Solar Concentrators and Solar-Pumped Lasers

Abstract

Innovative substitutions for Fresnel lenses concentrators by Elliptical shaped Fresnel lens (ESFL) and parabolic concentrators by ring array concentrator (RAC) models are presented, as well as, advances of solar-pumped lasers of Ce:Nd:YAG operation during a clean and clouded weather.

The design of the ESFL and RAC were modelled into Zemax® non-sequential ray-tracing soft-ware from well-defined mathematical equations. Most of the key parameters were analysed and the resulting outputs were compared and documented in publications.

The design parameters for solar-pumped lasers were optimized using Zemax®, and then the LAS-CAD™ laser cavity system software was used to further optimize the laser resonator parameters. A solar laser prototype was built with an active medium of Ce:Nd:YAG and tested using a heliostat-parabolic mirror system at both NOVA University of Lisbon and Procédés, Matériaux et Énergie Solaire - Centre National de la Recherche Scientifique (PROMES-CNRS) in Odeillo-Font Romeu, France.

The ESFL offers a 4.58 W/mm2 increase in solar flux concentration compared to a Fresnel lens, which only achieves 2.66 W/mm ² at the same size and focal distance. A 3.14 m ² RAC with a focal length of 300 mm can capture over 18 W/m ².

The first recorded Ce:Nd:YAG solar laser operating with a small collection area of 0.293 m ² at the NOVA facility, produced a multimode output power of 11.2 W, resulting in a solar-to-laser power conversion efficiency of 3.37%, with a minimum threshold pump power of 66 W. The MSSF parabolic mirror from PROMES-CNRS achieved a lower threshold pump power of 32.4 W using a smaller collection area of 0.075 m ², and during cloudy weather, a threshold pump power was further reduced to 29.2 W. Furthermore, cloud interference improved the solar-to-laser conversion efficiency to 6.32%, nearly tripling the 2.32% efficiency on a clear sky, while the solar laser conversion efficiency of 21.47 W/m ² was nearly twice the value of 12.62 W/m ²on a clear sky

The research efforts performed during this work are explained. Experimental results are dis-cussed, and future suggestions are proposed.

Alternate abstract:

Inovações para substituições de concentradores de lentes de Fresnel por lentes de Fresnel elípticas (ESFL) e concentradores parabólicos por modelos de concentradores de matriz de anéis (RAC) são apresentados, bem como avanços de lasers solares de Ce:Nd:YAG operando no limiar mais baixo e durante o clima nublado. O projeto do ESFL e do RAC foi modelado incorporando as equações recém-deduzidas no software de rastreamento de raios não sequencial Zemax®. A maioria dos principais parâ-metros foi analisada e as saídas resultantes foram comparadas e documentadas em publicações. Em relação aos lasers solares bombeados, todos os parâmetros de projeto foram otimizados e adaptados no Zemax® e o software de sistema de cavidade a laser LASCAD™ foi usado para otimizar os parâmetros do ressonador a laser. O protótipo de laser solar com o meio ativo de Ce:Nd:YAG foi construído e testado na instalação helióstato-parabólica na Universidade Nova de Lisboa e no forno solar de tamanho médio (MSSF) no Procédés, Matériaux et Énergie Solaire - Centre National de la Recherche Scientifique (PROMES-CNRS) em Odeillo-Font Romeu, França.

O ESFL oferece um aumento de 4,58 W/mm ² na concentração de fluxo solar em comparação com uma lente de Fresnel, que alcança apenas 2,66 W/mm ² no mesmo tamanho e distância focal. Um RAC de 3,14 m ² com uma distância focal de 300 mm pode capturar mais de 18 W/m2. O primeiro laser solar Ce:Nd:YAG registrado, operando com uma pequena área de coleta de 0,293 m ² na instalação da NOVA, produziu uma potência de saída multimodo de 11,2 W, resultando em uma eficiência de con-versão de energia solar para laser de 3,37%, com uma potência mínima de bombeamento de 66 W. O espelho parabólico MSSF do PROMES-CNRS alcançou uma potência de bombeamento de limiar mais baixa de 32,4 W usando uma área de coleta de 0,075 m ² e, durante o tempo nublado, uma potência de bombeamento de limiar de 29,2 W foi registada. Além disso, a interferência das nuvens melhorou a eficiência de conversão de energia solar para laser em 6,32%, quase triplicando a eficiência de 2,32% em um céu claro, enquanto a eficiência de conversão de energia do laser solar de 21,47 W/m ² foi quase o dobro do valor de 12,62 W/m ²em um céu claro.