Люминесцентный солнечный концентратор

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

Дизайн

Первоначальные конструкции обычно состояли из параллельных тонких плоских слоев чередующихся люминесцентных и прозрачных материалов, размещенных так, чтобы собирать входящее излучение на своих (более широких) поверхностях и испускать концентрированное излучение вокруг своих (более узких) краев. ^[2]^[3] Обычно устройство направляло концентрированное излучение на солнечные элементы для выработки электроэнергии.

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

Структура и принципы работы

Слои в стопке могут быть отдельными параллельными пластинами или чередующимися слоями в сплошной структуре. В принципе, если эффективная входная площадь достаточно велика относительно эффективной выходной площади, выход будет иметь соответственно более высокую облученность , чем вход, измеряемую в ваттах на квадратный метр. Коэффициент концентрации - это отношение выходной и входной облученности 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, поверхность четырех открытых сторон) - 40000 квадратных мм (200x200) по сравнению с 4000 квадратных мм (200x5x4). В первом приближении коэффициент концентрации такого ЛСК пропорционален площади входных поверхностей, деленной на площадь граней, умноженную на эффективность отклонения входящего света в сторону выходной площади. Предположим, что стеклянный лист может отклонять входящий свет от грани к краям с эффективностью 50%. Гипотетический стеклянный лист в нашем примере давал бы выходную освещенность света в 5 раз больше, чем у падающего света, создавая коэффициент концентрации 5.

Аналогичным образом может оказаться полезным оптоволокно с градиентным показателем преломления, сечением 1 кв. мм и длиной 1 м с люминесцентным покрытием.

Коэффициент концентрации против эффективности

Коэффициент концентрации взаимодействует с эффективностью устройства, определяя общую производительность.

Коэффициент концентрации — это отношение входящей и излучаемой освещенности. Если входящая освещенность составляет 1 кВт/м2, а выходная освещенность — 10 кВт/м2, то это даст коэффициент концентрации 10.
Эффективность — это отношение входящего потока излучения (измеряемого в ваттах) к исходящей мощности, или доля входящей энергии, которую устройство может выдать в качестве полезной выходной энергии (не то же самое, что свет или электричество, часть которых может быть непригодна для использования). В предыдущем примере половина полученной мощности переизлучается, что означает эффективность 50%.

Большинство устройств (например, солнечные элементы) для преобразования входящей энергии в полезную выходную являются относительно небольшими и дорогими, и они лучше всего работают при преобразовании направленного света с высокой интенсивностью и узким диапазоном частот, тогда как входное излучение имеет тенденцию быть на диффузных частотах, с относительно низкой облученностью и насыщением . Концентрация входящей энергии соответственно является одним из вариантов эффективности и экономии.

Люминесценция

Вышеприведенное 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 входящий свет с широким диапазоном частот и переизлучают энергию в виде света в узком диапазоне частот. Чем уже диапазон частот (т.е. чем выше насыщение), тем проще может быть спроектирован фотоэлектрический элемент для преобразования его в электричество.

Подходящие оптические конструкции улавливают свет, излучаемый люминесцентным материалом во всех направлениях, перенаправляя его так, что мало что выходит из фотоэлектрических преобразователей . Методы перенаправления включают внутреннее отражение , градиенты показателя преломления и, где это применимо, дифракцию . В принципе, такие LSC могут использовать свет от облачного неба и подобных диффузных источников, которые малопригодны для питания обычных солнечных элементов или для концентрации обычными оптическими отражателями или преломляющими устройствами.

Люминесцентный компонент может быть легирующей примесью в материале некоторых или всех прозрачных сред, или он может быть в форме люминесцентных тонких пленок на поверхностях некоторых прозрачных компонентов. ^[4]

Теория люминесцентных солнечных концентраторов

В различных статьях обсуждалась теория внутреннего отражения флуоресцентного света, чтобы обеспечить концентрированное излучение на краях, как для легированных стекол ^[2], так и для органических красителей, включенных в объемные полимеры. ^[5] Когда прозрачные пластины легируются флуоресцентными материалами, эффективная конструкция требует, чтобы легирующие вещества поглощали большую часть солнечного спектра, повторно излучая 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 выходную область. Управление внутренним путем люминесценции может основываться на повторном внутреннем отражении флуоресцентного света и преломлении в среде с градуированным показателем преломления.

Теоретически около 75-80 % люминесценции может быть уловлено полным внутренним отражением в пластине с показателем преломления, примерно равным показателю типичного оконного стекла. Несколько большей эффективности можно достичь, используя материалы с более высокими показателями преломления. ^[6] Такое расположение, использующее устройство с высоким коэффициентом концентрации, должно обеспечить впечатляющую экономию инвестиций в фотоэлектрические элементы для производства заданного количества электроэнергии. В идеальных условиях расчетная общая эффективность такой системы в смысле количества энергии, покидающей фотоэлектрический элемент, деленного на энергию, падающую на пластину, должна составлять около 20%. ^[7]

При этом учитываются:

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

Практические перспективы и проблемы

Относительные достоинства различных функциональных компонентов и конфигураций вызывают особую озабоченность, 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 осуществляется с помощью органических люминесцентных агентов, тогда как легирование стабильными неорганическими люминесцентными агентами обычно нецелесообразно, за исключением неорганических стекол.
Люминесцентные агенты, выполненные в виде объемного легирования прозрачной среды, обладают преимуществами, которые отличаются от преимуществ тонких пленок, нанесенных на прозрачную среду.
Различные улавливающие среды представляют различные комбинации прочности, прозрачности, совместимости с другими материалами и показателя преломления. Неорганическое стекло и органические полимерные среды составляют два основных класса интереса.
Фотонные системы создают запрещенные зоны , которые задерживают излучение. ^[10]
Определение материалов, которые повторно излучают больше входного света как полезное свечение 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. ^[11]
В качестве альтернативы люминесцентные материалы могут быть сконфигурированы в тонкие пленки, которые излучают свет в прозрачную пассивную среду, которая может эффективно проводить его 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 можно использовать для интеграции устройств сбора солнечной энергии в фасады зданий в городах. ^[12]

Достижения

Прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы

В 2013 году исследователи из Мичиганского государственного университета продемонстрировали первые визуально прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы. ^[13] Эти устройства состояли из фосфоресцирующих смесей нанокластеров галогенидов металлов (или квантовых точек ), которые демонстрируют массивный сдвиг Стокса (или понижающее преобразование) и которые селективно поглощают ультрафиолет и излучают ближний инфракрасный свет, что позволяет осуществлять селективный сбор, улучшенную эффективность реабсорбции и нетонированную прозрачность в видимом спектре. В следующем году эти исследователи продемонстрировали ближний инфракрасный сбор визуально прозрачных люминесцентных солнечных концентраторов, используя люминесцентные производные органических солей. ^[14] Эти устройства демонстрируют четкую видимую прозрачность, похожую на прозрачность стекла, и эффективность преобразования энергии, близкую 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 (называемым большим сдвигом Стокса ) были анонсированы в 2007 и 2014 годах соответственно ^[15]^[16]^[17]

Поглощение света доминирует над сверхтолстой внешней оболочкой CdS, в то время как излучение происходит из внутреннего ядра более узкозонного CdSe. Разделение функций поглощения и излучения света между двумя частями наноструктуры приводит к большому спектральному сдвигу излучения относительно поглощения, что значительно снижает потери на повторное поглощение. КТ были включены в большие пластины (размером в десятки сантиметров) поли (метилметакрилата) (ПММА). Активные частицы имели около ста ангстрем в поперечнике. ^[16]

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

Смотрите также

Ссылки

^ Ричардс, Брайс С.; Ховард, Ян А. (2023). «Люминесцентные солнечные концентраторы для создания интегрированных фотоэлектрических систем: возможности и проблемы». Энергетика и наука об окружающей среде . 16 (8): 3214–3239 . doi : 10.1039/D3EE00331K . ISSN 1754-5692.
^ ab Reisfeld, Renata ; Neuman, Samuel (13 июля 1978 г.). «Планарный преобразователь и концентратор солнечной энергии на основе стекла, легированного уранилом». Nature . 274 (5667): 144– 145. Bibcode :1978Natur.274..144R. doi :10.1038/274144a0. S2CID 4188054.
^ Рейсфельд, Рената; Калиски, Иегошуа (1980). «Улучшенный планарный солнечный преобразователь на основе уранил-неодимовых и гольмиевых стекол». Nature . 283 (5744): 281– 282. Bibcode :1980Natur.283..281R. doi :10.1038/283281a0. S2CID 4311504.
^ Рейсфельд, Рената (июль 2010 г.). «Новые разработки в области 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 помощью флуоресцентных коллекторов". Applied Physics . 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 флуоресцентных стеклянных пленок». Материалы солнечной энергетики и солнечные элементы . 33 (4): 417– 427. doi :10.1016/0927-0248(94)90002-7.
^ Райсфельд, Рената ; Йоргенсен, Кристиан К. (1982). Люминесцентные солнечные концентраторы для преобразования энергии . Том. 49. С. 1–36 . doi : 10.1007/BFb0111291. ISBN 978-3-540-11084-2. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
^ Рейсфельд, Рената ; Йоргенсен, Кристиан Х. (1977). «Лазеры и возбужденные состояния редкоземельных элементов». Inorganic Chemistry Concepts . 82 (8): 844. doi :10.1002/bbpc.19780820820. ISSN 0172-7966.
^ Гафт, Михаэль ; Рейсфельд, Рената; Панцер, Жерар (20 апреля 2005 г.). Современная люминесцентная спектроскопия минералов и материалов. Springer. стр. 3. ISBN 978-3-540-21918-7.
^ "M. Peters, JC Goldschmidt, P. Löper, B. Bläsi и A. Gombert; Влияние фотонных структур на эффективность световода флуоресцентных концентраторов; Журнал прикладной физики 105, 014909 (2009)". Архивировано из оригинала 2016-05-15 . Получено 2011-05-31 .
^ Сарайдаров, Т.; Левченко, В.; Грабовска, А.; Борович, П.; Рейсфельд, Р. (2010). «Несамопоглощающие материалы для люминесцентных солнечных концентраторов (LSC)». Chemical Physics Letters . 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 встроенных в здания фотоэлектрических систем». Nature Reviews Materials . 2 (12): 17072. Bibcode : 2017NatRM...217072M. doi : 10.1038/natrevmats.2017.72. S2CID 139626069.
^ Чжао, Иму; Лант, Ричард Р. (2013). «Прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы для больших солнечных окон, созданные с помощью массивных нанокластерных люминофоров со сдвигом Стокса». Advanced Energy Materials . 3 (9): 1143– 1148. doi :10.1002/aenm.201300173. S2CID 98517757.
^ ab Zhao, Yimu; Meek, Garrett A.; Levine, Benjamin G.; Lunt, Richard R. (2014). «Прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы для сбора энергии в ближнем инфракрасном диапазоне». Advanced Optical Materials . 2 (7): 606– 611. doi :10.1002/adom.201400103. S2CID 96019390.
^ Галлахер, Сара; Роуэн, Бренда; Доран, Джон; Нортон, Брайан (2007). «Квантовый точечный солнечный концентратор: оптимизация устройства с использованием спектроскопических методов». Солнечная энергия . 81 (4): 540–547 . Bibcode : 2007SoEn...81..540G. doi : 10.1016/j.solener.2006.07.006.
^ abc Нэнси Амброзиано (2014-04-14). "Блестящие квантовые точки освещают будущее солнечных элементов". R&D . Получено 2014-06-16 .
^ Meinardi, Francesco; Colombo, Annalisa; Velizhanin, Kirill A.; Simonutti, Roberto; Lorenzon, Monica; Beverina, Luca; Viswanatha, Ranjani; Klimov, Victor I.; Brovelli, Sergio (2014). "Большие люминесцентные солнечные концентраторы на основе нанокристаллов, созданных с помощью сдвига Стокса, в матрице ПММА, полимеризованной в массе". Nature Photonics . 8 (5): 392– 399. Bibcode :2014NaPho...8..392M. doi :10.1038/nphoton.2014.54. S2CID 122956733.

Дальнейшее чтение

Сильные излучающие золь–гель материалы на основе взаимодействия люминесцентных красителей и комплексов лантаноидов с наночастицами серебра
Теоретический и экспериментальный анализ фотонных структур для флуоресцентных концентраторов с повышенной эффективностью
Оптимизированная передача энергии возбуждения в трехцветном люминесцентном солнечном концентраторе
Высокоэффективные органические солнечные концентраторы для фотоэлектричества
Пределы эффективности фотоэлектрических люминесцентных коллекторов
Люминесцентный солнечный концентратор с эффективностью преобразования энергии 7,1%
Максимизация светового потока люминесцентного солнечного концентратора
Характеристика и снижение потерь реабсорбции в люминесцентных солнечных концентраторах
Вилфрид Г. Ван Сарк и др. (22 декабря 2008 г.). «Люминесцентные солнечные концентраторы – обзор последних результатов». Optics Express . 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 с помощью молекул красителя, выровненных в плоскости жидкими кристаллами
Влияние фотонных структур на эффективность световода флуоресцентных концентраторов
Повышение эффективности систем флуоресцентных концентраторов
Сильно модифицированный [2,2′-бипиридил]-3,3′-диол (BP(OH)2): система, подвергающаяся внутримолекулярному переносу протонов в возбужденном состоянии, в качестве фотостабилизатора полимеров и коллектора солнечной энергии
Плазмон-управляемая флуоресценция: новая парадигма в флуоресцентной спектроскопии
Инновационные материалы на основе золь-гель технологии
Органические-неорганические золь-гель композиты, включающие полупроводниковые нанокристаллы для оптического усиления

Внешние ссылки

Джулия Лейтон (2008-11-05). "Могут ли люминесцентные солнечные концентраторы сделать солнечную энергию более доступной?". Веб-сайт How Stuff Works . Получено 13 июня 2011 г.
Рената Рейсфельд (июль 2010 г.). "Люминесцентные солнечные концентраторы, обеспечивающие электроэнергией будущие здания" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 30 августа 2011 г. . Получено 13 июня 2011 г. .
Рената Рейсфельд. "Люминесцентные солнечные концентраторы, полученные с использованием золь-гель процесса". Веб-сайт Sol-Gel Gateway . Получено 14 июня 2011 г.
Марк Балдо (19 мая 2009 г.). "Объяснение люминесцентных солнечных концентраторов". видео лекции . Массачусетский технологический институт . Архивировано из оригинала 24 октября 2011 г. Получено 14 июня 2011 г.

Другие авторы:

[Richards_2023-1] Ричардс, Брайс С.; Ховард, Ян А. (2023). «Люминесцентные солнечные концентраторы для создания интегрированных фотоэлектрических систем: возможности и проблемы». Энергетика и наука об окружающей среде . 16 (8): 3214–3239 . doi : 10.1039/D3EE00331K . ISSN 1754-5692.

[RRSN-2] Reisfeld, Renata ; Neuman, Samuel (13 июля 1978 г.). «Планарный преобразователь и концентратор солнечной энергии на основе стекла, легированного уранилом». Nature . 274 (5667): 144– 145. Bibcode :1978Natur.274..144R. doi :10.1038/274144a0. S2CID 4188054.

[3] Рейсфельд, Рената; Калиски, Иегошуа (1980). «Улучшенный планарный солнечный преобразователь на основе уранил-неодимовых и гольмиевых стекол». Nature . 283 (5744): 281– 282. Bibcode :1980Natur.283..281R. doi :10.1038/283281a0. S2CID 4311504.

[4] Рейсфельд, Рената (июль 2010 г.). «Новые разработки в области люминесценции для использования солнечной энергии». Оптические материалы . 32 (9): 850–856 . Bibcode : 2010OptMa..32..850R. doi : 10.1016/j.optmat.2010.04.034.

[5] Goetzberger, A.; Greube, W. (1977). "Преобразование солнечной энергии с помощью флуоресцентных коллекторов". Applied Physics . 14 (2): 123. Bibcode : 1977ApPhy..14..123G. doi : 10.1007/BF00883080. S2CID 137388026.

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

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

[8] Рейсфельд, Рената ; Йоргенсен, Кристиан Х. (1977). «Лазеры и возбужденные состояния редкоземельных элементов». Inorganic Chemistry Concepts . 82 (8): 844. doi :10.1002/bbpc.19780820820. ISSN 0172-7966.

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

[10] "M. Peters, JC Goldschmidt, P. Löper, B. Bläsi и A. Gombert; Влияние фотонных структур на эффективность световода флуоресцентных концентраторов; Журнал прикладной физики 105, 014909 (2009)". Архивировано из оригинала 2016-05-15 . Получено 2011-05-31 .

[11] Сарайдаров, Т.; Левченко, В.; Грабовска, А.; Борович, П.; Рейсфельд, Р. (2010). «Несамопоглощающие материалы для люминесцентных солнечных концентраторов (LSC)». Chemical Physics Letters . 492 (1): 60. Bibcode : 2010CPL...492...60S. doi : 10.1016/j.cplett.2010.03.087.

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

[ZhaoLunt2013-13] Чжао, Иму; Лант, Ричард Р. (2013). «Прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы для больших солнечных окон, созданные с помощью массивных нанокластерных люминофоров со сдвигом Стокса». Advanced Energy Materials . 3 (9): 1143– 1148. doi :10.1002/aenm.201300173. S2CID 98517757.

[ZhaoLunt2014-14] Zhao, Yimu; Meek, Garrett A.; Levine, Benjamin G.; Lunt, Richard R. (2014). «Прозрачные люминесцентные солнечные концентраторы для сбора энергии в ближнем инфракрасном диапазоне». Advanced Optical Materials . 2 (7): 606– 611. doi :10.1002/adom.201400103. S2CID 96019390.

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

[rd1405-16] Нэнси Амброзиано (2014-04-14). "Блестящие квантовые точки освещают будущее солнечных элементов". R&D . Получено 2014-06-16 .

[MeinardiColombo2014-17] Meinardi, Francesco; Colombo, Annalisa; Velizhanin, Kirill A.; Simonutti, Roberto; Lorenzon, Monica; Beverina, Luca; Viswanatha, Ranjani; Klimov, Victor I.; Brovelli, Sergio (2014). "Большие люминесцентные солнечные концентраторы на основе нанокристаллов, созданных с помощью сдвига Стокса, в матрице ПММА, полимеризованной в массе". Nature Photonics . 8 (5): 392– 399. Bibcode :2014NaPho...8..392M. doi :10.1038/nphoton.2014.54. S2CID 122956733.