تطابق با %90 راندمان اپتیکی تعریـف می‌گردد.

شکل فوق، راندمان اپتیکی در مقابل زاویه برخورد برای متمرکز‌کننده‌های خورشیدی را نشان می‌دهد. شکل مستطیلی با خطوط منقطع نشانگر مشخصات یک متمرکز‌کننده‌ ایده‌آل می‌باشد، درحالی‌که بقیه خطوط هندسی متمرکز‌کننده‌های غیر ایده‌آل را نشان می‌دهد.

در حالت واقعی سطوح متمرکز‌کننده‌ها با ایده آل‌های هندسی تفاوت دارد، زیرا اشکال هندسی که اجازه بهترین نتایج را می‌دهد به لحاظ تئوری بسیار محدود است و معمـولاً نیازمنـد سـاختار پیچیـده و مواد مخصوص می‌باشد. این شرایط قیودی است برای رقابتی شدن قیمت متمرکز‌کننده‌هـا. بنـابراین مبادله ای بین قیمت و کارآیی باید انجام گیرد. همانطور که قبلاً تشریح شد بیشترین تمرکز به لحـاظ تئوری، برای یک سیستم اپتیکی محـدود اسـت. یـک سیسـتم اپتیکـی کـه به‌ نـام الگرانـژ یـا etendue نامیده می‌شود، برای بیان رابطه بین تمرکز و زاویه انحراف با توجه به محدودیت‌های ترمودینـامیکی بکـار می‌رود. این سیستم محدوده‌ای که انتقال تابش انجام میگیرد را طبق رابطه زیر تعیین می‌کند:

یک مجموعه اشعه را درنظر بگیریـد. یـک etendue می‌تواند بصورت حجم یکپارچه‌ای درمحیط فازی با مشخصه جهت کسینوسی این اشعه ها و نیز موقعیت آنها در فضای واقعی نمایش داده شود. یک متمرکز‌کننده هندسی مانند اپراتوری عمل می‌کند که دارای توابعی برای تغییر و اصلاح این حجم است. در این تغییر شـکل، etendue بایـد بـاقی بماند.




مطالب مرتبط:

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

شرکت تحقیقات الکترونیک فطروسی