Люминесцентный солнечный концентратор

Люминесцентный солнечный концентратор ( ЛСК ) — устройство для концентрации излучения , солнечного излучения в частности , с целью производства электроэнергии. Люминесцентные солнечные концентраторы работают по принципу сбора излучения на большой площади, преобразования его посредством люминесценции (в частности, флуоресценции ) и направления генерируемого излучения в относительно небольшие фотоэлектрические солнечные элементы по краям. ^[1]

Дизайн

Первоначальные конструкции обычно включали параллельные тонкие плоские слои чередующихся люминесцентных и прозрачных материалов, расположенные так, чтобы собирать поступающее излучение на их (более широких) гранях и излучать концентрированное излучение вокруг их (более узких) краев. ^[2]^[3] Обычно устройство направляет концентрированное излучение на солнечные элементы для выработки электроэнергии.

Другие конфигурации (например, с легированием или покрытием оптические волокна или контурные стопки чередующихся слоев) могут лучше подходить для конкретных применений.

Структура и принципы работы

Слои в стопке могут представлять собой отдельные параллельные пластины или чередующиеся слои в сплошной структуре. будет соответственно выше, В принципе, если эффективная входная площадь достаточно велика по сравнению с эффективной выходной площадью, выходная мощность чем входная, что измеряется в ваттах на квадратный метр. Коэффициент концентрации представляет собой 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 грани листа, ориентированной к источнику энергии) в 10 раз больше выходной площади (например, поверхности четырех открытых сторон) - 40 000 кв. мм (200х200) по сравнению с 4 000 кв. мм. (200х5х4). В первом приближении коэффициент концентрации такого ЛСК пропорционален площади входных поверхностей, деленной на площадь ребер, умноженной на эффективность отклонения 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 будет давать выходную интенсивность света в 5 раз большую, чем интенсивность падающего света, что дает коэффициент концентрации 5.

Аналогичным образом может оказаться полезным оптическое волокно с градуированным показателем преломления поперечным сечением 1 мм и длиной 1 метр с люминесцентным покрытием.

Коэффициент концентрации и эффективность

Коэффициент концентрации взаимодействует с эффективностью устройства и определяет общую производительность.

Коэффициент концентрации представляет собой соотношение между входящим и излучаемым излучением. Если входное излучение составляет 1 кВт/м2, а выходное излучение — 10 кВт/м2, это обеспечит коэффициент концентрации 10.
Эффективность — это соотношение между входящим лучистым потоком (измеряется в ваттах) и исходящей мощностью, или долей входящей энергии, которую устройство может передать в качестве полезной выходной энергии (не то же самое, что свет или электричество, некоторые из которых могут быть неэффективными). быть пригодным для использования). В предыдущем примере половина полученной мощности повторно излучается, что означает эффективность 50%.

Большинство устройств (таких как солнечные элементы) для преобразования поступающей энергии в полезную продукцию относительно малы и дороги, и они лучше всего работают при преобразовании направленного света высокой интенсивности и узком частотном диапазоне, тогда как входное излучение имеет тенденцию иметь диффузные частоты, т.е. относительно низкая освещенность и насыщенность . Соответственно, концентрация входной 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 свойством LSC является то, что они содержат люминесцентные материалы, которые поглощают падающий свет в широком диапазоне частот и повторно излучают энергию в виде света в узком диапазоне частот. Чем уже диапазон частот (т.е. чем выше насыщение), тем проще фотоэлектрический элемент можно спроектировать для преобразования его в электричество.

Подходящие оптические конструкции улавливают свет, излучаемый люминесцентным материалом во всех направлениях, перенаправляя его так, что лишь малая часть его ускользает от фотоэлектрических преобразователей . Методы перенаправления включают внутреннее отражение , показателя преломления градиенты и, где это возможно, дифракцию . В принципе, такие LSC могут использовать свет облачного неба и подобных рассеянных источников, которые малопригодны для питания обычных солнечных элементов или для концентрации с помощью обычных оптических отражателей или преломляющих устройств.

Люминесцентный компонент может быть легирующей добавкой в материале части или всей прозрачной среды или может быть в виде люминесцентных тонких пленок на поверхностях некоторых прозрачных компонентов. ^[4]

Теория люминесцентных солнечных концентраторов

В различных статьях обсуждалась теория внутреннего отражения флуоресцентного света с целью обеспечения концентрированного излучения по краям, как для легированных стекол, так и для легированных стекол. ^[2] и для органических красителей, включенных в объемные полимеры. ^[5] Когда прозрачные пластины легируются 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 прозрачны для излучаемых длин волн. Выполнение этих условий позволяет прозрачной матрице передавать излучение в область вывода. Управление внутренним путем люминесценции может основываться на многократном внутреннем отражении флуоресцентного света и преломлении в среде с градуированным показателем преломления.

Теоретически около 75–80 % люминесценции могло бы улавливаться за счет полного внутреннего отражения пластинкой с показателем преломления, примерно равным показателю типичного оконного стекла. Несколько большей эффективности можно было бы достичь, используя материалы с более высокими показателями преломления. ^[6] Такая схема с использованием устройства с высоким коэффициентом концентрации должна 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 фотогальванический элемент, разделенной на энергию, падающую на пластину, должен составлять около 20%. ^[7]

При этом учитывается:

поглощение света плохо прозрачными материалами в прозрачной среде,
эффективность преобразования света люминесцентными компонентами,
выход люминесценции за критический угол и
валовая эффективность (которая представляет собой отношение средней излучаемой энергии к средней поглощаемой энергии).

Практические перспективы и вызовы

Серьезную озабоченность вызывают относительные преимущества различных функциональных компонентов и конфигураций, в частности:

Органические красители предлагают более широкий диапазон частот и большую гибкость в выборе излучаемых и повторно поглощаемых частот, чем редкоземельные соединения и другие неорганические люминесцентные агенты. ^[8]^[9]
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, представляющие собой объемное легирование прозрачной среды, имеют преимущества, отличные от достоинств тонких пленок, нанесенных на прозрачную среду.
Различные улавливающие среды имеют различные комбинации долговечности, прозрачности, совместимости с другими материалами и показателями преломления. Неорганическое стекло и органические полимерные среды составляют два основных класса, представляющих интерес.
Фотонные системы создают запрещенные зоны , которые улавливают излучение. ^[10]
Крайне важно определить материалы, которые переизлучают больше входного света, как полезные люминесцентные материалы с незначительным самопоглощением. Достижение этого идеала зависит от настройки соответствующих уровней энергии электронного возбуждения так, чтобы они отличались от уровней излучения в люминесцентной среде. ^[11]
В качестве альтернативы люминесцентные материалы могут быть выполнены в виде тонких пленок, которые излучают свет в прозрачные пассивные среды, которые могут эффективно проводить свет в направлении выхода.
Чувствительность солнечных элементов должна соответствовать максимальному спектру излучения люминесцентных красителей.
Увеличение вероятности перехода из основного состояния в возбужденное состояние поверхностных плазмонов повышает эффективность.

Люминесцентные солнечные концентраторы можно использовать для интеграции устройств сбора солнечной энергии в фасады зданий в городах. ^[12]

Авансы

Прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы

В 2013 году исследователи из Мичиганского государственного университета продемонстрировали первые заметно прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы. ^[13] Эти устройства состояли из смесей фосфоресцирующих нанокластеров галогенидов металлов (или квантовых точек ), которые демонстрируют массивный стоксов сдвиг (или понижающую конверсию) и избирательно поглощают ультрафиолет и излучают ближний инфракрасный свет, что позволяет избирательно собирать урожай, повышать эффективность реабсорбции и не окрашивать прозрачность. в видимом спектре.В следующем году эти исследователи продемонстрировали сбор видимых прозрачных люминесцентных солнечных концентраторов в ближнем инфракрасном диапазоне с использованием люминесцентных производных органических солей. ^[14] Эти устройства обладают четкой видимой прозрачностью, аналогичной прозрачности стекла, и эффективностью преобразования энергии, близкой к 0,5%. В этой конфигурации возможна эффективность более 10% из-за большой доли потока фотонов в ближнем инфракрасном спектре. ^[14]

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 между полосами излучения и поглощения (так называемым большим стоксовым сдвигом ) были анонсированы в 2007 году и 2014 г. соответственно ^[15]^[16]^[17]

В поглощении света преобладает сверхтолстая внешняя оболочка CdS, тогда как излучение происходит из внутреннего ядра CdSe с более узкой щелью. Разделение функций светопоглощения и светоизлучения между двумя частями наноструктуры приводит к большому спектральному сдвигу излучения относительно поглощения, что значительно снижает потери на повторное поглощение. КТ были включены в большие плиты (размером в десятки сантиметров) из полиметилметакрилата (ПММА). Активные частицы имели диаметр около ста ангстрем. ^[16]

Спектроскопические измерения показали практически отсутствие потерь на репоглощение на расстояниях в десятки сантиметров. Эффективность сбора фотонов составила примерно 10%. Несмотря на высокую прозрачность, изготовленные конструкции продемонстрировали значительное усиление солнечного потока с коэффициентом концентрации более четырех. ^[16]

См. также

Ссылки

^ Ричардс, Брайс С.; Ховард, Ян А. (2023). «Люминесцентные солнечные концентраторы для построения интегрированной фотоэлектрической системы: возможности и проблемы» . Энергетика и экология . 16 (8): 3214–3239. дои : 10.1039/D3EE00331K . ISSN 1754-5692 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Райсфельд, Рената ; Нойман, Сэмюэл (13 июля 1978 г.). «Планарный преобразователь и концентратор солнечной энергии на основе уранилового стекла». Природа . 274 (5667): 144–145. Бибкод : 1978Natur.274..144R . дои : 10.1038/274144a0 . S2CID 4188054 .
^ Рейсфельд, Рената; Калиски, Иегошуа (1980). «Усовершенствованный планарный солнечный преобразователь на основе уранил-неодимового и гольмиевого стекла». Природа . 283 (5744): 281–282. Бибкод : 1980Natur.283..281R . дои : 10.1038/283281a0 . S2CID 4311504 .
^ Райсфельд, Рената (июль 2010 г.). «Новые разработки в области люминесценции для использования солнечной энергии». Оптические материалы . 32 (9): 850–856. Бибкод : 2010ОптМа..32..850Р . дои : 10.1016/j.optmat.2010.04.034 .
^ Гетцбергер, А.; Грубе, В. (1977). «Преобразование солнечной энергии с помощью флуоресцентных коллекторов». Прикладная физика . 14 (2): 123. Бибкод : 1977ApPhy..14..123G . дои : 10.1007/BF00883080 . S2CID 137388026 .
^ Райсфельд, Рената ; Шамраков Дмитрий; Йоргенсен, Кристиан (август 1994 г.). «Фотостабильные солнечные концентраторы на основе флуоресцентных стеклянных пленок». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 33 (4): 417–427. дои : 10.1016/0927-0248(94)90002-7 .
^ Райсфельд, Рената ; Йоргенсен, Кристиан К. (1982). Люминесцентные солнечные концентраторы для преобразования энергии . Том. 49. стр. 1–36. дои : 10.1007/BFb0111291 . ISBN 978-3-540-11084-2 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )
^ Райсфельд, Рената ; Йоргенсен, Кристиан Х. (1977). «Лазеры и возбужденные состояния редких земель». Концепции неорганической химии . 82 (8): 844. doi : 10.1002/bbpc.19780820820 . ISSN 0172-7966 .
^ Гафт, Майкл ; Рейсфельд, Рената; Панцер, Жерар (20 апреля 2005 г.). Современная люминесцентная спектроскопия минералов и материалов . Спрингер. п. 3. ISBN 978-3-540-21918-7 .
^ «М. Петерс, Дж. К. Гольдшмидт, П. Лепер, Б. Блази и А. Гомберт; Влияние фотонных структур на светопроводящую эффективность флуоресцентных концентраторов; Журнал прикладной физики 105, 014909 (2009)» . Архивировано из оригинала 15 мая 2016 г. Проверено 31 мая 2011 г.
^ Сарайдаров Т.; Левченко В.; Грабовская, А.; Борович, П.; Рейсфельд, Р. (2010). «Несамопоглощающие материалы для люминесцентных солнечных концентраторов (LSC)». Письма по химической физике . 492 (1): 60. Бибкод : 2010CPL...492...60S . дои : 10.1016/j.cplett.2010.03.087 .
^ Мейнарди, Франческо; Бруни, Франческо; Бровелли, Серджио (21 ноября 2017 г.). «Люминесцентные солнечные концентраторы для фотоэлектрических систем, встроенных в здания». Материалы обзоров природы . 2 (12): 17072. Бибкод : 2017NatRM...217072M . дои : 10.1038/natrevmats.2017.72 . S2CID 139626069 .
^ Чжао, Йиму; Лант, Ричард Р. (2013). «Прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы для солнечных окон большой площади на основе массивных нанокластерных люминофоров со стоксовым сдвигом». Передовые энергетические материалы . 3 (9): 1143–1148. дои : 10.1002/aenm.201300173 . S2CID 98517757 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Чжао, Йиму; Мик, Гаррет А.; Левин, Бенджамин Г.; Лант, Ричард Р. (2014). «Прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы ближнего инфракрасного диапазона». Передовые оптические материалы . 2 (7): 606–611. дои : 10.1002/adom.201400103 . S2CID 96019390 .
^ Галлахер, Сара; Роуэн, Бренда; Доран, Джон; Нортон, Брайан (2007). «Квантовый солнечный концентратор: оптимизация устройства с использованием спектроскопических методов». Солнечная энергия . 81 (4): 540–547. Бибкод : 2007SoEn...81..540G . doi : 10.1016/j.solener.2006.07.006 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Нэнси Амброзиано (14 апреля 2014 г.). «Блестящие квантовые точки проясняют будущее солнечных батарей» . НИОКР . Проверено 16 июня 2014 г.
^ 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, созданных по методу Стокса, в масс-полимеризованной матрице ПММА». Природная фотоника . 8 (5): 392–399. Бибкод : 2014NaPho...8..392M . дои : 10.1038/nphoton.2014.54 . S2CID 122956733 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

Джулия Лейтон (5 ноября 2008 г.). «Могут ли люминесцентные солнечные концентраторы сделать солнечную энергию более доступной?» . Веб-сайт «Как все работает» . Проверено 13 июня 2011 г.
Рената Рейсфельд (июль 2010 г.). «Люминесцентные солнечные концентраторы, снабжающие электроэнергией будущие здания» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 30 августа 2011 года . Проверено 13 июня 2011 г.
Рената Рейсфельд. «Люминесцентные солнечные концентраторы, полученные золь-гель-процессом» . Веб-сайт Sol-Gel Gateway . Проверено 14 июня 2011 г.
Марк Бальдо (19 мая 2009 г.). «Объяснение люминесцентных солнечных концентраторов» . видео лекции . Массачусетский технологический институт . Архивировано из оригинала 24 октября 2011 года . Проверено 14 июня 2011 г.

Другие авторы:

[Richards_2023-1] Ричардс, Брайс С.; Ховард, Ян А. (2023). «Люминесцентные солнечные концентраторы для построения интегрированной фотоэлектрической системы: возможности и проблемы» . Энергетика и экология . 16 (8): 3214–3239. дои : 10.1039/D3EE00331K . ISSN 1754-5692 .

[RRSN-2] Перейти обратно: ^а ^б Райсфельд, Рената ; Нойман, Сэмюэл (13 июля 1978 г.). «Планарный преобразователь и концентратор солнечной энергии на основе уранилового стекла». Природа . 274 (5667): 144–145. Бибкод : 1978Natur.274..144R . дои : 10.1038/274144a0 . S2CID 4188054 .

[3] Рейсфельд, Рената; Калиски, Иегошуа (1980). «Усовершенствованный планарный солнечный преобразователь на основе уранил-неодимового и гольмиевого стекла». Природа . 283 (5744): 281–282. Бибкод : 1980Natur.283..281R . дои : 10.1038/283281a0 . S2CID 4311504 .

[4] Райсфельд, Рената (июль 2010 г.). «Новые разработки в области люминесценции для использования солнечной энергии». Оптические материалы . 32 (9): 850–856. Бибкод : 2010ОптМа..32..850Р . дои : 10.1016/j.optmat.2010.04.034 .

[5] Гетцбергер, А.; Грубе, В. (1977). «Преобразование солнечной энергии с помощью флуоресцентных коллекторов». Прикладная физика . 14 (2): 123. Бибкод : 1977ApPhy..14..123G . дои : 10.1007/BF00883080 . S2CID 137388026 .

[6] Райсфельд, Рената ; Шамраков Дмитрий; Йоргенсен, Кристиан (август 1994 г.). «Фотостабильные солнечные концентраторы на основе флуоресцентных стеклянных пленок». Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 33 (4): 417–427. дои : 10.1016/0927-0248(94)90002-7 .

[7] Райсфельд, Рената ; Йоргенсен, Кристиан К. (1982). Люминесцентные солнечные концентраторы для преобразования энергии . Том. 49. стр. 1–36. дои : 10.1007/BFb0111291 . ISBN 978-3-540-11084-2 . {{cite book}}: |journal= игнорируется ( помогите )

[8] Райсфельд, Рената ; Йоргенсен, Кристиан Х. (1977). «Лазеры и возбужденные состояния редких земель». Концепции неорганической химии . 82 (8): 844. doi : 10.1002/bbpc.19780820820 . ISSN 0172-7966 .

[9] Гафт, Майкл ; Рейсфельд, Рената; Панцер, Жерар (20 апреля 2005 г.). Современная люминесцентная спектроскопия минералов и материалов . Спрингер. п. 3. ISBN 978-3-540-21918-7 .

[10] «М. Петерс, Дж. К. Гольдшмидт, П. Лепер, Б. Блази и А. Гомберт; Влияние фотонных структур на светопроводящую эффективность флуоресцентных концентраторов; Журнал прикладной физики 105, 014909 (2009)» . Архивировано из оригинала 15 мая 2016 г. Проверено 31 мая 2011 г.

[11] Сарайдаров Т.; Левченко В.; Грабовская, А.; Борович, П.; Рейсфельд, Р. (2010). «Несамопоглощающие материалы для люминесцентных солнечных концентраторов (LSC)». Письма по химической физике . 492 (1): 60. Бибкод : 2010CPL...492...60S . дои : 10.1016/j.cplett.2010.03.087 .

[12] Мейнарди, Франческо; Бруни, Франческо; Бровелли, Серджио (21 ноября 2017 г.). «Люминесцентные солнечные концентраторы для фотоэлектрических систем, встроенных в здания». Материалы обзоров природы . 2 (12): 17072. Бибкод : 2017NatRM...217072M . дои : 10.1038/natrevmats.2017.72 . S2CID 139626069 .

[ZhaoLunt2013-13] Чжао, Йиму; Лант, Ричард Р. (2013). «Прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы для солнечных окон большой площади на основе массивных нанокластерных люминофоров со стоксовым сдвигом». Передовые энергетические материалы . 3 (9): 1143–1148. дои : 10.1002/aenm.201300173 . S2CID 98517757 .

[ZhaoLunt2014-14] Перейти обратно: ^а ^б Чжао, Йиму; Мик, Гаррет А.; Левин, Бенджамин Г.; Лант, Ричард Р. (2014). «Прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы ближнего инфракрасного диапазона». Передовые оптические материалы . 2 (7): 606–611. дои : 10.1002/adom.201400103 . S2CID 96019390 .

[GallagherRowan2007-15] Галлахер, Сара; Роуэн, Бренда; Доран, Джон; Нортон, Брайан (2007). «Квантовый солнечный концентратор: оптимизация устройства с использованием спектроскопических методов». Солнечная энергия . 81 (4): 540–547. Бибкод : 2007SoEn...81..540G . doi : 10.1016/j.solener.2006.07.006 .

[rd1405-16] Перейти обратно: ^а ^б ^с Нэнси Амброзиано (14 апреля 2014 г.). «Блестящие квантовые точки проясняют будущее солнечных батарей» . НИОКР . Проверено 16 июня 2014 г.

[MeinardiColombo2014-17] 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, созданных по методу Стокса, в масс-полимеризованной матрице ПММА». Природная фотоника . 8 (5): 392–399. Бибкод : 2014NaPho...8..392M . дои : 10.1038/nphoton.2014.54 . S2CID 122956733 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]