Люминесцентный солнечный концентратор - Luminescent solar concentrator

Люминесцентный солнечный концентратор

А люминесцентный солнечный концентратор (LSC) - устройство для концентрирования радиация, солнечная радиация в частности, для производства электроэнергии. Люминесцентные солнечные концентраторы работают по принципу сбора излучения на большой площади, преобразования его свечение (в частности, флуоресценция ) и направляя генерируемое излучение на относительно небольшую выходную мишень.

Схема LSC

Дизайн

Первоначальные конструкции обычно состояли из параллельных тонких плоских слоев чередующихся люминесцентных и прозрачных материалов, размещенных для сбора поступающего излучения на их (более широких) гранях и излучения концентрированного излучения вокруг их (более узких) краев.[1][2] Обычно устройство направляет концентрированное излучение на солнечные батареи для выработки электроэнергии.

Другие конфигурации (например, допированный или с покрытием оптические волокна, или контурные 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 площадь входа достаточно велика по сравнению с эффективной площадью выхода, выход будет соответственно выше. сияние чем вход, как измерено в Вт за квадратный метр. Фактор концентрации - это соотношение выходной и входной освещенности всего устройства.

Например, представьте квадратный стеклянный лист (или стопку) со стороной 200 мм и толщиной 5 мм. Его входная площадь (например, поверхность одной поверхности 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 к выходной области. Предположим, что стеклянный лист может отводить падающий свет от лица к краям с эффективностью 50%. Гипотетический лист стекла в нашем примере будет давать выходную освещенность света в 5 раз больше, чем падающий свет, что дает коэффициент концентрации 5.

Точно так же может оказаться полезным оптическое волокно с переменным 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.

  • Коэффициент 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 входящими лучистый поток (измеряется в ваттах) и исходящая мощность, 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 быть непригодными 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 к диффузным частотам относительно низкая освещенность и насыщенность. Соответственно, концентрация потребляемой энергии является одним из вариантов повышения эффективности и экономии.

Люминесценция

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 в широком диапазоне частот и повторно излучают энергию в виде света в узком диапазоне частот. Чем уже частотный диапазон (т.е. чем выше насыщенность), тем проще фотоэлектрический клетка может быть сконструирован 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 света. фотоэлектрические преобразователи. Методы перенаправления включают внутреннее отражение, показатель преломления градиенты и, где это возможно, дифракция. 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 присадка в материале части или всего прозрачного носителя, или он может быть в форме люминесцентного тонкие пленки на поверхности некоторых прозрачных компонентов.[3]

Теория люминесцентных солнечных концентраторов

В различных статьях обсуждалась теория внутреннего отражения флуоресцентного света, чтобы обеспечить концентрированное излучение по краям, как для легированных стекол. [1] и для органических красителей, включенных в объемные полимеры.[4] Когда прозрачные пластины легированы флуоресцентными материалами, эффективная конструкция требует, чтобы легирующие добавки 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 было бы достичь, используя материалы с более высокими показателями преломления.[5] Такое устройство с использованием устройства с высоким коэффициентом концентрации должно обеспечить впечатляющую экономию инвестиций в фотоэлектрические элементы для производства определенного количества электроэнергии. В идеальных условиях расчетный общий КПД такой системы в смысле количества энергии, выходящей из фотоэлектрического элемента, деленного на энергию, падающую на пластину, должен составлять около 20%.[6]

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.[7][8]
  • 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 преимущества, которые отличаются от достоинств тонких пленок, нанесенных на прозрачную среду.
  • Различные улавливающие средства представляют собой различные комбинации прочности, прозрачности, совместимости с другими материалами и показателя преломления. Неорганическое стекло и органические полимерные среды представляют два основных класса.
  • Фотонные системы создают запрещенные зоны это ловушка радиации.[9]
  • Идентификация материалов, которые повторно излучают больше входящего света, как полезная люминесценция с незначительным самопоглощением, имеет решающее значение. Достижение этого идеала зависит от настройки соответствующих уровней энергии электронного возбуждения, чтобы они отличались от уровней излучения в люминесцентной среде.[10]
  • 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.
  • Увеличьте вероятность перехода из основного состояния в возбужденное состояние поверхности плазмоны увеличивает эффективность.

Люминесцентные солнечные концентраторы могут быть использованы для интеграции устройств сбора солнечной энергии в фасады зданий в городах.[11]

Достижения

Прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы

В 2013 году исследователи из Университета штата Мичиган продемонстрировали первые видимые прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы.[12] Эти устройства состояли из фосфоресцирующих нанокластеров галогенидов металлов (или Квантовая точка ) смеси, которые демонстрируют массивный стоксов сдвиг (или понижающее преобразование) и которые избирательно поглощают ультрафиолет и излучают ближний инфракрасный свет, что позволяет избирательно собирать, улучшать эффективность реабсорбции и не окрашивать прозрачность в видимом спектре. В следующем году эти исследователи продемонстрировали почти -Инфракрасное получение видимых прозрачных люминесцентных солнечных концентраторов с использованием люминесцентных производных органических солей.[13] 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.[13]

Квантовые точки

LSC на основе селенида кадмия / сульфида цинка (CdSe / ZnS) и селенида кадмия / сульфида кадмия (CdSe / CdS) квантовые точки (КТ) с индуцированным большим разделением полос излучения и поглощения (так называемый большой Стоксов сдвиг ) были объявлены в 2007 и 2014 годах соответственно[14][15][16]

В поглощении света преобладает сверхтолстая внешняя оболочка из CdS, в то время как излучение происходит из внутреннего ядра CdSe с более узкой запрещенной зоной. Разделение функций поглощения 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 объединены в большие пластины (размером в десятки сантиметров) полиметилметакрилат (ПММА). Активные частицы были около ста ангстрем в поперечнике.[15]

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.[15]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Райсфельд, Рената; Нойман, Самуэль (13 июля 1978 г.). «Планарный преобразователь и концентратор солнечной энергии на основе стекла, легированного уранилом». Природа. 274 (5667): 144–145. Bibcode:1978Натура.274..144р. Дои:10.1038 / 274144a0.
  2. ^ Райсфельд, Рената; Калиски, Иегошуа (1980). «Усовершенствованный планарный преобразователь солнечной энергии на основе уранил-неодима и гольмиевых стекол». Природа. 283 (5744): 281–282. Bibcode:1980Натура.283..281р. Дои:10.1038 / 283281a0.
  3. ^ Райсфельд, Рената (Июль 2010 г.). «Новые разработки в люминесценции для использования солнечной энергии». Оптические материалы. 32 (9): 850–856. Bibcode:2010ОптМа..32..850р. Дои:10.1016 / j.optmat.2010.04.034.
  4. ^ Goetzberger, A .; Greube, W. (1977). «Преобразование солнечной энергии с люминесцентными коллекторами». Прикладная физика. 14 (2): 123. Bibcode:1977ApPhy..14..123G. Дои:10.1007 / BF00883080.
  5. ^ Райсфельд, Рената; Шамраков, Дмитрий; Йоргенсен, Кристиан (август 1994 г.). «Фотостабильные солнечные концентраторы на основе люминесцентных стеклянных пленок». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы. 33 (4): 417–427. Дои:10.1016/0927-0248(94)90002-7.
  6. ^ Райсфельд, Рената; Йоргенсен, Кристиан К. (1982). Люминесцентные солнечные концентраторы для преобразования энергии. Структура и связь. 49. С. 1–36. Дои:10.1007 / BFb0111291. ISBN  978-3-540-11084-2.
  7. ^ Райсфельд, Рената; Йоргенсен, Кристиан Х. (1977). «Лазеры и возбужденные состояния редких земель». Концепции неорганической химии. 82 (8): 844. Дои:10.1002 / bbpc.19780820820. ISSN  0172-7966.
  8. ^ Гафт, Майкл; Райсфельд, Рената; Панцер, Жерар (20 апреля 2005 г.). Современная люминесцентная спектроскопия минералов и материалов. Springer. п. 3. ISBN  978-3-540-21918-7.
  9. ^ «М. Петерс, Дж. К. Гольдшмидт, П. Лёпер, Б. Бласи и А. Гомберт; влияние фотонных структур на световодную эффективность флуоресцентных концентраторов; Journal of Applied Physics 105, 014909 (2009)». Архивировано из оригинал на 2016-05-15. Получено 2011-05-31.
  10. ^ Сарайдаров, Т .; Левченко, В .; Грабовская, А .; Borowicz, P .; Райсфельд, Р. (2010). «Несамопоглощающие материалы для люминесцентных солнечных концентраторов (ЛСК)». Письма по химической физике. 492 (1): 60. Bibcode:2010CPL ... 492 ... 60S. Дои:10.1016 / j.cplett.2010.03.087.
  11. ^ Мейнарди, Франческо; Бруни, Франческо; Бровелли, Серджио (21 ноября 2017 г.). «Люминесцентные солнечные концентраторы для встроенной фотовольтаики». Nature Reviews Материалы. 2 (12): 17072. Bibcode:2017НатРМ ... 217072М. Дои:10.1038 / натревмац.2017.72.
  12. ^ Чжао, Иму; Лант, Ричард Р. (2013). "Прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы для солнечных окон большой площади на основе массивных нанокластерных люминофоров со стоксовым сдвигом". Современные энергетические материалы. 3 (9): 1143–1148. Дои:10.1002 / aenm.201300173.
  13. ^ а б Чжао, Иму; Кроткий, Гаррет А .; Левин, Бенджамин Дж .; Лант, Ричард Р. (2014). "Прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы ближнего инфракрасного диапазона". Современные оптические материалы. 2 (7): 606–611. Дои:10.1002 / adom.201400103.
  14. ^ Галлахер, Сара; Роуэн, Бренда; Доран, Джон; Нортон, Брайан (2007). «Квантовый доцесолнечный концентратор: оптимизация устройства с использованием спектроскопических методов». Солнечная энергия. 81 (4): 540–547. Дои:10.1016 / j.solener.2006.07.006.
  15. ^ а б c Нэнси Амброзиано (14 апреля 2014 г.). «Блестящие квантовые точки украшают будущее солнечных батарей». НИОКР. Получено 2014-06-16.
  16. ^ Мейнарди, Франческо; Коломбо, Анналиса; Велижанин, Кирилл А .; Симонутти, Роберто; Лоренцон, Моника; Беверина, Лука; Вишванатха, Ранджани; Климов Виктор И .; Бровелли, Серджио (2014). «Люминесцентные солнечные концентраторы большой площади на основе нанокристаллов, полученных методом стоксова сдвига, в матрице полимеризованного полимеризованного полимера». Природа Фотоника. 8 (5): 392–399. Bibcode:2014НаФо ... 8..392M. Дои:10.1038 / nphoton.2014.54.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка

Другие авторы: