ハイブリッドハイ

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5206 (2023) この記事を引用

546 アクセス

10 オルトメトリック

メトリクスの詳細

本研究では、フレネルレンズを用いた太陽電池モジュールの光漏れ特性と、実用化における雲の影から生じる性能問題の両方を考慮して、新しい高濃度太陽電池（HCPV）セルを提案します。自社構築のシステムにより、さまざまな環境条件下で最長半年にわたるフィールド測定を実施します。得られた結果によると、驚くべきことに、集光エリア以外の領域、いわゆる光漏れ領域では、晴れの日でも曇りの日でも常に20,000～40,000lx程度の照度が存在しており、雲の状態が異なります。このような興味深い結果は、雲による光の散乱とフレネルレンズの固有の漏れ特性によって引き起こされます。この重要な発見を証明するために、さまざまなサイズの開口を使用して測定に使用されるフレネルレンズ構造の照度をシミュレートし、検出領域を決定しました。実験室では、雲層の厚さが異なる状況を模倣するために拡散板が使用されました。計算結果と測定結果の傾向は、現場での測定結果とよく一致しました。また、実験とシミュレーションの結果は、フレネルレンズの丸い角とドラフトファセットが光漏れの原因であることを示しています。この発見により、私たちは、よりコスト効率の高い多結晶シリコン太陽電池をHCPVの高効率ウェーハの周囲に配置し、散逸した光漏れを捕捉して使用可能な電力に変換する、ハイブリッド高濃度太陽電池モジュールを提案するようになりました。

2015 年に国連総会によって設定された、相互に関連する 17 の世界的な持続可能な開発目標 (SDGs) の中で、手頃な価格のクリーンエネルギーは、すべての人にとってより良い、より持続可能な未来を実現するための重要な指標です。したがって、クリーンで持続可能なエネルギー生成のために、研究者は、風力エネルギー、地熱エネルギー、水力発電、潮力発電、太陽エネルギーなどを含む、いわゆるグリーンエネルギーを得るためにさまざまな天然資源を利用しています。これらの中で、太陽光発電は地形や環境による制限が少ないです。世界中のほぼどこでも入手できるエネルギー源です1。したがって、太陽からの光エネルギーを簡単に利用できる電気エネルギーに効果的に変換することは、常に人類の発展の究極の目標でした。半導体材料から作られた太陽電池パネルは、最も経済的に製造された太陽光発電装置として認識されています。過去数十年にわたり、この装置は太陽光線から発電するために広く利用されるようになりました。世界中の公共の建物や個人の家の屋根で見ることができます。一般に、半導体ベースのソーラーパネルに使用される材料は多結晶シリコンまたはIII-V族およびII-VI族化合物半導体であり、その光変換効率はそれぞれ15%と45%です2、3、4。製品の価格に関しては、III-V族またはII-VI族化合物半導体で作られたソーラーパネルのコストは、ポリシリコンソーラーパネルのコストよりもはるかに高くなります。ただし、効率を考慮して、太陽光発電所のソーラーパネルには依然として III-V 族または II-VI 族半導体が使用されています。これらは、発電効率を向上させるために付随する太陽追尾システムに使用されます5。さらに、化合物半導体ベースの太陽電池パネルの上に光学レンズを構成して、ほぼ平行に入射する太陽光をこのような高コストの太陽電池の限られた領域に効果的に集中させることができます6、7。この構成の太陽電池モジュールは高濃度太陽光発電 (HCPV) 8,9 と呼ばれます。これは、光学素子の設計と使用を通じて、太陽エネルギーのほとんどを小型の太陽電池ウェーハに収集できることを意味します。これにより、太陽電池電源に高性能な化合物半導体材料を最大限に活用できるだけでなく、使用材料の削減による大幅なコスト削減も可能となります。

HCPV システムでは、レンズ上の太陽光の方向は、太陽電池が収集できる太陽エネルギーの量と密接に関係しているため、最高の変換効率を得るには、時間変化する太陽追跡システムを使用する必要があります。したがって、集光レンズの構造にも特別な設計が必要となります。適切な撮影距離に加え、単位面積あたりの集光レンズ枚数を増やし、レンズ自体の重量を可能な限り軽量化することを目指しています。従来の集光レンズは、許容可能な焦点距離とそれに対応するレンズサイズの関係から、一般に設計が難しく、これらの最適な要件を同時に達成することが困難であり、その結果、太陽追跡システムの価格が高くなります。この問題を解決する効果的な方法は、フレネルレンズを使用することです10。謝とシエラら。は、太陽エネルギーが高濃度に集中した場合のフレネルレンズの応用を研究しました11,12。チェンとヤマダら。らは照度均一性の分布を改善するためにフレネルレンズの設計を提案 13,14 したが、フレネルレンズの光漏れや厚い雲の気象条件下での発電効率の問題については考慮されていなかった。フレネルレンズと組み合わせたHCPVシステムは太陽光のエネルギーを有効に利用しますが、空の雲の状態が変化すると、フレネルレンズが太陽光を効果的に集光できなくなり、HCPVの発電効率が低下します。本論文は、HCPV における光漏れの新たな発見を示し、異なる雲条件下でも一定レベルの照度を維持できることを示し、異なる気象条件に適し、発電効率が最適に維持されるハイブリッド集光システムを提案します。さまざまな雲条件下でのフィールド計測を通じて新たな技術的知見を実証します。

フレネルレンズは複合コンパクトレンズの一種であり、その構造設計を図1aに概略的に示します。これにより、従来のレンズに必要な材料の質量と体積を必要とせずに、大口径で焦点距離の短いレンズを構築できます。デザイン15、16、17。したがって、フレネルレンズは従来のレンズよりもはるかに薄くすることができます。フレネルレンズは、太陽追跡システムの要件を満たすことができるように、レンズの重量を大幅に軽減するように設計されています。ただし、従来のレンズとは異なり、図1bに示すように、複数のセグメントに分散された非滑らかで不連続なレンズ表面は、製造されたフレネルレンズの曲率半径や抜き勾配などの製造誤差により、避けられない重大な光漏れを引き起こす可能性があります。。これらの構造の微妙な変化により、平行入射太陽光の一部がフレネルレンズを通って太陽電池モジュール内のエネルギーハーベスティング範囲に効果的に集束されなくなり、発電効率が低下する可能性があります。 Advanced System Analysis Program (ASAP)18 によるシミュレーション計算にはフレネルレンズを使用しました。丸角の曲率半径 (RVRA) とドラフト角はそれぞれ約 0.1 mm と 1° でした。フレネルレンズの幅は129mm、厚さは1.81mmでした。シミュレーション計算結果は、モンテカルロ光線追跡 19 によって図 1c に示されています。ここで、シミュレーションの総光線数は 10,000,000 です。フレネルレンズをHCPVの集束レンズとして使用する場合、入射ビームの大部分はエネルギー収集エリアに相当する焦点エリアに効果的に集中できますが、それでも光エネルギーの一部はエネルギー収集エリアから散逸されます。地域。シミュレーションにおける集光エリアのサイズは約1.1mm×1.1mm、集光パワー比は63%、集光エリア外への光漏れ率は37%でした。

フレネルレンズ構造とシミュレートされたビーム伝播の概略図。 (a) フレネルレンズの構造。 (b) 概略スケッチは、フレネルレンズの溝の拡大画像を表しています。 (c) レイトレーシングシミュレーションとフレネルレンズのレイファンのセット。 (d) 焦点面全体にわたるシミュレーションされた光束分布。合焦エリア外の照度は漏れ光によるものです。

HCPV 太陽電池モジュールを使用するときに遭遇するもう 1 つの実際的な問題は、空が常に晴れていて雲がないわけではないことです。そのため、雲の層が太陽光と太陽電池モジュールを通過すると、太陽光線は雲の中の水分子によって多重散乱され、これまで平行に近かった太陽電池モジュールに入射する光の進行方向が変化します。太陽光の進行方向の変化は雲の厚さに関係します。雲の厚さが薄い場合、太陽光の進行方向のほとんどは影響を受けないため、太陽光は依然として太陽電池モジュールに集中することができます。しかし、雲層の厚さが一定の厚さまで増加すると、雲層を通過した太陽光線はランダムに水分子に衝突し、その結果、散乱経路がランダムになります。したがって、太陽光はフレネルレンズに到達した時点でコリメートされなくなり、レンズによって効率よく太陽電池に集光できなくなり、太陽電池の照度が低下します。この場合、III-V族半導体系太陽電池を用いた場合、HCPVは集光面積が小さいため、電力変換効率がほとんどない。

本研究では、フレネルレンズの使用により散逸する光エネルギーを効率的に取得し、さまざまな気象条件下でも使用できる高効率の太陽電池モジュールを作製するために、まずフレネルレンズの光漏れ領域における光エネルギーを計算・測定しました。単色光照射下で異なる構造のレンズ。次に、さまざまな透過率を持つ拡散板を使用して、さまざまな雲層の厚さの屋外条件を再現し、太陽電池モジュール上の横方向の光強度分布を測定しました。最後に、屋外フィールド測定の結果を要約して、ハイブリッドソーラー高濃度太陽光発電モジュールを提案します。このようなシステムは、HCPVと多結晶シリコンベースのソーラーパネルの利点を同時に組み合わせ、異なる天候下でも同等の電力変換効率を達成できると期待しています。条件。

フレネルレンズの構造に関する限り、抜き勾配ファセットも金型製造による RVRA も、入射光を同じ焦点領域に集めることができません。したがって、ＨＣＰＶセルモジュールには光漏れ領域が形成される。抜き勾配ファセットは、レンズの薄化プロセスの副作用です。抜き勾配ファセットが多いほど、フレネルレンズは薄くなります。抜き勾配ファセットとともに発生するもう 1 つのことは、丸い角度です。丸角は、フレネルレンズの構造が大きく回転することにより発生します。同様に、丸角構造では太陽光を中央領域に集中させることができません。フレネルレンズの製造プロセスでは、脱型プロセス中に少なくとも 1° の抜き勾配が必要です。通常、丸い角の曲率半径は数百ミクロン以上です。これらの要因により、光の集中状況がさらに悪化する可能性があります。フレネルレンズ構造の抜き勾配ファセット構造と丸角の面積比に応じて、光の集中への影響を推定できます。抜き勾配面とラウンド角による光漏れLを表現可能

ここで、AF はフレネルレンズの投影領域です。 AG は抜き勾配ファセットの全体の投影面積、AR は丸角が占める投影面積です。したがって、フレネルレンズが薄くなると分割数が増えるため、光漏れの割合も増加します。上記の主張を検証するために、図 2 に示すように、同様の面積を持つ 2 つのフレネルレンズを光束測定に使用しました。実験では、中心波長 532 nm の単色レーザービームを利用して集光実験を行いました。図2cに示すように、レーザー光はまず対物レンズを通過し、次に大口径レンズを通過して平行光ビームを形成します。この平行ビームを使用して、屋外の太陽光の特性を模倣しました。光照射経路内の 2 つのフレネルレンズをそれぞれ図 2 に示します。フレネルレンズ #1 はより多くのセグメントを備えたより薄いレンズであり、フレネルレンズ #2 はより少ないセグメントを備えたより厚いレンズです。最終的に、10 mm × 16 mm の長方形の開口部を備えた光検出器を焦点面に配置し、集光スポットの光束を測定しました。 2 つのレンズの光漏れ率を測定すると、それぞれ 43% と 36% でした。図 1 に示したシミュレーションは、より厚いフレネルレンズ #2 に関するものであるため、測定結果を図 1 に示したシミュレーションと比較することができます。測定の光漏れは、集光エリアが 10 mm × 16 の場合に 36% でした。んん。集光エリアを 1.1 mm × 1.1 mm に設定した場合の光漏れのシミュレーションは 37% であり、実測よりも大幅に小さくなりました。フォーカスエリアの違いは次のように説明できます。フレネルレンズの主要な重要な光学パラメータはシミュレーションで設定されましたが、シミュレートされたフレネルレンズは依然として理想的な状態にありました。これは、製造上の誤差がなく、入射光が十分に平行化されていることを意味します。これら 2 つの要素は実験では不可能でした。したがって、実験における集束スポットは、シミュレーションなどの理想的な場合と比較して、横方向に広がったり、ぼやけたりする可能性があります。ただし、シミュレーションと実験による測定では、シミュレーションと実験の両方で、約 36 ～ 37% の光漏れが集光領域の外側で観察される可能性があることが示されました。疑いもなく、フレネルレンズの漏れメカニズムは十分に証明されました。

研究室でのフレネルレンズの光漏れ測定。 (a) より薄いフレネルレンズ (フレネルレンズ #1): 60 個のメインセグメント、厚さ 0.56 mm。 (b) 厚いフレネルレンズ (フレネルレンズ #2): 厚さ 1.81 mm の 9 つのメインセグメント。 2 つのフレネルレンズは両方とも同じ半径を持っています。 (c) 照射する光の波長は 532 nm、出力は 100 mW 程度です。コリメーションレンズを使用すると、光ビームがフレネルレンズを完全にカバーします。

HCPV の適用性に関するもう 1 つの問題は、太陽光が地球の大気を通過するときに雲によって引き起こされる波面の乱れに起因します。光波がかなりの厚さの雲を通過するとき、光の一部は水滴と衝突し、光の屈折または反射を引き起こし、最終的にはランダムな光散乱を形成します。したがって、光がフレネルレンズに入射すると、その光は平行光とみなされなくなり、集中したビームは HCPV モジュールの中心点に焦点を合わせなくなります。この効果を証明するために、図 2 に示す実験構成を使用し、コリメートレンズとフレネルレンズの間に異なる拡散板を配置しました。 3 つのディフューザーは、特定のディフューザーの透過光束と入射光束の比として定義される、異なるワンショット透過率を持っていました20。これらのディフューザーを使用すると、コリメートビームのさまざまな透過率が可能になり、太陽光に対する雲の影響をシミュレートするために使用できます。実験結果は図3にまとめられています。図3aでは、検出領域の中心付近に明確な集中ビームスポットが観察でき、エネルギーの大部分が限られた場所に収集されたことを示しています。このような結果は、晴れた空の日を模倣するために使用される可能性があります。図3b〜dから、背景パターンがますますぼやけていることが写真から観察できました。同時に、中心領域の強度が低下し、周囲領域の照度が中心領域の強度にどんどん近づきました。フレネルレンズ #1 (青) と #2 (赤) は同様の特性を示しました。

拡散ガラスを使用して、さまざまな条件の天候を模倣したレンズの集束性能。ディフューザーのワンショット透過率は、(a) 晴天のディフューザーなしの場合は 100%、(b) 明るい雲の場合は 83%、(c) 中程度の雲の場合は 65%、(d) 晴天の場合は 56% です。重い雲。

実験室で使用された光源は緑色レーザーダイオードから派生したものであり、実際の条件には適合しませんでした。フレネルレンズの構造によって影響を受ける光学効果を理解するには、太陽光の照明と対応するシミュレーションによる照度を比較する必要がありました。そこで、集光した太陽光の照度をフレネルレンズで測定しました。測定では、実験用にフレネルレンズ #2 を選択し、焦点点のパワーを測定するために高出力照明で利用できる光検出器 (Thorlabs PM16-12) を使用しました。測定は移動する太陽光の下で行われ、集束スポットは理想的な小さなスポットではないため、照度は光検出器の開口サイズに関係します。その結果、集光した太陽光を正確に測定することが困難になりました。あるいは、光検出器の絞りを変更してより多くのデータを収集し、照度と絞りサイズの相関関係を調べてみました。測定結果を図4に示します。縦軸は集光レンズなしでの集光スポットと地面の照度比を示しています。 3 つのシミュレーション曲線があります。黒い曲線は、同じ F 値を持つ従来のレンズの計算された焦点照度比です。青とピンクの曲線は、それぞれ RVRA が 0.2 mm と 0.5 mm のフレネルレンズを使用して得られます。 3 つの曲線間のわずかな違いは、フレネルレンズの幾何学的構造によって引き起こされました。測定の状況が異なりました。太陽光が移動するため、小さな開口部を通した照度の測定が困難になりました。そこで、開口部のサイズと形状（円形、四角形を含む）を変更することにしました。測定結果は図 4 に示されており、測定結果は開口面積の関数として比の同様の傾向を示しています。したがって、フレネルレンズシミュレーションは、太陽光の光学特性を予測するのに役立ちました。

太陽光の下でのフレネルレンズの性能測定。開口部のサイズと形状を変更した場合、測定はフレネルレンズ #1 を使用して晴天の下で行われました。 3 つの曲線は、関連するシミュレーションを示しています。

実際の気象条件下での HCPV モジュールの集光効率と光漏れ特性を理解するために、以下のフィールド測定実験すべてにフレネルレンズ #2 を選択しました。 2 つの回転次元を持つボックス上に 2 × 2 フレネルレンズアレイをセットアップします。フレネルレンズアレイは、いつでも太陽に直接向くように手動で調整できます。測定中、雲層の厚さが変化するにつれて、さまざまな気象条件が発生しました。したがって、雲の厚さの変化に応じて光漏れ領域の明るさが変化することが箱の底で観察できました。この領域の照度が、今回の実験で測定する物理量となる。

半年間の計測過程では、雲の厚さによって気象状況を大きく3つの状況に分けることができます。 1つ目は晴天、つまり空を見たときに雲がなく、地上照度が10万ルクスを超えている状態です。 2つ目は薄曇り、つまり雲層の厚さが薄く、雲層を通して太陽がぼんやりと見える状態です。薄曇りの日でも、光の一部はまだ平行であるため、焦点をはっきりと観察できます。ただし、焦点の光量は晴天に比べて大幅に低下しています。 3 番目は、重い曇り空です。つまり、雲の層が厚く、空全体の明るさがより均一です。このような天気では、太陽の正確な位置を知るのに労力がかかります。つまり、雲によって太陽光が散乱された後、その波面は不規則に分布します。この時点では、ボックスの底部にはフォーカスポイントが表示されません。 6 か月以上の測定を経て、さまざまな気象条件下で地面照度と光漏れを測定しました。測定結果と 2 つの物理量の比を図 5 にまとめます。図 5a ～図 5c は、晴天時の地上照度 (水色のバー) と漏れ照度 (濃青色のバー) の値を示しています。それぞれ曇り、曇りの日。図の赤い曲線は、晴天、薄曇り、重曇りの日における光漏れ領域の光強度の占有率を記録しており、それぞれ約40%、65%、80%でした。実験結果は、雲の層が厚いほど、フレネルレンズの下での光漏れの割合が高くなるということを示しています。雲の厚さの増加に伴って地上照度値が減少しました。これは、フレネルレンズによって焦点に集束されるエネルギーも減少したことを意味します。

さまざまな気象条件下でのフィールド測定結果。 (a) 晴れた空、(b) 軽い雲、(c) 重い雲。曇りの日でも、レンズの存在により、光が散逸する領域には 80% 近くの光が残ります。これは、太陽光発電と農業生態学的バランスを同時に開発するのに非常に役立ちます。

上記の実験結果から、雲の厚さが異なっても、光漏れ領域の照度値に大きな変化が見られないことを発見することは重要かつ興味深い。これは、地上照度が高いほど光漏れの割合が低くなるためです。雲の厚さが増すと地上照度値は低下しますが、光漏れ率は増加します。したがって、雨漏り箇所の照度は気象条件に関係なく一定値に近いことがわかります。 HCPVの光漏れは、雲による太陽光の散乱とフレネルレンズの構造に起因する光漏れの2つの光学現象によって引き起こされます。このような光漏れをうまく利用する必要があります。 1つ目のアイデアは、従来のHCPVのベースプレートを金属製のヒートシンクから透明な媒体に変更し、中心の外側からの光が地面に届くようにすることです。この 20,000 ルクスから 40,000 ルクスの太陽光の分布は、地上の一部の植物の成長をサポートするはずです。そのため、透明基板に交換することで中照度の農作業が可能となります。また、発電の観点からは、漏水箇所に低コストの太陽光パネルを敷設して発電することもできるため、HCPVと多結晶太陽電池の両方の利点を組み合わせた発電設備を設計しました。

図6aに概略的に示すように、焦点に高効率III-V族ソーラーパネルを配置し、その周囲に多結晶シリコンベースのソーラーパネルを配置することによって、ハイブリッド高濃度太陽光発電システムが設計および提案されています。図6aの概略図では、太陽からの平行ビームがフレネルレンズを通過し、高効率ソーラーパネルに焦点を合わせます。フレネルレンズ構造からの光漏れと雲間を通過する太陽光からの散乱光を多結晶シリコンベースのソーラーパネル（PSSP）に導いて発電することができます。晴天時は高効率太陽電池に光が集中するため、発電効率が高くなります。厚い雲の中では太陽光が高効率太陽電池に集中できないため、従来のHCPVでは効果的に発電できませんが、この設計では多結晶太陽電池パネルによる発電が可能です。

ハイブリッド型高濃度太陽光発電デバイスの提案。（a）提案されたハイブリッド光起電力デバイスの概略図には、フレネルレンズ、焦点領域に配置された高品質III-V光起電力コンポーネント、および周囲に配置された従来のPSSPが含まれています。 (b) 3 つの設計間の発電率の比較。青いバーは晴天のシナリオ、灰色のバーは濃い雲の空のシナリオを示しています。図 5c を参照してください。

私たちが提案するハイブリッド高集光太陽光発電システムの異なる気象条件における発電効率を見積もるために、従来の高集光太陽光発電（HCPV）発電システムとハイブリッドHCPV発電システムの発電容量を比較しました。まず、フレネルレンズの面積は約 163.8 cm2 であると仮定しますが、III-V ソーラーパネルの面積は 0.75 cm2 であるため、多結晶シリコンソーラーパネルの面積は 163.05 cm2 となります。 PSSP と III-V 化合物半導体の光子変換効率は 15% と 45% であるため、PSSP と III-V 太陽電池パネルの変換効率はそれぞれ α と 3α と仮定します。上記の仮定に基づいて、さまざまな雲条件下でのさまざまな太陽電池の発電量を計算します。

1 つ目は、図 5a の条件で言及されている晴天のシナリオです。簡単にするために、地上照度が 100,000 ルクスであると仮定します。したがって、晴天時の PSSP の発電量を計算できます。

図5aに示す測定値は、フレネルレンズの下の光漏れがフレネルレンズなしの地上照度の40%であることを示しています。 HCPV の集束領域での光束は、フレネルレンズを通って伝送される残りのパワーであり、追加の 10% のフレネル損失があると仮定します。 HCPV（PHCPV）とハイブリッドHCPV（Phybrid）の発電量はそれぞれ書けます

式（3）と（4）は、図6bの青いバーに示されているように、ハイブリッドHCPVが晴天の太陽光の下で40％の電力漏洩を確保でき、最終的にはPSSPの約2倍の発電量に達することを示しています。

次に、図 5c の条件を参照して、厚い雲の日の場合について説明します。ここでは、地上の照度を晴天の20％、つまり20,000ルクスまたは0.2PPSSPと仮定します。したがって、PSSP の発電量は約 0.2 PPSSP となります。図 5c から、フレネルレンズの光漏れは 80% に設定されているため、光漏れ領域での発電量は約 0.16 PPSSP になります。このような条件では、図3dに示すように、締め付けられたIII-V族太陽電池には顕著な集光スポットがないため、HCPVの発電量はPPSSP/400付近で計算できます。これは、空に厚い雲があり、そのような状況ではHCPVが機能しないことを意味します。ただし、ハイブリッドHCPVは、光漏れにより太陽光の80％を確保することができ、図6bの灰色のバーに示されているように、総発電量は約0.16 PPSSPです。その結果、ハイブリッド HCPV は、晴れた空では HCPV よりも優れた動作をし、厚い雲の空では PSSP と同様に動作します。

図6bに示すように、さまざまな太陽光発電デバイスの発電率の比較がまとめられています。計算結果から、ハイブリッドHCPVはフレネルレンズの漏れ光を集光することで、どのシナリオでもHCPVよりも多くの発電量を示し、HCPVが機能を失う濃曇りの日には発電量はPSSPに近いことが分かりました。提案されたハイブリッド HCPV は、発電効率を向上させ、さまざまな雲の状態に適応できる新しい設計です。

この論文では、フレネルレンズの理論的および実践的な研究から開始し、フレネルレンズを集束レンズとして使用する場合の固有の光漏れ特性を分析しました。光漏れは雲の散乱によっても引き起こされ、これはHCPVにとって避けられない要因であると私たちは指摘しました。次に、フレネルレンズや雲などからの光漏れメカニズムを証明するために、対応する計算を使用して一連の実験が行われました。太陽光を集光するフレネルレンズを使用した対応するフィールド測定は、さまざまな雲空条件に対して 6 か月間実施されました。

得られた結果によると、最も貴重な発見は、フレネルレンズをベースにした太陽光集光器は、晴れの日でも雲の厚さが異なる曇りの日でも、光漏れ領域で約20,000〜40,000lxの照度を持っているということでした。これは、フレネルレンズと国の太陽光の特性に基づいた HCPV の固有の特性です。このような特性は、農業上の利益をもたらす太陽光発電工場で役立つ可能性があります。

この発見により、私たちは、よりコスト効率の高いPSSPをHCPVの高効率ウェーハの周囲に配置して、散逸した光漏れを捕捉して使用可能な電力に変換する、ハイブリッド高濃度太陽電池モジュールを提案するようになりました。このようなシステムは、さまざまな雲の状況下で非常に高い変換効率を示す可能性があります。変換効率が PSSP および III-V 化合物半導体のそれぞれ 15% および 45% であるとの仮定の下で、提案されたハイブリッドシステムは、PSSP および HCPV システムと比較して、それぞれ 190% および 126% の発電効率に達することができます。晴天。雲が厚い場合、HCPVシステムは発電効率がほとんどないのに対し、提案するハイブリッドシステムはPSSPシステムの80％以上の発電効率を維持できる。したがって、提案された新しい太陽光発電システムは、さまざまな曇り空の下で最適な太陽光発電を達成するのに役立ちます。

この研究のすべてのデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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リファレンスをダウンロードする

著者は、ASAP ソフトウェアプログラムを後援してくださった Breault Research Organisation (BRO), Inc. に感謝の意を表します。さらに、実地測定を支援していただいた桃園復丹高等学校に感謝いたします。この研究は、台湾の国家科学技術評議会の助成金を受けて行われました。 MOST 111-2218-E-008-004 –MBK および MOST 111-2221-E-008 -028 -MY3。

国立陽明交通大学電気コンピュータ工学部フォトニクス学科、新竹、30010、台湾

チー・スン＆ツン・シェン・カオ

国立中央大学光学フォトニクス学部、中壢、桃園、32001、台湾

ウー・チーショウ、リン・ヨンシェン、ファン・シュオティン、チウ・ヤオシュアン、サン・チンチャーン

国立陽明交通大学電気物理学科、新竹、30010、台湾

チン・チェン・スン

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研究のコンセプトと設計はチームリーダーの CCS が担当しました。 CS は主に 4 年間の実験とそれに対応するシミュレーションを実施しました。 CSW、STF、YHC が現地測定を行いました。 CSWとYSLはシミュレーションを作成しました。 TSKはCS、CSW、CCSとの議論に参加し、原稿作成を担当しました。

チン・チャーン・サン氏への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Sun、C.、Wu、CS.、Lin、YS。他。さまざまな気象条件に合わせて設計されたハイブリッド高濃度太陽光発電システム。 Sci Rep 13、5206 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-32128-z

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受信日: 2022 年 12 月 27 日

受理日: 2023 年 3 月 22 日

発行日: 2023 年 3 月 30 日

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

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