CN111537199B - 一种平板型荧光太阳集光器的测试装置及其集光效率和光增益系数测试方法 - Google Patents

一种平板型荧光太阳集光器的测试装置及其集光效率和光增益系数测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平板型荧光太阳集光器的测试装置及其集光效率和光增益系数测试方法，特点是该测试装置包括太阳光模拟器、样品台、积分球、单色仪、光功率测试仪、光电探测器和控制主机；太阳光模拟器将模拟的太阳光照射到样品台上待测平板型荧光太阳集光器样品的上表面，平板型荧光太阳集光器样品侧面通过不透光的橡胶密封圈与积分球的进光口相连，积分球的出光口通过光纤与单色仪的进光口相连，单色仪分别与光电探测器和光功率测试仪连接，单色仪、光功率测试仪和光电探测器分别与控制主机的输入端连接，控制主机的输出端连接计算机显示器，可利用该装置进行平板型荧光太阳集光器集光效率和光增益系数测试，优点是准确直观、精确度高。

Description

一种平板型荧光太阳集光器的测试装置及其集光效率和光增 益系数测试方法
技术领域
本发明涉及一种平板型荧光太阳集光器性能测试方法，尤其是涉及一种平板型荧光太阳集光器的测试装置及其集光效率和光增益系数测试方法。
背景技术
随着能源危机和环境污染问题日益突出，光伏产业受到越来越广泛的关注。近五年来，全球光伏产业发展迅猛，光伏组件的产量和安装量急剧攀升。目前，在光伏发电组件中，光伏材料成本约占55%，组件及其他安装成本约占总成本的45%。材料成本居高不下，是光伏产业发展中面临的最大难题。另一方面，当前民用光伏发电系统中光电转换效率很难超过25%，太阳能电池的单位发电效率仍相对较低。换个角度思考这一问题，在光伏材料使用量和光电转化效率一定的情况下，通过光聚集器在单位面积上获得更多入射太阳光，从而将能更有效地利用太阳光，大大提高光伏单位面积的光电转换效率，从而降低单位面积太阳能电池板发电成本。传统的光聚集器可以通过凹面反光镜和凸透镜来实现太阳光的收集。为了避免反光镜之间的相互遮挡，传统的光聚集器搭建需要占用大量场地空间。更严重的问题是，太阳光入射角度不断变化，凹面反光镜和凸透镜需要根据太阳光角度实时转动，一套对日实时追踪系统将大大增加传统光聚集器的使用成本。作为太阳能电池的“光捕手”，近年来，平板型荧光太阳集光器受到国内外工业界与科研学术界的广泛关注。平板型荧光太阳集光器由高性能荧光材料（如：量子点、染料分子等）作为发光中心和高折射率的透明聚合物(如PMMA、PDMS等高分子聚合物)作为光传输介质两部分组成。其工作原理是：当透明介质中的高性能荧光材料吸收太阳光后重新发出荧光，发射角大于临界角的荧光经过多次全反射后最终被安装在侧面的太阳能电池板吸收，实现将大面积的太阳光聚集到小面积太阳能电池上的目的。
评价平板型荧光太阳集光器性能的重要指标之一是集光效率。集光效率的数值越高，则代表平板型荧光太阳集光器的收集光子能力越强。荧光太阳集光器结构设计与性能评估是新兴的研究课题，国内外的大量研究还处于相对初级阶段。现有的集光效率估算方法多采用在平板型荧光太阳集光器四周耦合太阳能电池板，利用太阳电池板的短路电流数值大小来间接估算集光效率的高低（如Joule,2019,3(12),2871-2876； Nanotechnology,2017,28,8；Solar Energy Materials and Solar Cells,2018,179；International Journal of Green Energy,2017,14,270-278；Advanced Energy Materials,2016,6,1501913；Renewable Energy,2018,115,269-275等文献报道）。这种利用太阳能电池板的短路电流大小来评价集光效率高低的方法是一种间接的估算方式，存在有很大的局限性和数据的偏差。一方面，由于不同种类的商用太阳能电池的光谱响应范围不同（如单晶硅太阳能电池的光谱响应范围在900-1000纳米，而多晶硅太阳能电池的光谱响应范围在400-600纳米），因此采用同样的一块平板型荧光太阳集光器，针对不同种类的商用太阳能电池和不同光谱响应范围，测试的短路电流数值差异较大，无法准确的评估同一块平板型荧光太阳集光器的集光效率的高低。换句话说：间接的测试方法并不能直接的、准确的反映集光效率的高低。另一方面，由于平板型荧光太阳集光器的厚度较小（通常厚度小于1厘米），商用太阳能电池与平板型荧光太阳集光器的有效耦合也存在较大问题。除了利用太阳电池板的短路电流数值大小来间接估算集光效率的方法外，目前已报道的集光效率估算方法多采用某一波长的激光作为光源，通过太阳光谱波长分布或照射平板型集光器的不同位置，来估算集光效率，计算过程复杂且估算结果不准确。评价平板型荧光太阳集光器性能的另外一个重要指标是光增益系数，其数值大小反映了平板型荧光太阳集光器中光子的输运效率。光增益系数越大，光子的输运效率越高。目前，国内外还没有公开任何关于精确、直接测量平板型荧光太阳集光器集光效率与光增益系数的相关研究报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种准确直观、精确度高的平板型荧光太阳集光器的测试装置及其集光效率和光增益系数测试方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
1、一种平板型荧光太阳集光器的测试装置，包括用于提供光源的太阳光模拟器、用于放置平板型荧光太阳集光器样品的样品台、用于接收所述的平板型荧光太阳集光器样品侧面出光的积分球、用于产生单色光的单色仪、用于测量特定波段光子功率的光功率测试仪、用于测量光致发光强度的光电探测器和用于控制所述的单色仪转动使其轴向出光或侧向出光的控制主机；所述的太阳光模拟器和所述的样品台位于暗室内，所述的太阳光模拟器将模拟的太阳光照射到所述的样品台上待测平板型荧光太阳集光器样品的上表面，所述的平板型荧光太阳集光器样品侧面通过不透光的橡胶密封圈与所述的积分球的进光口相连，所述的积分球的出光口通过光纤与所述的单色仪的进光口相连，所述的单色仪的出光口通过第一滤波片与所述的光电探测器连接，所述的单色仪的另一出光口通过第二滤波片与所述的光功率测试仪连接，所述的单色仪、所述的光功率测试仪和所述的光电探测器分别与所述的控制主机的输入端连接，所述的控制主机的输出端连接计算机显示器。
所述的单色仪的轴向出光口通过第一滤波片与所述的光电探测器连接，同时所述的单色仪的侧向出光口通过第二滤波片与所述的光功率测试仪连接。
所述的单色仪的侧向出光口通过第一滤波片与所述的光电探测器连接，同时所述的单色仪的轴向出光口通过第二滤波片与所述的光功率测试仪连接。
所述的第一滤波片和所述的第二滤波片均采用高通滤波片。
所述的单色仪采用双光栅单色仪。
所述的太阳光模拟器为标准的AM1.5太阳光模拟器。
2、一种平板型荧光太阳集光器集光效率和光增益系数测试方法，包括以下步骤：
（1）将未掺杂发光中心材料的平板型聚合物波导的标准样品放置在样品台上，将标准样品通过不透光的橡胶密封圈连接至积分球的进光口，打开太阳光模拟器，等待太阳光模拟器中的光源稳定后，打开光功率测试仪，测试背景噪声光功率，记为
Figure 62921DEST_PATH_IMAGE001
；
（2）将标准样品取下，放入掺杂发光中心材料的平板型荧光太阳集光器待测样品，将待测样品通过不透光的橡胶密封圈连接至积分球的进光口，利用控制主机控制单色仪的光栅转动使其轴向或侧向出光，光经过第一滤波片后进入光电探测器（CCD或PMT探测器），利用控制主机设置光电探测器的入射光窄缝为2-30nm和积分时间为0.1-10s，在计算机显示器显示经归一化后的光致发光谱
Figure 216690DEST_PATH_IMAGE002
，光致发光谱中心波长为
Figure 519496DEST_PATH_IMAGE003
；利用控制主机控制单色仪的光栅转动使得侧向或轴向出光，光经过第二滤波片后进入光功率测试仪，设置光功率测试仪的探测波长为
Figure 142238DEST_PATH_IMAGE003
，记录该波长下光功率测试仪读数
Figure 290323DEST_PATH_IMAGE004
；
（3）计算集光效率
Figure 908386DEST_PATH_IMAGE005
和光增益系数C
Figure 742612DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 711705DEST_PATH_IMAGE007
；
其中：
Figure 397901DEST_PATH_IMAGE002
是经归一化后的光致发光谱，
Figure 116809DEST_PATH_IMAGE001
为背景噪声光功率，
Figure 902362DEST_PATH_IMAGE004
为波长为
Figure 748964DEST_PATH_IMAGE003
时的光功率测试仪的读数，G为平板型荧光太阳集光器的几何因子，即
Figure 379797DEST_PATH_IMAGE008
，其中平板型荧光太阳集光器的长宽高相应为
Figure 972452DEST_PATH_IMAGE009
。
所述的积分球通过其进光口从所述的平板型荧光太阳集光器样品侧面接收光，并使光在所述的积分球内部经过多次全反射后在积分球的出光口射出。
所述的单色仪将积分球出光口出射的复色光经过光栅单色仪后转换为单色光。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明首次公开了一种平板型荧光太阳集光器的测试装置及其集光效率和光增益系数测试方法，一方面与利用标准商用太阳能电池板的短路电流大小来估算集光效率高低的现有技术相比，本发明提出的集光效率和光增益系数的测试方法是一种直接的方法。本测试装置和测试方法不需要在平板型荧光太阳集光器四周耦合太阳能电池板，可有效避免光子的逃逸率以及耦合效率低等问题。同时，可以避免平板型荧光太阳集光器与不同种类商用太阳能电池板的光谱不匹配问题。另一方面，与单一波长激光器作为光源的测试方法相比，本发明采用标准的AM1.5太阳光模拟器作为光源，测试结果更加精确。同时，本发明中提出采用荧光发射谱的强度来加权计算各个波长的光功率的计算方法，计算简单且便于实施。
附图说明
图1为本发明平板型荧光太阳集光器测试装置的结构示意图，图中各标注如下：1-太阳光模拟器，2-平板型荧光太阳集光器样品，3-样品台，4-积分球，5-单色仪，6-光功率测试仪，7-光电探测器，8-控制主机，9-暗室，10-橡胶密封圈，11-光纤，12-第一滤波片，13-第二滤波片，14-计算机显示器；
图2为本发明应用实施例中归一化光致发光谱
Figure 679639DEST_PATH_IMAGE002
图谱测试结果。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
具体实施例一
一种平板型荧光太阳集光器的测试装置，如图1所示，包括用于提供光源的太阳光模拟器1、用于放置平板型荧光太阳集光器样品2的样品台3、用于接收平板型荧光太阳集光器样品2侧面出光的积分球4、用于产生单色光的单色仪5、用于测量特定波段光子功率的光功率测试仪6、用于测量光致发光强度的光电探测器7和用于控制单色仪5转动使其轴向出光或侧向出光的控制主机8；太阳光模拟器1和样品台3位于暗室9内，太阳光模拟器1将模拟的太阳光照射到样品台3上待测平板型荧光太阳集光器样品2的上表面，平板型荧光太阳集光器样品2侧面通过不透光的橡胶密封圈10与积分球4的进光口相连，积分球4的出光口通过光纤11与单色仪5的进光口相连，单色仪5的轴向出光口通过第一滤波片12与光电探测器7连接，单色仪5的侧向出光口通过第二滤波片13与光功率测试仪6连接，单色仪5、光功率测试仪6和光电探测器7分别与控制主机8的输入端连接，控制主机8的输出端连接用于显示测试数据的计算机显示器14。
在此具体实施例中，第一滤波片12和第二滤波片13均采用高通滤波片。单色仪5采用双光栅单色仪。太阳光模拟器1为标准的AM1.5太阳光模拟器。
除上述实施例外，也可以将单色仪5的侧向出光口通过第一滤波片12与光电探测器7连接，同时单色仪5的轴向出光口通过第二滤波片13与光功率测试仪6连接。
具体实施例二
一种利用上述具体实施例一中测试装置的平板型荧光太阳集光器的集光效率和光增益系数测试方法，如图1所示，包括以下步骤：
（1）将未掺杂发光中心材料的平板型聚合物波导的标准样品放置在样品台3上，将标准样品通过不透光的橡胶密封圈10连接至积分球4的进光口，打开太阳光模拟器1，等待太阳光模拟器1中的光源（如氙灯）稳定后（通常30-60分钟），打开光功率测试仪6，测试背景噪声光功率，记为
Figure 623325DEST_PATH_IMAGE010
；
（2）将标准样品取下，放入掺杂发光中心材料的平板型荧光太阳集光器待测样品2，将待测样品通过不透光的橡胶密封圈10连接至积分球4的进光口，利用控制主机8控制单色仪5光栅转动使其轴向出光，光经过第一滤波片12后进入光电探测器7（CCD或PMT探测器），利用控制主机8设置光电探测器7的入射光窄缝为2-30nm和积分时间为0.1-10s，在计算机显示器14显示经归一化后的光致发光谱
Figure 651324DEST_PATH_IMAGE002
，光致发光谱中心波长为
Figure 973852DEST_PATH_IMAGE003
；利用控制主机8控制单色仪5光栅转动使得侧向出光，光经过第二滤波片13后进入光功率测试仪6，设置光功率测试仪6的探测波长为
Figure 960262DEST_PATH_IMAGE003
，记录该波长下光功率测试仪6读数
Figure 125664DEST_PATH_IMAGE004
；
（3）计算集光效率
Figure 347567DEST_PATH_IMAGE005
和光增益系数C
Figure 586919DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 478651DEST_PATH_IMAGE007
；
其中：
Figure 20098DEST_PATH_IMAGE002
是经归一化后的光致发光谱，
Figure 389899DEST_PATH_IMAGE001
为背景噪声光功率，
Figure 811653DEST_PATH_IMAGE004
为波长为
Figure 749653DEST_PATH_IMAGE003
时的光功率测试仪的读数，G为平板型荧光太阳集光器样品2的几何因子，即
Figure 889648DEST_PATH_IMAGE008
，其中平板型荧光太阳集光器样品2的长宽高相应为
Figure 328719DEST_PATH_IMAGE009
。
上述积分球4通过进光口从平板型荧光太阳集光器样品2侧面接收光，并使光在积分球4内部经过多次反射后非常均匀地散射在其内部。单色仪5将积分球4出光口的复色光收集通过光栅转动将复色光分解成特定波长的单色光。
应用实施例
采用上述具体实施例一和具体实施例二制备的的测试装置和测试方法，对由本发明人制备的尺寸为6cm×6cm×0.3cm的基于全无机钙钛矿量子点的平板型荧光太阳集光器（专利名称：一种基于全无机钙钛矿量子点的太阳能荧光集光器的制备方法；公开号：CN201810965934.7）的集光效率和光增益系数进行测试，步骤如下：
（1）将未掺杂发光中心材料的平板型聚合物波导的标准样品放置在样品台3上，将标准样品通过不透光的橡胶密封圈10连接至积分球4的进光口，打开太阳光模拟器1，等待太阳光模拟器1中的光源（如氙灯）稳定后（60分钟），打开光功率测试仪6，测试背景噪声光功率，记为
Figure 729613DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 963149DEST_PATH_IMAGE010
值为0.299uW；
（2）将标准样品取下，放入尺寸为6cm×6cm×0.3cm的基于全无机钙钛矿量子点的平板型荧光太阳集光器待测样品2，将待测样品通过不透光的橡胶密封圈10连接至积分球4的进光口，利用控制主机8控制单色仪5光栅转动使其轴向出光，光经过第一滤波片12后进入光电探测器7（CCD或PMT探测器），利用控制主机8设置光电探测器7的入射光窄缝大小和积分时间参数，在计算机显示器14显示经归一化后的光致发光谱
Figure 324860DEST_PATH_IMAGE002
（如图2所示），光致发光谱中心波长为
Figure 36464DEST_PATH_IMAGE003
（512nm）；利用控制主机8控制单色仪5光栅转动使得侧向出光，光经过第二滤波片13后进入光功率测试仪6，设置光功率测试仪6的探测波长为
Figure 308176DEST_PATH_IMAGE003
即512nm，记录该波长下光功率测试仪6读数
Figure 712613DEST_PATH_IMAGE004
，值为8.06mW；
（3）计算集光效率
Figure 561620DEST_PATH_IMAGE005
和光增益系数C
Figure 76915DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 953867DEST_PATH_IMAGE007
；
其中：
Figure 529204DEST_PATH_IMAGE002
是经归一化后的光致发光谱，
Figure 865508DEST_PATH_IMAGE010
为背景噪声光功率，
Figure 184494DEST_PATH_IMAGE004
为波长为
Figure 430798DEST_PATH_IMAGE003
时的光功率测试仪的读数，G为平板型荧光太阳集光器样品2的几何因子，即
Figure 177038DEST_PATH_IMAGE008
，其中平板型荧光太阳集光器样品2的长宽高相应为6cm×6cm×0.3cm。
经计算，集光效率
Figure 735058DEST_PATH_IMAGE005
=5.4%，平板型荧光太阳集光器的几何因子G=5，光增益系数C=27%。
上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种平板型荧光太阳集光器的测试装置，其特征在于包括用于提供光源的太阳光模拟器、用于放置平板型荧光太阳集光器样品的样品台、用于接收所述的平板型荧光太阳集光器样品侧面出光的积分球、用于产生单色光的单色仪、用于测量特定波段光子功率的光功率测试仪、用于测量光致发光强度的光电探测器和用于控制所述的单色仪转动使其轴向出光或侧向出光的控制主机；所述的太阳光模拟器和所述的样品台位于暗室内，所述的太阳光模拟器将模拟的太阳光照射到所述的样品台上待测平板型荧光太阳集光器样品的上表面，所述的平板型荧光太阳集光器样品侧面通过不透光的橡胶密封圈与所述的积分球的进光口相连，所述的积分球的出光口通过光纤与所述的单色仪的进光口相连，所述的单色仪的出光口通过第一滤波片与所述的光电探测器连接，所述的单色仪的另一出光口通过第二滤波片与所述的光功率测试仪连接，所述的单色仪、所述的光功率测试仪和所述的光电探测器分别与所述的控制主机的输入端连接，所述的控制主机的输出端连接计算机显示器。
2.根据权利要求1所述的一种平板型荧光太阳集光器的测试装置，其特征在于：所述的单色仪的轴向出光口通过第一滤波片与所述的光电探测器连接，同时所述的单色仪的侧向出光口通过第二滤波片与所述的光功率测试仪连接。
3.根据权利要求1所述的一种平板型荧光太阳集光器的测试装置，其特征在于：所述的单色仪的侧向出光口通过第一滤波片与所述的光电探测器连接，同时所述的单色仪的轴向出光口通过第二滤波片与所述的光功率测试仪连接。
4.根据权利要求2或3所述的一种平板型荧光太阳集光器的测试装置，其特征在于：所述的第一滤波片和所述的第二滤波片均采用高通滤波片。
5.根据权利要求4所述的一种平板型荧光太阳集光器的测试装置，其特征在于：所述的单色仪采用双光栅单色仪。
6.根据权利要求4所述的一种平板型荧光太阳集光器的测试装置，其特征在于：所述的太阳光模拟器为标准的AM1.5太阳光模拟器。
7.一种利用权利要求1-6中任一项所述的测试装置的平板型荧光太阳集光器的集光效率和光增益系数测试方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将未掺杂发光中心材料的平板型聚合物波导的标准样品放置在样品台上，将标准样品通过不透光的橡胶密封圈连接至积分球的进光口，打开太阳光模拟器，等待太阳光模拟器中的光源稳定后，打开光功率测试仪，测试背景噪声光功率，记为
Figure 914513DEST_PATH_IMAGE001
；
（2）将标准样品取下，放入掺杂发光中心材料的平板型荧光太阳集光器待测样品，将待测样品通过不透光的橡胶密封圈连接至积分球的进光口，利用控制主机控制单色仪的光栅转动使其轴向或侧向出光，光经过第一滤波片后进入光电探测器，利用控制主机设置光电探测器的入射光窄缝为2-30nm、积分时间为0.1-10s，在计算机显示器显示经归一化后的光致发光谱
Figure 139958DEST_PATH_IMAGE002
，光致发光谱中心波长为
Figure 525940DEST_PATH_IMAGE003
；利用控制主机控制单色仪的光栅转动使得侧向或轴向出光，光经过第二滤波片后进入光功率测试仪，设置光功率测试仪的探测波长为
Figure 492627DEST_PATH_IMAGE003
，记录该波长下光功率测试仪读数
Figure 622257DEST_PATH_IMAGE004
；
（3）计算集光效率
Figure 967788DEST_PATH_IMAGE005
和光增益系数C
Figure 462355DEST_PATH_IMAGE006
，
Figure 463809DEST_PATH_IMAGE007
；
其中
Figure 193867DEST_PATH_IMAGE002
是经归一化后的光致发光谱，
Figure 597167DEST_PATH_IMAGE001
为背景噪声光功率，
Figure 10437DEST_PATH_IMAGE004
为波长为
Figure 295925DEST_PATH_IMAGE003
时的光功率测试仪的读数，G为平板型荧光太阳集光器的几何因子，即
Figure 32937DEST_PATH_IMAGE008
，其中平板型荧光太阳集光器的长宽高相应为
Figure 228426DEST_PATH_IMAGE009
。
8.根据权利要求7所述的一种平板型荧光太阳集光器的集光效率和光增益系数测试方法，其特征在于：所述的积分球通过其进光口从所述的平板型荧光太阳集光器样品侧面接收光，并使光在所述的积分球内部经过多次全反射后在积分球的出光口射出；所述的单色仪将积分球出光口出射的复色光经过光栅单色仪后转换为单色光。
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