Selvlysende solkonsentrator - Luminescent solar concentrator

En selvlysende solkonsentrator

En selvlysende solkonsentrator ( LSC ) er en enhet for å konsentrere stråling , spesielt solstråling , for å produsere elektrisitet. Selvlysende solkonsentratorer fungerer på prinsippet om å samle stråling over et stort område, konvertere den ved luminescens (spesielt ved fluorescens ) og lede den genererte strålingen til et relativt lite utgangsmål.

LSC skjema diagram

Design

Opprinnelige design består vanligvis av parallelle tynne, flate lag med vekslende selvlysende og gjennomsiktige materialer, plassert for å samle innkommende stråling på deres (bredere) ansikter og avgir konsentrert stråling rundt deres (smalere) kanter. Vanligvis vil enheten lede den konsentrerte strålingen mot solceller for å generere elektrisk kraft.

Andre konfigurasjoner (for eksempel dopede eller belagte optiske fibre , eller konturerte stabler med vekslende lag) kan bedre passe til spesielle applikasjoner.

Struktur og driftsprinsipper

Lagene i stabelen kan være separate parallelle plater eller alternerende lag i en solid struktur. I prinsippet, hvis det effektive inngangsarealet er tilstrekkelig stort i forhold til det effektive utgangsarealet, vil utgangen ha tilsvarende høyere bestråling enn inngangen, målt i watt per kvadratmeter. Konsentrasjonsfaktoren er forholdet mellom utgang og inngangsstråling av hele enheten.

Tenk deg for eksempel et kvadratisk glassplate (eller stabel) 200 mm på en side, 5 mm tykk. Inngangsarealet (f.eks. Overflaten på den ene siden av arket som er orientert mot energikilden) er 10 ganger større enn utgangsarealet (f.eks. Overflaten på fire åpne sider) - 40000 kvadrat mm (200x200) sammenlignet med 4000 kvadrat mm (200x5x4). Til en første tilnærming er konsentrasjonsfaktoren til en slik LSC proporsjonal med arealet av inngangsflatene delt på arealet av kantene multiplisert med effektiviteten av avledning av innkommende lys mot utgangsområdet. Anta at glassplaten kan avlede innkommende lys fra ansiktet mot kantene med en effektivitet på 50%. Det hypotetiske glassarket i vårt eksempel vil gi en utstråling av lys 5 ganger større enn for det innfallende lyset, og produsere en konsentrasjonsfaktor på 5.

Tilsvarende kan en gradert brytningsindeks optisk fiber 1 kvadrat mm i tverrsnitt, og 1 meter lang, med et selvlysende belegg være nyttig.

Konsentrasjonsfaktor kontra effektivitet

Konsentrasjonsfaktoren samhandler med effektiviteten til enheten for å bestemme total produksjon.

  • Konsentrasjonsfaktoren er forholdet mellom innkommende og utstrålt bestråling. Hvis innstrålingen er 1 kW / m2 og utstrålingen 10 kW / m2, vil det gi en konsentrasjonsfaktor på 10.
  • Effektiviteten er forholdet mellom innkommende strålingsstrøm (målt i watt) og utgående watt, eller brøkdelen av innkommende energi som enheten kan levere som brukbar utgangsenergi (ikke det samme som lys eller elektrisitet, hvorav noen kanskje ikke være brukbar). I det forrige eksemplet slippes halvparten av den mottatte effekten på nytt, noe som betyr effektivitet på 50%.

De fleste enheter (som solceller) for å konvertere den innkommende energien til nyttig effekt er relativt små og kostbare, og de fungerer best for å konvertere retningslys ved høy intensitet og et smalt frekvensområde, mens inngangsstråling har en tendens til å være ved diffuse frekvenser, av relativt lav bestråling og metning . Konsentrasjon av inngangsenergien er et alternativ for effektivitet og økonomi.

Luminescens

Beskrivelsen ovenfor dekker en bredere klasse konsentratorer (for eksempel enkle optiske konsentratorer) enn bare selvlysende solkonsentratorer. Den essensielle egenskapen til LSC er at de inneholder selvlysende materialer som absorberer innkommende lys med et bredt frekvensområde, og sender ut energien i form av lys i et smalt frekvensområde. Jo smalere frekvensområde, (dvs. jo høyere metning) den enklere en fotoelektrisk celle kan være utformet for å omdanne det til elektrisitet.

Egnede optiske design fanger lys som sendes ut av det selvlysende materialet i alle retninger, og omdirigerer det slik at lite slipper unna solcelleomformerne . Omdirigeringsteknikker inkluderer intern refleksjon , brytningsindeksgradienter og der det er passende, diffraksjon . I prinsippet kan slike LSC-er bruke lys fra overskyet himmel og lignende diffuse kilder som er lite til nytte for å drive konvensjonelle solceller eller for konsentrasjon av konvensjonelle optiske reflektorer eller brytningsanordninger.

Den selvlysende komponenten kan være et dopemiddel i materialet til noe eller hele det gjennomsiktige mediet, eller det kan være i form av selvlysende tynne filmer på overflatene til noen av de gjennomsiktige komponentene.

Teori om selvlysende solkonsentratorer

Ulike artikler har diskutert teorien om intern refleksjon av fluorescerende lys for å gi konsentrert utslipp ved kantene, både for dopede briller og for organiske fargestoffer innlemmet i bulkpolymerer. Når gjennomsiktige plater er dopet med fluorescerende materialer, krever effektiv utforming at dopingmidlene skal absorbere det meste av solspekteret, og gjenutsende det meste av den absorberte energien som langbølget luminescens. I sin tur bør de fluorescerende komponentene være gjennomsiktige for de utstrålte bølgelengdene. Ved å oppfylle disse forholdene kan den gjennomsiktige matrisen overføre strålingen til utgangsområdet. Kontroll av luminescensens indre bane kan stole på gjentatt intern refleksjon av det fluorescerende lyset, og refraksjon i et medium med en gradert brytningsindeks.

Teoretisk kan omtrent 75-80% av luminescensen fanges opp av total intern refleksjon i en plate med en brytningsindeks omtrent lik den for typisk vindusglass. Noe bedre effektivitet kan oppnås ved å bruke materialer med høyere brytningsindekser. Et slikt arrangement som bruker en enhet med høy konsentrasjonsfaktor, bør gi imponerende økonomier i investeringen i solceller for å produsere en gitt mengde strøm. Under ideelle forhold bør den beregnede samlede effektiviteten til et slikt system, i betydningen mengden energi som forlater solcellen delt på energien som faller på platen, være ca. 20%.

Dette tar hensyn til:

  • absorpsjon av lys av dårlig gjennomsiktige materialer i det gjennomsiktige mediet,
  • effektiviteten av lyskonvertering av de selvlysende komponentene,
  • flukten fra luminescens utover den kritiske vinkelen og
  • brutto effektivitet (som er forholdet mellom den gjennomsnittlige energien som slippes ut og den gjennomsnittlige absorberte energien).

Praktiske utsikter og utfordringer

De relative fordelene ved forskjellige funksjonelle komponenter og konfigurasjoner er store bekymringer, spesielt:

  • Organiske fargestoffer tilbyr større frekvensområder og mer fleksibilitet i valg av frekvenser som slippes ut og absorberes på nytt enn sjeldne jordforbindelser og andre uorganiske selvlysende stoffer.
  • Doping av organiske polymerer er vanligvis praktisk med organiske selvlysende midler, mens doping med stabile uorganiske selvlysende midler vanligvis ikke er praktisk unntatt i uorganiske glass.
  • Selvlysende midler konfigurert som bulkdoping av et gjennomsiktig medium har fordeler som skiller seg fra de for tynne filmer avsatt på et klart medium.
  • Ulike fangstmedier har forskjellige kombinasjoner av holdbarhet, gjennomsiktighet, kompatibilitet med andre materialer og brytningsindeks. Uorganisk glass og organiske polymermedier utgjør de to hovedklassene av interesse.
  • Fotoniske systemer skaper båndgap som fanger stråling.
  • Det er avgjørende å identifisere materialer som sender ut mer inngangslys som nyttig luminescens med ubetydelig selvabsorpsjon. Oppnåelsen av dette idealet avhenger av å innstille de relevante elektroniske eksitasjonsenerginivåene for å avvike fra utslippsnivåene i det selvlysende mediet.
  • Alternativt kan de selvlysende materialene konfigureres til tynne filmer som avgir lys til gjennomsiktige passive medier som effektivt kan lede mot utgangen.
  • Følsomheten til solceller må samsvare med det maksimale utslippsspekteret til de lysende fargestoffene.
  • Øke sannsynligheten for overgang fra grunntilstanden til den eksiterte tilstand av overflateplasmons øker effektiviteten.

Selvlysende solkonsentratorer kan brukes til å integrere solhøstingsenheter i fasader i byene.

Fremskritt

Transparente selvlysende solkonsentratorer

I 2013 demonstrerte forskere ved Michigan State University de første synlig gjennomsiktige selvlysende solkonsentratorene. Disse enhetene var sammensatt av fosforescerende metallhalogenid-nanokluster (eller Quantum Dot ) -blandinger som viser massivt Stokes-skift (eller nedkonvertering) og som selektivt absorberer ultrafiolett og avgir nær-infrarødt lys, noe som muliggjør selektiv høsting, forbedret reabsorpsjonseffektivitet og ikke-farget gjennomsiktighet. i det synlige spekteret. Året etter demonstrerte disse forskerne nær-infrarød høsting av synlig gjennomsiktige selvlysende solkonsentratorer ved å bruke selvlysende organiske saltderivater. Disse enhetene har en tydelig synlig gjennomsiktighet som ligner på glass og en effektiv effektomdannelse nær 0,5%. I denne konfigurasjonen er effektivitet på over 10% mulig på grunn av den store fraksjonen av fotonstrømning i det nær-infrarøde spekteret.

Kvanteprikker

LSCs basert på kadmiumselenid / sinksulfid (CdSe / ZnS) og kadmiumselenid / kadmium-sulfid (CdSe / CdS) kvanteprikker (QD) med indusert stor separasjon mellom emisjons- og absorpsjonsbånd (kalt en stor Stokes skift ) ble offentliggjort i 2007 og 2014 henholdsvis

Lysabsorpsjon domineres av et ekstremt tykt ytre skall av CdS, mens utslipp oppstår fra den indre kjernen i et smalere gap CdSe. Separasjonen av lysabsorpsjon og lysemisjonsfunksjoner mellom de to delene av nanostrukturen resulterer i et stort spektralt skift av utslipp med hensyn til absorpsjon, noe som i stor grad reduserer gjenabsorpsjonstap. QD-ene ble innlemmet i store plater (størrelse i titalls centimeter) polymetylmetakrylat (PMMA). De aktive partiklene var omtrent hundre ångstrøm på tvers.

Spektroskopiske målinger indikerte praktisk talt ingen gjenabsorpsjonstap på avstander på titalls centimeter. Effekten av høsting av foton var ca. 10%. Til tross for den høye gjennomsiktigheten viste de fabrikerte strukturene betydelig forbedring av solstrømmen med konsentrasjonsfaktoren på mer enn fire.

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker

Andre forfattere: