متمرکزکننده تابش خورشیدی: تفاوت میان نسخه‌ها

محتوای حذف‌شده محتوای افزوده‌شده

درخط

نسخهٔ ‏۴ ژانویهٔ ۲۰۱۸، ساعت ۱۱:۰۰

یک متمرکز کننده ی لومینسنت خورشیدی (LSC) یک دستگاه برای تمرکز بر تابش، مخصوصا تابش خورشید به منظور تولید برق است. متمرکز کننده های فلورسنت نورانی بر اصل جمع آوری تابش در یک منطقه بزرگ عمل می کنند، آن را با تابش لومینسانس (معمولا به طور خاص بوسیله فلورسنت) و هدایت تابش تولید شده به هدف تولید نسبتا کوچک کار می کنند.

طرح

طرح های اولیه به طور معمول شامل لايه های موازی نازک و مسطح مواد متخلخل لومينسنت و شفاف بود که برای جمع آوري تابش های دريافتي در سطحشان (گسترده تر) و انتشار تابش متمرکز در اطراف لبه هایشان (باریکتر) قرار می گرفت. ^[۱]^[۲] معمولا دستگاه پرتو متمرکز بر روی سلول های خورشیدی را برای تولید برق هدایت می کند.

پیکربندی های دیگر (مانند فیبرهای نوری با دوده یا پوشش داده شده، یا پشته های متمادی از لایه های متناوب) ممکن است بهتر به برنامه های خاصی متصل شوند.

ساختار و اصول عملیات

لایه های موجود در پشته ممکن است صفحات موازی جداگانه یا سطوح متناوب در یک ساختار جامد باشد. در اصل، اگر محدوده ورودی موثر نسبت به منطقه خروجی موثر کافی باشد، خروجی به طور معنی داری نسبت به ورودی بالاتر است، همانطور که در وات بر متر مربع اندازه گیری می شود. ضریب غلظت نسبت بین خروجی و جریان ورودی کل دستگاه است.

به عنوان مثال، یک ورق شیشه ای مربع (یا پشته) 200 میلیمتر را در یک طرف با 5 میلی متر ضخامت تصور کنید. منطقه ورودی آن (به عنوان مثال رویه تک سطح یک ورق به سمت منبع انرژی) 10 برابر بزرگتر از ناحیه خروجی (به عنوان مثال رویه چهار طرف باز) 40000 میلیمتر مربع (200 × 200) نسبت به 4000 میلیمتر مربع (200x5x4). برای تقریب اول، عامل غلظت چنین LSC متناسب با سطح سطوح ورودی تقسیم شده توسط منطقه لبه ها است که با بهره وری انحراف نور ورودی نسبت به منطقه خروجی ضرب می شود. فرض کنید که ورق شیشه ای می تواند نور ورودی را از سطح به سمت لبه ها با بهره وری 50٪ هدایت کند. ورق فرضی شیشه ای در نمونه ما یک خروجی نور 5 برابر بزرگتر از نور حادثه را تولید می کند که یک عامل غلظت 5برابر است.

به همین ترتیب، فیبر نوری درجه یک با 1 میلیمترمربع در مقطع عرضی و 1 متر طول با پوشش لومینسنت ممکن است سودمند باشد.

فاکتور غلظت در برابر بهره وری

عامل غلظت با کارایی دستگاه ارتباط برقرار می کند تا خروجی کل را تعیین کند.

ضریب غلظت نسبت بین اشعه ورودی و خروجی است. اگر شعاع ورودی 1 کیلووات بر متر مربع است و تابش خروجی 10 کیلووات بر متر مربع است، این عامل، عامل غلظت 10 برابر است.
کارایی نسبت بین شار شعاعی ورودی (اندازه گیری شده در وات) و توان خروجی و یا کسری از انرژی ورودی است که دستگاه می تواند به عنوان انرژی خروجی قابل استفاده تبدیل کند(مانند نور یا برق، که برخی از آنها ممکن است قابل استفاده باشد) در مثال قبلی، نیمی از میزان دریافتی مجددا منتشر می شود، به این معنی که بازده 50٪ است.

اکثر دستگاه ها (مانند سلول های خورشیدی) برای تبدیل انرژی ورودی به خروجی مفید نسبتا کوچک و پرهزینه هستند و بهترین کار در تبدیل نور جهت در شدت های بالا و یک فرکانس باریک است، در حالی که تابش ورودی در فرکانسهای منتشر، نسبتا کم تابش و اشباع است. بر این اساس، تمرکز انرژی ورودی یک گزینه برای کارایی و اقتصادی است.

لومینسانس

شرح فوق، یک کلاس گسترده تر از متمرکز کننده ها (به عنوان مثال، متمرکز کننده های نوری ساده) را پوشش می دهد تا غلظت های متفاوتی از لومینسنت های خورشیدی. خصوصیات اساسی LSC ها این است که آنها مواد لومینسیسی را جذب می کنند که نور ورودی را با محدوده فرکانس گسترده جذب می کند و انرژی را به صورت نور در یک محدوده فرکانس باریک پخش می کند. محدوده فرکانس باریکتر (یعنی اشباع بالاتر) ساده تر می شود که یک سلول فتوولتائیک را می توان برای تبدیل آن به برق طراحی کرد.

طرح های مناسب نوری دامنه نور را که توسط ماده لومنسنج در تمام جهات منتشر می شود، طرح های مناسب نوری دامنه نور را که از مواد لومنسنجی در همه جهات منتشر می شود، هدایت می کند، به طوری که مبدل های فتوولتائیک را فراموش می کند. تکنیک های هدایت مجدد شامل انعکاس داخلی، شیب شاخص های انکسار و جایی که مناسب است، پراش. در اصل چنین LSC ها می توانند از آسمان از آسمان ابری و منابع انتشار مشابه استفاده کنند که برای استفاده از سلول های خورشیدی متعارف یا برای غلظت توسط بازتابنده های نوری معمولی یا دستگاه های انکسار استفاده می شوند.

اجزای لومینسنت ممکن است یک ماده جانبی در ماده یا بخشی از محیط شفاف باشد، یا ممکن است در لایه های نازک لومینسنت روی سطوح برخی از اجزای شفاف باشد. ^[۳]

نظریه متمرکز کننده های انرژی خورشیدی

مقالات مختلف در مورد تئوری بازتاب داخلی نور فلورسنت مورد بحث قرار گرفته اند تا میزان انتشار متمرکز در لبه ها، هم برای عینک های دوتایی ^[۱] و هم برای رنگ های آلی که به پلیمرهای توده افزوده شده، ارائه شود.^[۴] هنگامی که صفحات شفاف با مواد فلورسنت دوخته می شوند، طراحی موثر، مستلزم آن است که دوزها باید بیشترین طیف خورشیدی را جذب کنند، که بیشتر انرژی جذب شده را به عنوان تابش طولانی مدت تابش می دهند. به نوبه خود، اجزای فلورسنت باید به طول موج منتشر شده شفاف باشد. ملاقات با این شرایط اجازه می دهد تا ماتریس شفاف برای تابش به منطقه خروجی انتقال یابد. کنترل مسیر داخلی لومینسانس می تواند بر انعکاس داخلی مکرر نور فلورسنت و انکسار در یک محیط با شاخص شکستگی درجه بندی شود.

به لحاظ نظری، حدود 75-80٪ از لومنسانس می تواند توسط انعکاس داخلی در یک صفحه با یک شاخص شکست تقریبا برابر با شیشه پنجره معمولی به دام افتاده باشد. با استفاده از مواد با شاخص های انکساری بالاتر می توان تا حدی کارایی بهتر را بدست آورد. ^[۵] چنین سازمانی با استفاده از یک دستگاه با یک عامل غلظت بالا، اقتصاد چشمگیر در سرمایه گذاری در سلول های فتوولتائیک را برای تولید مقدار مشخصی از برق ارائه می دهد. در شرایط ایده آل، بازده کل محاسبه شده چنین سیستمی، به معنای مقدار انرژی که سلول فوتوولتائیک را که تقسیم انرژی بر روی صفحه می شود را ترک می کند، باید حدود 20 درصد باشد. .^[۶]

اینطور به حساب می آید:

جذب نور توسط مواد ضعیف شفاف در محیط شفاف،
کارایی نور تبدیل توسط اجزای لامپ فلورسنت،
فرار از نورانی شدن فراتر از زاویه بحرانی و
بازده ناخالص (که نسبت متوسط انرژی است که به انرژی متوسط جذب می شود).

چشم اندازهای عملی و چالش ها

شایستگی نسبی اجزای عملکردی و تنظیمات مختلف، نگرانی عمده است، به ویژه:

از ترکیبات نادر زمین و دیگر عوامل لومینسانس معدنی، رنگ های ارگانیکی فرکانس های وسیع تر و انعطاف پذیری بیشتری را در انتخاب فرکانس های منتشر شده و دوباره جذب شده از ترکیبات نادر زمین و دیگر عوامل لومینسانس معدنی ارائه می دهند.^[۷]^[۸]

پلیمرهای آلی دوپینگ عموما با عوامل لومینسانس آلی کار می کنند،دوپینگ با عوامل پایدار غیرآلی لومیسنت معمولا عملی نیست جز در عینک های غیرآلی.

آشکارسازهای لومینسانس که به صورت دوپینگ انبوه از یک محیط شفاف پیکربندی شده اند، شایستگی هایی دارند که از فیلم های نازکی که در یک محیط روشن پوشیده شده اند متفاوت است.

رسانه های مختلف به دام اندازی انواع مختلفی از دوام، شفافیت، سازگاری با سایر مواد و شاخص انکسار ارائه می کنند.شیشه های معدنی(غیرآلی) و پلیمرهای آلی شامل دو طبقه اصلی می باشند.

سیستم های فوتونیک شکاف های گروهی را ایجاد می کنند که تابش را تسخیر می کنند.^[۹]

شناسایی موادی که نور ورودی بیشتری را به عنوان لومنسانس مفید با جذب ناچیز خود منتشر می کند بسیار مهم است. دستیابی به این ایده بستگی به تنظیم سطح انرژی مربوطه برای تحریک الکتریکی دارد تا از سطوح انتشار در محیط لومینسیسی متفاوت باشد. .^[۱۰]

به جای آن، مواد فلورسنت را می توان به فیلم های(لایه) نازک تبدیل کرد که نور را به رسانه های منفعل شفاف می رسانند که می تواند به طور موثر به سمت خروجی هدایت شود.

حساسیت سلول های خورشیدی باید با طیف حداکثر انتشار رنگ های لومینسنت مطابقت داشته باشد.

افزایش احتمال انتقال از حالت زمین به حالت هیجانی پلاسمون سطحی، کارایی را افزایش می دهد.

پیشرفت ها

متمرکز کننده های تابش خورشیدی شفاف

در سال 2013، محققان دانشگاه ایالتی میشیگان نخستین تمرکز کننده های نورانی قابل انعطاف شفاف را به نمایش گذاشتند.^[۱۱] این دستگاه ها از نانوکیلرهای فلزی فلورسنت (و یا نقطه کوانتومی ) تشکیل شده است که تغییرات (یا کمرنگ شدن) استوکس عظیم را نشان می دهند و به طور انتخابی نور ماوراء بنفش را جذب می کنند و نور کم مادون قرمز را منتشر می کنند،اجازه می دهد تا برداشت انتخابی، بازده بهبود یافته، و شفافیت غیر رنگی در طیف قابل مشاهده است.در سال بعد، این محققان با استفاده از مشتقات نمک آلی لومینسنت، متمرکز کننده های مادون قرمز لومینسانس شفاف را در نزدیکی مادون قرمز نشان دادند..^[۱۲] این دستگاه ها دارای شفافیت واضحی شبیه به شیشه و بازده تبدیل قدرت نزدیک به 0.5٪ هستند. در این پیکربندی کارایی بیش از 10٪ ممکن است به علت کسر زیادی از شار فوتون در طیف نزدیک به مادون قرمز باشد. ^[۱۲]

نقاط کوانتومی

در سال 2014، LSCs بر اساس سلناید کادمیوم یا سولفید کادمیوم (CdSe / CdS) نقطه کوانتومی (QD) با جداسازی جدی بین نوارهای انتشار و جذب (به نام تغییر اسکوک بزرگ) اعلام شد.^[۱۳]^[۱۴]

جذب نور توسط پوسته بیرونی از CdS غالب است، در حالیکه انتشار از هسته داخلی CdSe شکاف باریک تر است.جداسازی توابع جذب نور و انتشار نور بین دو بخش نانوساختار منجر به تغییر طیف گسترده ای از انتشار در رابطه با جذب می شود که به شدت کاهش تلفات دوباره جذب را کاهش می دهد. QDs به اسلب های بزرگ (در اندازه ده ها سانتی متر) پلی اتیل متاکریلات (PMMA) گنجانیده شده است.ذرات فعال حدود یک صد آنگستروم در سراسر آن بودند..^[۱۳]

اندازه گیری های اسپکتروسکوپی تقریبا هیچ تلفیقی جذب را در فاصله ده سانتیمتر مشاهده نکرد. راندمان استخراج فوتون حدود 10٪ بود.با وجود شفافیت بالا، ساختارهای ساخت یافته نشان دهنده افزایش قابل توجه شار خورشیدی با عامل غلظت بیش از چهار است.^[۱۳]

همچنین ببینید

منابع

↑ ^۱٫۰ ^۱٫۱ Reisfeld, Renata; Neuman, Samuel (July 13, 1978). "Planar solar energy converter and concentrator based on uranyl-doped glass". Nature. 274: 144–145. Bibcode:1978Natur.274..144R. doi:10.1038/274144a0.
↑ Reisfeld, Renata; Kalisky, Yehoshua (1980). "Improved planar solar converter based on uranyl neodymium and holmium glasses". Nature. 283 (5744): 281–282. Bibcode:1980Natur.283..281R. doi:10.1038/283281a0.
↑ Reisfeld, Renata (July 2010). "New developments in luminescence for solar energy utilization". Optical Materials. 32 (9): 850–856. Bibcode:2010OptMa..32..850R. doi:10.1016/j.optmat.2010.04.034.
↑ Goetzberger, A.; Greube, W. (1977). "Solar energy conversion with fluorescent collectors". Applied Physics. 14 (2): 123. Bibcode:1977ApPhy..14..123G. doi:10.1007/BF00883080.
↑ Reisfeld, Renata; Shamrakov, Dimitri; Jorgensen, Christian (August 1994). "Photostable solar concentrators based on fluorescent glass films". Solar Energy Materials and Solar Cells. 33 (4): 417–427. doi:10.1016/0927-0248(94)90002-7.
↑ Reisfeld, Renata; Jørgensen, Christian K. (1982). "Luminescent solar concentrators for energy conversion". Structure and Bonding. 49: 1–36. doi:10.1007/BFb0111291.
↑ Reisfeld, Renata; Jørgensen, Christian H. (1977). "Lasers and Excited States of Rare Earths". Inorganic Chemistry Concepts. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag,. doi:10.1002/bbpc.19780820820. ISSN 0172-7966.{{cite journal}}: نگهداری CS1: نقطه‌گذاری اضافه (link)
↑ Gaft, Michael; Reisfeld, Renata; Panczer, Gerard (20 April 2005). Modern Luminescence Spectroscopy of Minerals and Materials. Springer. p. 3. ISBN 978-3-540-21918-7.
↑ M. Peters, J. C. Goldschmidt, P. Löper, B. Bläsi, and A. Gombert; The effect of photonic structures on the light guiding efficiency of fluorescent concentrators; Journal of Applied Physics 105, 014909 (2009)
↑ Saraidarov, T.; Levchenko, V.; Grabowska, A.; Borowicz, P.; Reisfeld, R. (2010). "Non-self-absorbing materials for Luminescent Solar Concentrators (LSC)". Chemical Physics Letters. 492: 60. Bibcode:2010CPL...492...60S. doi:10.1016/j.cplett.2010.03.087.
↑ Zhao, Yimu; Lunt, Richard R. (2013). "Transparent Luminescent Solar Concentrators for Large-Area Solar Windows Enabled by Massive Stokes-Shift Nanocluster Phosphors". Advanced Energy Materials. 3: 1143–1148. doi:10.1002/aenm.201300173.
↑ ^۱۲٫۰ ^۱۲٫۱ Zhao, Yimu; Meek, Garrett A.; Levine, Benjamin G.; Lunt, Richard R. (2014). "Near-Infrared Harvesting Transparent Luminescent Solar Concentrators". Advanced Optical Materials. 2: 606–611. doi:10.1002/adom.201400103.
↑ ^۱۳٫۰ ^۱۳٫۱ ^۱۳٫۲ Nancy Ambrosiano (2014-04-14). "Shiny quantum dots brighten future of solar cells". R&D. Retrieved 2014-06-16.
↑ Meinardi, Francesco; Colombo, Annalisa; Velizhanin, Kirill A.; Simonutti, Roberto; Lorenzon, Monica; Beverina, Luca; Viswanatha, Ranjani; Klimov, Victor I.; Brovelli, Sergio (2014). "Large-area luminescent solar concentrators based on 'Stokes-shift-engineered' nanocrystals in a mass-polymerized PMMA matrix". Nature Photonics. 8 (5): 392–399. Bibcode:2014NaPho...8..392M. doi:10.1038/nphoton.2014.54.

خواندن بیشتر

لینک های خارجی

Julia Layton. "Could luminescent solar concentrators make solar power more affordable?". How Stuff Works web site. Retrieved June 13, 2011.
Renata Reisfeld (July 2010). "Luminescent solar concentrators supplying electricity for future buildings" (PDF). Retrieved June 13, 2011.
Renata Reisfeld. "Luminescent solar concentrators obtained using sol-gel process". Sol-Gel Gateway web site. Retrieved June 14, 2011.
Marc Baldo (May 19, 2009). "Luminescent Solar Concentrators Explained". video of lecture. MIT. Retrieved June 14, 2011.

Other authors:

[RRSN-1] ۱٫۰ ^۱٫۱ Reisfeld, Renata; Neuman, Samuel (July 13, 1978). "Planar solar energy converter and concentrator based on uranyl-doped glass". Nature. 274: 144–145. Bibcode:1978Natur.274..144R. doi:10.1038/274144a0.

[2] Reisfeld, Renata; Kalisky, Yehoshua (1980). "Improved planar solar converter based on uranyl neodymium and holmium glasses". Nature. 283 (5744): 281–282. Bibcode:1980Natur.283..281R. doi:10.1038/283281a0.

[3] Reisfeld, Renata (July 2010). "New developments in luminescence for solar energy utilization". Optical Materials. 32 (9): 850–856. Bibcode:2010OptMa..32..850R. doi:10.1016/j.optmat.2010.04.034.

[4] Goetzberger, A.; Greube, W. (1977). "Solar energy conversion with fluorescent collectors". Applied Physics. 14 (2): 123. Bibcode:1977ApPhy..14..123G. doi:10.1007/BF00883080.

[5] Reisfeld, Renata; Shamrakov, Dimitri; Jorgensen, Christian (August 1994). "Photostable solar concentrators based on fluorescent glass films". Solar Energy Materials and Solar Cells. 33 (4): 417–427. doi:10.1016/0927-0248(94)90002-7.

[6] Reisfeld, Renata; Jørgensen, Christian K. (1982). "Luminescent solar concentrators for energy conversion". Structure and Bonding. 49: 1–36. doi:10.1007/BFb0111291.

[7] Reisfeld, Renata; Jørgensen, Christian H. (1977). "Lasers and Excited States of Rare Earths". Inorganic Chemistry Concepts. Berlin, Heidelberg, New York: Springer-Verlag,. doi:10.1002/bbpc.19780820820. ISSN 0172-7966.{{cite journal}}: نگهداری CS1: نقطه‌گذاری اضافه (link)

[8] Gaft, Michael; Reisfeld, Renata; Panczer, Gerard (20 April 2005). Modern Luminescence Spectroscopy of Minerals and Materials. Springer. p. 3. ISBN 978-3-540-21918-7.

[9] M. Peters, J. C. Goldschmidt, P. Löper, B. Bläsi, and A. Gombert; The effect of photonic structures on the light guiding efficiency of fluorescent concentrators; Journal of Applied Physics 105, 014909 (2009)

[10] Saraidarov, T.; Levchenko, V.; Grabowska, A.; Borowicz, P.; Reisfeld, R. (2010). "Non-self-absorbing materials for Luminescent Solar Concentrators (LSC)". Chemical Physics Letters. 492: 60. Bibcode:2010CPL...492...60S. doi:10.1016/j.cplett.2010.03.087.

[ZhaoLunt2013-11] Zhao, Yimu; Lunt, Richard R. (2013). "Transparent Luminescent Solar Concentrators for Large-Area Solar Windows Enabled by Massive Stokes-Shift Nanocluster Phosphors". Advanced Energy Materials. 3: 1143–1148. doi:10.1002/aenm.201300173.

[ZhaoLunt2014-12] ۱۲٫۰ ^۱۲٫۱ Zhao, Yimu; Meek, Garrett A.; Levine, Benjamin G.; Lunt, Richard R. (2014). "Near-Infrared Harvesting Transparent Luminescent Solar Concentrators". Advanced Optical Materials. 2: 606–611. doi:10.1002/adom.201400103.

[rd1405-13] ۱۳٫۰ ^۱۳٫۱ ^۱۳٫۲ Nancy Ambrosiano (2014-04-14). "Shiny quantum dots brighten future of solar cells". R&D. Retrieved 2014-06-16.

[MeinardiColombo2014-14] Meinardi, Francesco; Colombo, Annalisa; Velizhanin, Kirill A.; Simonutti, Roberto; Lorenzon, Monica; Beverina, Luca; Viswanatha, Ranjani; Klimov, Victor I.; Brovelli, Sergio (2014). "Large-area luminescent solar concentrators based on 'Stokes-shift-engineered' nanocrystals in a mass-polymerized PMMA matrix". Nature Photonics. 8 (5): 392–399. Bibcode:2014NaPho...8..392M. doi:10.1038/nphoton.2014.54.

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]

[۷]

[۸]

[۹]

[۱۰]

[۱۱]

[۱۲]

[۱۳]

[۱۴]