Люминесцентный солнечный концентратор - Luminescent solar concentrator

Люминесцентный солнечный концентратор

Люминесцентный солнечный концентратор ( LSC ) представляет собой устройство для концентрирования излучения , солнечной радиации , в частности, для производства электроэнергии. Люминесцентные солнечные концентраторы работают по принципу сбора излучения на большой площади, преобразования его люминесценцией (в частности, флуоресценции ) и направления генерируемого излучения в относительно небольшую выходную мишень.

Схема LSC

Дизайн

Первоначальные конструкции обычно состояли из параллельных тонких плоских слоев чередующихся люминесцентных и прозрачных материалов, размещенных для сбора падающего излучения на их (более широких) гранях и излучения концентрированного излучения вокруг их (более узких) краев. Обычно устройство направляет концентрированное излучение на солнечные элементы для выработки электроэнергии.

Другие конфигурации (такие как легированные или покрытые оптические волокна или профилированные стопки чередующихся слоев) могут лучше подходить для конкретных приложений.

Устройство и принципы работы

Слои в стопке могут быть отдельными параллельными пластинами или чередующимися пластами в твердой структуре. В принципе, если эффективная входная площадь достаточно велика по сравнению с эффективной выходной площадью, выходная освещенность будет соответственно более высокой, чем входная, как измерено в ваттах на квадратный метр. Коэффициент концентрации - это соотношение выходной и входной освещенности всего устройства.

Например, представьте себе квадратный стеклянный лист (или стопку) со стороной 200 мм и толщиной 5 мм. Его входная площадь (например, поверхность одной единственной стороны листа, ориентированная в сторону источника энергии) в 10 раз больше, чем выходная площадь (например, поверхность четырех открытых сторон) - 40000 квадратных мм (200x200) по сравнению с 4000 квадратных мм. (200x5x4). В первом приближении коэффициент концентрации такого LSC пропорционален площади входных поверхностей, деленной на площадь краев, умноженную на эффективность отвода падающего света в сторону выходной области. Предположим, что стеклянный лист может отводить падающий свет от лица к краям с эффективностью 50%. Гипотетический лист стекла в нашем примере даст выходную освещенность в 5 раз больше, чем падающий свет, что дает коэффициент концентрации 5.

Точно так же может оказаться полезным оптическое волокно с градиентным показателем преломления в поперечном сечении 1 квадратный мм и длиной 1 метр с люминесцентным покрытием.

Коэффициент концентрации в зависимости от эффективности

Коэффициент концентрации влияет на эффективность устройства для определения общей производительности.

  • Фактор концентрации - это соотношение между входящей и излучаемой энергетической освещенностью. Если входная освещенность составляет 1 кВт / м2, а выходная освещенность составляет 10 кВт / м2, это обеспечит коэффициент концентрации 10.
  • Эффективность - это соотношение между входящим лучистым потоком (измеряется в ваттах) и исходящей мощностью, или доля входящей энергии, которую устройство может выдавать в качестве полезной выходной энергии (не то же самое, что свет или электричество, некоторые из которых могут не быть пригодным для использования). В предыдущем примере половина полученной мощности повторно излучается, что подразумевает эффективность 50%.

Большинство устройств (таких как солнечные элементы) для преобразования поступающей энергии в полезную выходную мощность относительно малы и дороги, и они лучше всего работают при преобразовании направленного света с высокой интенсивностью и узким частотным диапазоном, тогда как входное излучение имеет тенденцию иметь диффузные частоты относительно низкая освещенность и насыщенность . Соответственно, концентрация потребляемой энергии является одним из вариантов повышения эффективности и экономии.

Свечение

Приведенное выше описание охватывает более широкий класс концентраторов (например, простые оптические концентраторы), чем просто люминесцентные солнечные концентраторы. Существенным атрибутом LSC является то, что они включают люминесцентные материалы, которые поглощают падающий свет с широким частотным диапазоном и повторно излучают энергию в виде света в узком частотном диапазоне. Чем уже частотный диапазон (т.е. чем выше насыщение), тем проще может быть сконструирован фотоэлектрический элемент для преобразования его в электричество.

Подходящие оптические конструкции улавливают свет, излучаемый люминесцентным материалом во всех направлениях, перенаправляя его так, чтобы мало что могло ускользнуть от фотоэлектрических преобразователей . Методы перенаправления включают внутреннее отражение , градиенты показателя преломления и, при необходимости, дифракцию . В принципе, такие LSC могут использовать свет облачного неба и подобных рассеянных источников, которые мало используются для питания обычных солнечных элементов или для концентрации с помощью обычных оптических отражателей или преломляющих устройств.

Люминесцентный компонент может быть легирующим веществом в материале некоторой или всей прозрачной среды, или он может быть в форме люминесцентных тонких пленок на поверхностях некоторых прозрачных компонентов.

Теория люминесцентных солнечных концентраторов

В различных статьях обсуждалась теория внутреннего отражения флуоресцентного света, чтобы обеспечить концентрированное излучение на краях, как для легированных стекол, так и для органических красителей, включенных в объемные полимеры. Когда прозрачные пластины легированы флуоресцентными материалами, эффективная конструкция требует, чтобы легирующие примеси поглощали большую часть солнечного спектра, переизлучая большую часть поглощенной энергии в виде длинноволновой люминесценции. В свою очередь, флуоресцентные компоненты должны быть прозрачными для излучаемых длин волн. Выполнение этих условий позволяет прозрачной матрице передавать излучение в зону вывода. Контроль внутреннего пути люминесценции может основываться на многократном внутреннем отражении флуоресцентного света и преломлении в среде с переменным показателем преломления.

Теоретически около 75-80% люминесценции может быть захвачено за счет полного внутреннего отражения в пластине с показателем преломления, примерно равным показателю преломления типичного оконного стекла. Несколько большей эффективности можно добиться, используя материалы с более высокими показателями преломления. Такое расположение с использованием устройства с высоким коэффициентом концентрации должно обеспечить впечатляющую экономию инвестиций в фотоэлектрические элементы для производства заданного количества электроэнергии. В идеальных условиях расчетный общий КПД такой системы в смысле количества энергии, покидающей фотоэлектрический элемент, деленного на энергию, падающую на пластину, должен составлять около 20%.

При этом учитывается:

  • поглощение света непрозрачными материалами в прозрачной среде,
  • эффективность преобразования света люминесцентными компонентами,
  • выход люминесценции за критический угол и
  • общий КПД (который представляет собой отношение средней излучаемой энергии к средней поглощенной энергии).

Практические перспективы и вызовы

Относительные достоинства различных функциональных компонентов и конфигураций вызывают серьезную озабоченность, в частности:

  • Органические красители предлагают более широкий диапазон частот и большую гибкость в выборе частот испускания и повторного поглощения, чем соединения редкоземельных элементов и другие неорганические люминесцентные агенты.
  • Легирование органических полимеров обычно практично с помощью органических люминесцентных агентов, тогда как легирование стабильными неорганическими люминесцентными агентами обычно нецелесообразно, за исключением неорганических стекол.
  • Люминесцентные агенты, сконфигурированные как объемное легирование прозрачной среды, имеют достоинства, которые отличаются от достоинств тонких пленок, нанесенных на прозрачную среду.
  • Различные улавливающие среды представляют собой различные комбинации прочности, прозрачности, совместимости с другими материалами и показателя преломления. Неорганическое стекло и органические полимерные среды составляют два основных класса, представляющих интерес.
  • Фотонные системы создают запрещенные зоны, которые задерживают излучение.
  • Идентификация материалов, которые повторно излучают больше входящего света как полезное свечение с пренебрежимо малым самопоглощением, имеет решающее значение. Достижение этого идеала зависит от настройки соответствующих уровней энергии электронного возбуждения, чтобы они отличались от уровней излучения в люминесцентной среде.
  • В качестве альтернативы люминесцентные материалы могут быть сконфигурированы в тонкие пленки, которые излучают свет в прозрачную пассивную среду, которая может эффективно проводить к выходу.
  • Чувствительность солнечных элементов должна соответствовать максимальному спектру излучения люминесцентных красителей.
  • Увеличение вероятности перехода из основного состояния в возбужденное состояние поверхностных плазмонов увеличивает эффективность.

Люминесцентные солнечные концентраторы могут использоваться для интеграции устройств сбора солнечной энергии в фасады зданий в городах.

Достижения

Прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы

В 2013 году исследователи из Университета штата Мичиган продемонстрировали первые видимые прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы. Эти устройства состояли из фосфоресцирующих нанокластеров галогенидов металлов (или квантовых точек ), которые демонстрируют массивный стоксов сдвиг (или понижающее преобразование) и которые избирательно поглощают ультрафиолет и излучают свет в ближней инфракрасной области, что обеспечивает избирательный сбор, повышенную эффективность реабсорбции и прозрачность без оттенков. в видимом спектре. В следующем году эти исследователи продемонстрировали получение в ближнем инфракрасном диапазоне видимых прозрачных люминесцентных солнечных концентраторов с использованием люминесцентных производных органических солей. Эти устройства демонстрируют четкую видимую прозрачность, аналогичную прозрачности стекла, и эффективность преобразования энергии, близкую к 0,5%. В этой конфигурации возможен КПД более 10% из-за большой доли потока фотонов в ближнем инфракрасном спектре.

Квантовые точки

LSC на основе квантовых точек (КТ) селенида кадмия / сульфида цинка (CdSe / ZnS) и селенида кадмия / сульфида кадмия (CdSe / CdS ) с индуцированным большим разделением полос излучения и поглощения (так называемым большим стоксовым сдвигом ) были объявлены в 2007 г. 2014 соответственно

В поглощении света преобладает сверхтолстая внешняя оболочка из CdS, тогда как излучение происходит из внутренней сердцевины более узкозонного CdSe. Разделение функций поглощения света и излучения света между двумя частями наноструктуры приводит к большому спектральному сдвигу излучения по отношению к поглощению, что значительно снижает потери на повторное поглощение. Квантовые точки были встроены в большие пластины (размером в десятки сантиметров) из полиметилметакрилата (ПММА). Активные частицы были около ста ангстрем в поперечнике.

Спектроскопические измерения показали практически отсутствие потерь на повторное поглощение на расстояниях в десятки сантиметров. Эффективность сбора фотонов составляла примерно 10%. Несмотря на высокую прозрачность, изготовленные структуры показали значительное усиление солнечного потока с коэффициентом концентрации более четырех.

Смотрите также

Рекомендации

дальнейшее чтение

внешняя ссылка

Другие авторы: