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 [ править ]

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. ^[1]^[2] 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 [ править ]

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 мощность будет иметь соответственно более высокую энергетическую освещенность, чем входная, измеренная в ваттах на 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 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 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 градиентным показателем преломления в поперечном сечении 1 квадратный мм и длиной 1 метр с люминесцентным покрытием.

Коэффициент концентрации против эффективности [ править ]

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 входящим лучистым потоком (измеряется в ваттах) и исходящей мощностью, или доля входящей энергии, которую устройство может выдать 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 к диффузным частотам относительно низкая освещенность и насыщенность . Соответственно, концентрация потребляемой энергии является одним из вариантов повышения эффективности и экономии.

Люминесценция [ править ]

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 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. ^[3]

Теория люминесцентных солнечных концентраторов [ править ]

В различных статьях обсуждалась теория внутреннего отражения флуоресцентного света, чтобы обеспечить концентрированное излучение на краях, как для легированных стекол ^{[1], так} 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 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%. ^[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 проблемы [ править ]

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, которые задерживают излучение. ^[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.
Увеличение вероятности перехода из основного состояния в возбужденное состояние поверхностных плазмонов увеличивает эффективность.

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

Авансы [ править ]

Прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы [ править ]

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 квантовых точек ), которые демонстрируют массивный стоксов сдвиг (или понижающее преобразование) и которые выборочно поглощают ультрафиолет и излучают ближний инфракрасный свет, что позволяет избирательно собирать, улучшать эффективность реабсорбции и не допускать -тонированная прозрачность 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. ^[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 [ править ]

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 г. соответственно ^[14]^[15]^[16]

В поглощении света преобладает сверхтолстая внешняя оболочка из CdS, в то время как излучение происходит из внутренней сердцевины более узкозонного CdSe. 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 встроены в большие пластины (размером в десятки сантиметров) из полиметилметакрилата (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]

См. Также [ править ]

Концентрированная фотогальваника
Солнечные батареи
Исследования солнечных батарей
Поверхностные плазмоны
Тонкие пленки

Ссылки [ править ]

^ a b 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 : 1978Natur.274..144R . DOI : 10.1038 / 274144a0 . S2CID 4188054 .
^ Рейсфельд, Рената; Калиски, Иегошуа (1980). «Усовершенствованный планарный преобразователь солнечной энергии на основе уранил-неодима и гольмиевых стекол». Природа . 283 (5744): 281–282. Bibcode : 1980Natur.283..281R . DOI : 10.1038 / 283281a0 . S2CID 4311504 .
^ Reisfeld, Рената (июль 2010). «Новые разработки в люминесценции для использования солнечной энергии». Оптические материалы . 32 (9): 850–856. Bibcode : 2010OptMa..32..850R . DOI : 10.1016 / j.optmat.2010.04.034 .
^ Goetzberger, A .; Greube, W. (1977). «Преобразование солнечной энергии с люминесцентными коллекторами». Прикладная физика . 14 (2): 123. Bibcode : 1977ApPhy..14..123G . DOI : 10.1007 / BF00883080 . S2CID 137388026 .
^ Рейсфельд, Рената ; Шамраков, Дмитрий; Йоргенсен, Кристиан (август 1994 г.). «Фотостабильные солнечные концентраторы на основе люминесцентных стеклянных пленок». Материалы солнечной энергии и солнечные элементы . 33 (4): 417–427. DOI : 10.1016 / 0927-0248 (94) 90002-7 .
^ Рейсфельд, Рената ; Йоргенсен, Кристиан К. (1982). Люминесцентные солнечные концентраторы для преобразования энергии . Структура и связь . 49 . С. 1–36. DOI : 10.1007 / BFb0111291 . ISBN 978-3-540-11084-2.
^ Рейсфельд, 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 ; Райсфельд, Рената; Панцер, Жерар (20 апреля 2005 г.). Современная люминесцентная спектроскопия минералов и материалов . Springer. п. 3. ISBN 978-3-540-21918-7.
^ «М. Петерс, Дж. К. Гольдшмидт, П. Лёпер, Б. Бласи и А. Гомберт; Влияние фотонных структур на световодную эффективность флуоресцентных концентраторов; Журнал прикладной физики 105, 014909 (2009)» . Архивировано из оригинала на 2016-05-15 . Проверено 31 мая 2011 .
^ 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 . DOI : 10.1016 / j.cplett.2010.03.087 .
^ Мейнарди, Франческо; Бруни, Франческо; Бровелли, Серджио (21 ноября 2017 г.). «Люминесцентные солнечные концентраторы для встроенной фотовольтаики». Материалы обзора природы . 2 (12): 17072. Bibcode : 2017NatRM ... 217072M . DOI : 10.1038 / natrevmats.2017.72 .
^ 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. DOI : 10.1002 / aenm.201300173 .
^ 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. DOI : 10.1002 / adom.201400103 .
↑ Галлахер, Сара; Роуэн, Бренда; Доран, Джон; Нортон, Брайан (2007). «Квантовый доцесолнечный концентратор: оптимизация устройства с использованием спектроскопических методов». Солнечная энергия . 81 (4): 540–547. DOI : 10.1016 / j.solener.2006.07.006 .
^ a b c Нэнси Амброзиано (2014-04-14). «Блестящие квантовые точки украшают будущее солнечных батарей» . НИОКР . Проверено 16 июня 2014 .
^ 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 : 2014NaPho ... 8..392M . DOI : 10.1038 / nphoton.2014.54 .

Дальнейшее чтение [ править ]

Сильно излучающие золь-гель материалы на основе взаимодействия люминесцентных красителей и комплексов лантанидов с наночастицами серебра
Теоретический и экспериментальный анализ фотонных структур для флуоресцентных концентраторов с повышенной эффективностью.
Оптимизированная передача энергии возбуждения в солнечном люминесцентном концентраторе с тремя красителями
Высокоэффективные органические солнечные концентраторы для фотоэлектрических систем
Пределы эффективности фотоэлектрических люминесцентных коллекторов
Люминесцентный солнечный концентратор с КПД преобразования энергии 7,1%.
Максимальное увеличение светового потока люминесцентного солнечного концентратора
Определение характеристик и снижение потерь на реабсорбцию в люминесцентных солнечных концентраторах
Вилфрид Г. Ван Сарк; и другие. (22 декабря 2008 г.). «Люминесцентные солнечные концентраторы - обзор последних результатов». Оптика Экспресс . 16 (26): 21773–21792. Bibcode : 2008OExpr..1621773V . DOI : 10,1364 / OE.16.021773 . hdl : 1874/32994 . PMID 19104611 .
Управление излучением света в люминесцентных солнечных концентраторах за счет использования молекул красителя, выровненных по плану жидкими кристаллами
Влияние фотонных структур на световодную эффективность флуоресцентных концентраторов
Повышение эффективности систем флуоресцентных концентраторов
Сильно модифицированный [2,2'-бипиридил] -3,3'-диол (BP (OH) 2): система, претерпевающая внутримолекулярный перенос протонов в возбужденном состоянии, как фотостабилизатор полимеров и как коллектор солнечной энергии
Плазмон-контролируемая флуоресценция: новая парадигма флуоресцентной спектроскопии
Инновационные материалы на основе золь – гель технологии.
Органико-неорганические золь-гелевые композиты, включающие полупроводниковые нанокристаллы, для приложений оптического усиления

Внешние ссылки [ править ]

Джулия Лейтон (2008-11-05). «Могут ли люминесцентные солнечные концентраторы сделать солнечную энергию более доступной?» . Веб-сайт How Stuff Works . Проверено 13 июня 2011 года .
Рената Райсфельд (июль 2010 г.). «Люминесцентные солнечные концентраторы для электроснабжения будущих зданий» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 30 августа 2011 года . Проверено 13 июня 2011 года .
Рената Райсфельд. «Люминесцентные солнечные концентраторы, полученные золь-гель методом» . Веб-сайт Sol-Gel Gateway . Проверено 14 июня 2011 года .
Марк Бальдо (19 мая 2009 г.). «Объяснение люминесцентных солнечных концентраторов» . видео лекции . Массачусетский технологический институт . Архивировано из оригинального 24 -го октября 2011 года . Проверено 14 июня 2011 года .

Другие авторы:

[RRSN-1] 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 : 1978Natur.274..144R . DOI : 10.1038 / 274144a0 . S2CID 4188054 .

[2] Рейсфельд, Рената; Калиски, Иегошуа (1980). «Усовершенствованный планарный преобразователь солнечной энергии на основе уранил-неодима и гольмиевых стекол». Природа . 283 (5744): 281–282. Bibcode : 1980Natur.283..281R . DOI : 10.1038 / 283281a0 . S2CID 4311504 .

[3] Reisfeld, Рената (июль 2010). «Новые разработки в люминесценции для использования солнечной энергии». Оптические материалы . 32 (9): 850–856. Bibcode : 2010OptMa..32..850R . DOI : 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 . DOI : 10.1007 / BF00883080 . S2CID 137388026 .

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

[6] Рейсфельд, Рената ; Йоргенсен, Кристиан К. (1982). Люминесцентные солнечные концентраторы для преобразования энергии . Структура и связь . 49 . С. 1–36. DOI : 10.1007 / BFb0111291 . ISBN 978-3-540-11084-2.

[7] Рейсфельд, 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 .

[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; Журнал прикладной физики 105, 014909 (2009)» . Архивировано из оригинала на 2016-05-15 . Проверено 31 мая 2011 .

[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 . DOI : 10.1016 / j.cplett.2010.03.087 .

[11] Мейнарди, Франческо; Бруни, Франческо; Бровелли, Серджио (21 ноября 2017 г.). «Люминесцентные солнечные концентраторы для встроенной фотовольтаики». Материалы обзора природы . 2 (12): 17072. Bibcode : 2017NatRM ... 217072M . DOI : 10.1038 / natrevmats.2017.72 .

[ZhaoLunt2013-12] 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. DOI : 10.1002 / aenm.201300173 .

[ZhaoLunt2014-13] 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. DOI : 10.1002 / adom.201400103 .

[GallagherRowan2007-14] Галлахер, Сара; Роуэн, Бренда; Доран, Джон; Нортон, Брайан (2007). «Квантовый доцесолнечный концентратор: оптимизация устройства с использованием спектроскопических методов». Солнечная энергия . 81 (4): 540–547. DOI : 10.1016 / j.solener.2006.07.006 .

[rd1405-15] Нэнси Амброзиано (2014-04-14). «Блестящие квантовые точки украшают будущее солнечных батарей» . НИОКР . Проверено 16 июня 2014 .

[MeinardiColombo2014-16] 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 : 2014NaPho ... 8..392M . DOI : 10.1038 / nphoton.2014.54 .

[1]