Lüminesan güneş yoğunlaştırıcı - Luminescent solar concentrator

Bir ışıldayan güneş yoğunlaştırıcı

Bir lüminesan güneş yoğunlaştırıcı ( LSC ) konsantre edilmesi için bir aygıt olup radyasyon , güneş radyasyonu üretmek elektrik, özellikle. Lüminesan güneş yoğunlaştırıcıları, geniş bir alan üzerinde radyasyon toplama, onu lüminesans yoluyla (özellikle flüoresan ile ) dönüştürme ve üretilen radyasyonu nispeten küçük bir çıktı hedefine yönlendirme prensibiyle çalışır .

LSC şema diyagramı

Tasarım (değiştir | kaynağı değiştir)

İlk tasarımlar tipik olarak, (daha geniş) yüzlerinde gelen radyasyonu toplamak ve (daha dar) kenarlarının etrafında konsantre radyasyon yaymak için yerleştirilmiş, değişen parlak ve saydam malzemelerden oluşan paralel ince, düz katmanlardan oluşuyordu. Genellikle cihaz, elektrik enerjisi üretmek için konsantre radyasyonu güneş pillerine yönlendirir.

Diğer konfigürasyonlar ( katkılı veya kaplanmış optik fiberler veya alternatif katmanların konturlu yığınları gibi) belirli uygulamalara daha iyi uyabilir.

Yapısı ve çalışma prensipleri

Yığındaki katmanlar ayrı paralel plakalar veya katı bir yapıda değişen katmanlar olabilir. Prensipte, efektif girdi alanı, efektif çıktı alanına göre yeterince büyükse, çıktı , metrekare başına watt olarak ölçüldüğünde, girdiye göre karşılık olarak daha yüksek bir ışınıma sahip olacaktır . Konsantrasyon faktörü, tüm cihazın çıktı ve giriş parlaklığı arasındaki orandır.

Örneğin, bir tarafta 200 mm ve 5 mm kalınlığında kare bir cam levha (veya yığın) hayal edin. Giriş alanı (örneğin, enerji kaynağına doğru yönlendirilmiş yaprağın tek bir yüzünün yüzeyi), çıktı alanından 10 kat daha büyüktür (örneğin, dört açık kenarın yüzeyi) - 4000 mm kareye kıyasla 40000 mm kare (200x200) (200x5x4). İlk yaklaşıma göre, böyle bir LSC'nin konsantrasyon faktörü, giriş yüzeylerinin alanıyla bölünen kenarların alanıyla, gelen ışığın çıkış alanına doğru yönlendirme verimliliği ile çarpılarak orantılıdır. Cam tabakanın, gelen ışığı yüzde 50'lik bir verimlilikle yüzde kenarlara doğru yönlendirebileceğini varsayalım. Örneğimizdeki varsayımsal cam levha, gelen ışığınkinden 5 kat daha fazla ışık çıkış parlaklığı verecek ve 5'lik bir konsantrasyon faktörü üretecektir.

Benzer şekilde, enine kesitte 1 mm kare ve 1 metre uzunluğunda, ışıldayan bir kaplamaya sahip derecelendirilmiş bir kırılma indisi optik fiber yararlı olabilir.

Konsantrasyon faktörüne karşı verimlilik

Konsantrasyon faktörü, genel çıktıyı belirlemek için cihazın verimliliği ile etkileşime girer.

  • Konsantrasyon faktörü, gelen ve yayılan ışık şiddeti arasındaki orandır. Giriş ışık şiddeti 1 kW / m2 ve çıktı ışınımı 10 kW / m2 ise, bu 10'luk bir konsantrasyon faktörü sağlayacaktır.
  • Verimlilik, gelen radyant akı (watt cinsinden ölçülür) ile giden watt arasındaki orandır veya gelen enerjinin, cihazın kullanılabilir çıkış enerjisi olarak sağlayabileceği (ışık veya elektrik ile aynı değildir, bazıları olmayabilir). kullanılabilir olmak). Önceki örnekte, alınan watt değerinin yarısı yeniden yayılıyor, bu da% 50 verimlilik anlamına geliyor.

Gelen enerjiyi yararlı çıktıya dönüştürmek için kullanılan çoğu cihaz (güneş pilleri gibi) nispeten küçük ve maliyetlidir ve yüksek yoğunluklarda ve dar bir frekans aralığında yönlü ışığı dönüştürmek için en iyi şekilde çalışırlar, oysa giriş radyasyonu yaygın frekanslarda olma eğilimindedir. nispeten düşük parlaklık ve doygunluk . Buna göre, girdi enerjisinin yoğunlaştırılması, verimlilik ve ekonomi için bir seçenektir.

Işıldama

Yukarıdaki açıklama, sadece lüminesan güneş yoğunlaştırıcılardan daha geniş bir yoğunlaştırıcı sınıfını (örneğin basit optik yoğunlaştırıcıları) kapsar. LSC'lerin temel özelliği, gelen ışığı geniş bir frekans aralığı ile emen ve dar bir frekans aralığında ışık formunda enerjiyi yeniden yayan ışıldayan malzemeler içermeleridir. Frekans aralığı ne kadar dar olursa (yani doygunluk ne kadar yüksekse), bir fotovoltaik hücre onu elektriğe dönüştürmek için o kadar basit tasarlanabilir.

Uygun optik tasarımlar, ışıldayan malzeme tarafından her yöne yayılan ışığı yakalar ve onu, fotovoltaik dönüştürücülerden çok az kaçacak şekilde yeniden yönlendirir . Yeniden yönlendirme teknikleri, iç yansıtma , kırılma indisi gradyanları ve uygun olduğunda kırınımı içerir . Prensipte bu tür LSC'ler, geleneksel güneş pillerine güç sağlamak için veya geleneksel optik reflektörler veya kırılma cihazları ile konsantrasyon için çok az faydası olan bulutlu gökyüzü ve benzeri dağınık kaynaklardan gelen ışığı kullanabilir.

Işıldayan bileşen , saydam ortamın bir kısmının veya tamamının malzemesinde bir katkı maddesi olabilir veya saydam bileşenlerin bazılarının yüzeyleri üzerinde ışıldayan ince filmler şeklinde olabilir .

Lüminesan güneş yoğunlaştırıcıların teorisi

Çeşitli makaleler, hem katkılı camlar hem de dökme polimerlere dahil edilen organik boyalar için kenarlarda konsantre emisyon sağlamak için flüoresan ışığın dahili yansıması teorisini tartışmıştır. Şeffaf plakalar floresan malzemelerle katkılandığında, etkili tasarım, katkı maddelerinin güneş spektrumunun çoğunu emmesini ve emilen enerjinin çoğunu uzun dalga ışıltısı olarak yeniden yaymasını gerektirir. Buna karşılık, flüoresan bileşenler, yayılan dalga boylarına göre şeffaf olmalıdır. Bu koşulların karşılanması, şeffaf matrisin radyasyonu çıktı alanına iletmesine izin verir. Lüminesansın iç yolunun kontrolü, flüoresan ışığın tekrarlanan dahili yansımasına ve dereceli kırılma indisine sahip bir ortamda kırılmaya dayanabilir.

Teorik olarak, ışıldamanın yaklaşık% 75-80'i, tipik bir pencere camınınkine kabaca eşit bir kırılma indisine sahip bir plakadaki toplam iç yansıma tarafından tutulabilir. Daha yüksek kırılma indislerine sahip malzemeler kullanılarak biraz daha iyi verimlilik elde edilebilir. Yüksek konsantrasyon faktörüne sahip bir cihaz kullanan böyle bir düzenleme, belirli bir miktarda elektrik üretmek için fotovoltaik hücrelere yapılan yatırımda etkileyici ekonomiler sunmalıdır. İdeal koşullar altında, fotovoltaik hücreden çıkan enerji miktarının plaka üzerine düşen enerjiye bölünmesi anlamında, böyle bir sistemin hesaplanan genel verimliliği yaklaşık% 20 olmalıdır.

Bu şunları dikkate alır:

  • ışığın şeffaf ortamda zayıf şeffaf malzemeler tarafından emilmesi,
  • lüminesan bileşenlerin ışık dönüşümünün etkinliği,
  • ışıltının kritik açının ötesinde kaçışı ve
  • brüt verimlilik (yayılan ortalama enerjinin emilen ortalama enerjiye oranıdır).

Pratik beklentiler ve zorluklar

Çeşitli fonksiyonel bileşenlerin ve konfigürasyonların göreceli avantajları, özellikle:

  • Organik boyalar, nadir toprak bileşikleri ve diğer inorganik ışıldayan ajanlardan daha geniş frekans aralıkları ve yayılan ve yeniden emilen frekansların seçiminde daha fazla esneklik sunar.
  • Organik polimerlerin katkılanması genellikle organik ışıldayan maddelerle pratiktir, oysa kararlı inorganik ışıldayan maddelerle doping inorganik camlar dışında genellikle pratik değildir.
  • Saydam bir ortamın toplu katkısı olarak yapılandırılan ışıldayan maddeler, berrak bir ortam üzerine bırakılan ince filmlerden farklı avantajlara sahiptir.
  • Çeşitli yakalama ortamları, çeşitli dayanıklılık, şeffaflık, diğer malzemelerle uyumluluk ve kırılma indisi kombinasyonlarını sunar. İnorganik cam ve organik polimer ortam, iki ana ilgi sınıfını oluşturur.
  • Fotonik sistemler , radyasyonu hapseden bant boşlukları oluşturur .
  • İhmal edilebilir kendi kendine soğurma ile yararlı ışıma olarak daha fazla giriş ışığı yayan malzemeleri tanımlamak çok önemlidir. Bu ideale ulaşmak, ilgili elektronik uyarma enerji seviyelerinin, ışıldayan ortamdaki emisyon seviyelerinden farklı olacak şekilde ayarlanmasına bağlıdır.
  • Alternatif olarak, ışıldayan malzemeler, çıktıya doğru verimli bir şekilde iletilebilen şeffaf pasif ortama ışık yayan ince filmler halinde yapılandırılabilir.
  • Güneş hücrelerinin hassasiyeti, ışıldayan renklendiricilerin maksimum emisyon spektrumuna uymalıdır.
  • Yüzey plazmonlarının zemin durumundan uyarılmış durumuna geçiş olasılığını artırmak verimliliği artırır.

Lüminesan güneş yoğunlaştırıcılar, güneş toplama cihazlarını şehirlerdeki bina cephelerine entegre etmek için kullanılabilir.

Gelişmeler

Şeffaf Lüminesan Güneş Konsantratörleri

2013'te Michigan Eyalet Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, ilk gözle görülür şekilde saydam parlak güneş yoğunlaştırıcılarını gösterdiler. Bu cihazlar, muazzam Stokes kayması (veya aşağı dönüşüm) sergileyen ve seçici olarak ultraviyole emen ve kızılötesi ışığı yayan, seçici hasat, iyileştirilmiş yeniden emilim verimliliği ve renksiz şeffaflık sağlayan fosforesan metal halojenür nanokümesi (veya Quantum Dot ) karışımlarından oluşuyordu. görünür spektrumda. Ertesi yıl, bu araştırmacılar, parlak organik tuz türevlerini kullanarak yakın kızılötesi hasadı gözle görülür şekilde saydam parlak güneş yoğunlaştırıcılarını gösterdiler. Bu cihazlar, cama benzer net bir görünür şeffaflık ve% 0,5'e yakın bir güç dönüştürme verimliliği sergiler. Bu konfigürasyonda, yakın kızılötesi spektrumdaki büyük foton akısı fraksiyonu nedeniyle% 10'un üzerinde verimlilik mümkündür.

Kuantum noktaları

Emisyon ve soğurma bantları (büyük Stokes kayması olarak adlandırılır) arasında büyük bir ayrıma neden olan kadmiyum selenid / çinko sülfid (CdSe / ZnS) ve kadmiyum selenid / kadmiyum sülfid (CdSe / CdS) kuantum noktalarına (QD) dayalı LSC'ler 2007 yılında duyurulmuş ve Sırasıyla 2014

Işık emiliminde CdS'nin ultra kalın dış kabuğu hakimdir, emisyon ise daha dar aralıklı bir CdSe'nin iç çekirdeğinden meydana gelir. Nanoyapının iki parçası arasında ışık soğurma ve ışık yayma işlevlerinin ayrılması, soğurmaya göre büyük bir spektral emisyon kayması ile sonuçlanır ve bu da yeniden soğurma kayıplarını büyük ölçüde azaltır. QD'ler büyük polimetilmetakrilat (PMMA) levhalarına (onlarca santimetre boyutunda) dahil edildi . Aktif parçacıklar yaklaşık yüz angstromdu.

Spektroskopik ölçümler, onlarca santimetrelik mesafelerde neredeyse hiç yeniden absorpsiyon kaybı olmadığını göstermiştir. Foton toplama verimleri yaklaşık% 10'du. Yüksek şeffaflıklarına rağmen, fabrikasyon yapılar, dörtten fazla konsantrasyon faktörü ile güneş akısının önemli ölçüde arttığını gösterdi.

Ayrıca bakınız

Referanslar

daha fazla okuma

Dış bağlantılar

Diğer yazarlar: