Concentrador solar luminiscente - Luminescent solar concentrator

Un concentrador solar luminiscente

Un concentrador solar luminiscente ( LSC ) es un dispositivo para concentrar la radiación , en particular la radiación solar , para producir electricidad. Los concentradores solares luminiscentes funcionan según el principio de recolectar radiación en un área grande, convertirla por luminiscencia (específicamente por fluorescencia ) y dirigir la radiación generada hacia un objetivo de salida relativamente pequeño.

Diagrama de esquema LSC

Diseño

Los diseños iniciales generalmente comprendían capas paralelas delgadas y planas de materiales luminiscentes y transparentes alternados, colocados para recolectar la radiación entrante en sus caras (más amplias) y emitir radiación concentrada alrededor de sus bordes (más estrechos). Normalmente, el dispositivo dirigiría la radiación concentrada hacia las células solares para generar energía eléctrica.

Otras configuraciones (como fibras ópticas dopadas o recubiertas , o pilas contorneadas de capas alternas) pueden adaptarse mejor a aplicaciones particulares.

Estructura y principios de funcionamiento

Las capas de la pila pueden ser placas paralelas separadas o estratos alternos en una estructura sólida. En principio, si el área de entrada efectiva es suficientemente grande en relación con el área de salida efectiva, la salida sería de irradiancia correspondientemente más alta que la entrada, medida en vatios por metro cuadrado. El factor de concentración es la relación entre la irradiancia de salida y de entrada de todo el dispositivo.

Por ejemplo, imagine una hoja (o pila) de vidrio cuadrada de 200 mm de lado y 5 mm de grosor. Su área de entrada (por ejemplo, la superficie de una sola cara de la hoja orientada hacia la fuente de energía) es 10 veces mayor que el área de salida (por ejemplo, la superficie de cuatro lados abiertos) - 40000 mm cuadrados (200x200) en comparación con 4000 mm cuadrados (200x5x4). En una primera aproximación, el factor de concentración de tal LSC es proporcional al área de las superficies de entrada dividida por el área de los bordes multiplicada por la eficiencia de la desviación de la luz entrante hacia el área de salida. Supongamos que la hoja de vidrio pudiera desviar la luz entrante de la cara hacia los bordes con una eficiencia del 50%. La hipotética hoja de vidrio de nuestro ejemplo daría una irradiancia de salida de luz 5 veces mayor que la de la luz incidente, produciendo un factor de concentración de 5.

De manera similar, una fibra óptica de índice de refracción graduada de 1 mm cuadrado de sección transversal y 1 metro de largo, con un revestimiento luminiscente, podría resultar útil.

Factor de concentración versus eficiencia

El factor de concentración interactúa con la eficiencia del dispositivo para determinar la salida general.

  • El factor de concentración es la relación entre la irradiancia entrante y emitida. Si la irradiancia de entrada es de 1 kW / m2 y la irradiancia de salida es de 10 kW / m2, eso proporcionaría un factor de concentración de 10.
  • La eficiencia es la relación entre el flujo radiante entrante (medido en vatios) y el vataje saliente, o la fracción de la energía entrante que el dispositivo puede entregar como energía de salida utilizable (no es lo mismo que la luz o la electricidad, algunas de las cuales pueden no ser utilizable). En el ejemplo anterior, se vuelve a emitir la mitad de la potencia recibida, lo que implica una eficiencia del 50%.

La mayoría de los dispositivos (como las células solares) para convertir la energía entrante en una salida útil son relativamente pequeños y costosos, y funcionan mejor para convertir la luz direccional a altas intensidades y un rango de frecuencia estrecho, mientras que la radiación de entrada tiende a ser de frecuencias difusas, de irradiancia y saturación relativamente bajas . En consecuencia, la concentración de la energía de entrada es una opción para la eficiencia y la economía.

Luminiscencia

La descripción anterior cubre una clase más amplia de concentradores (por ejemplo, concentradores ópticos simples) que los concentradores solares luminiscentes. El atributo esencial de los LSC es que incorporan materiales luminiscentes que absorben la luz entrante con un amplio rango de frecuencia y reemiten la energía en forma de luz en un rango de frecuencia estrecho. Cuanto más estrecho sea el rango de frecuencia (es decir, cuanto mayor sea la saturación), más simple se puede diseñar una celda fotovoltaica para convertirla en electricidad.

Diseños ópticos adecuados atrapan la luz emitida por el material luminiscente en todas las direcciones, redirigiéndola para que poco escape a los convertidores fotovoltaicos . Las técnicas de redirección incluyen reflexión interna , gradientes de índice de refracción y, cuando sea adecuado, difracción . En principio, tales LSC pueden utilizar luz de cielos nublados y fuentes difusas similares que son de poca utilidad para alimentar células solares convencionales o para concentración mediante reflectores ópticos convencionales o dispositivos refractivos.

El componente luminiscente puede ser un dopante en el material de parte o todo el medio transparente, o puede estar en forma de películas delgadas luminiscentes en las superficies de algunos de los componentes transparentes.

Teoría de los concentradores solares luminiscentes

Varios artículos han discutido la teoría de la reflexión interna de la luz fluorescente para proporcionar una emisión concentrada en los bordes, tanto para vidrios dopados como para colorantes orgánicos incorporados en polímeros a granel. Cuando las placas transparentes se dopan con materiales fluorescentes, el diseño eficaz requiere que los dopantes absorban la mayor parte del espectro solar, reemitiendo la mayor parte de la energía absorbida como luminiscencia de onda larga. A su vez, los componentes fluorescentes deben ser transparentes a las longitudes de onda emitidas. El cumplimiento de esas condiciones permite que la matriz transparente transmita la radiación al área de salida. El control de la trayectoria interna de la luminiscencia podría depender de la reflexión interna repetida de la luz fluorescente y la refracción en un medio con un índice de refracción gradual.

Teóricamente, alrededor del 75-80% de la luminiscencia podría quedar atrapada por la reflexión interna total en una placa con un índice de refracción aproximadamente igual al de un vidrio de ventana típico. Se podría lograr una eficiencia algo mejor utilizando materiales con índices de refracción más altos. Una disposición de este tipo que utiliza un dispositivo con un factor de concentración alto debería ofrecer economías impresionantes en la inversión en células fotovoltaicas para producir una cantidad determinada de electricidad. En condiciones ideales, la eficiencia global calculada de dicho sistema, en el sentido de la cantidad de energía que sale de la célula fotovoltaica dividida por la energía que cae sobre la placa, debería ser de aproximadamente el 20%.

Esto tiene en cuenta:

  • la absorción de luz por materiales poco transparentes en el medio transparente,
  • la eficiencia de la conversión de luz por los componentes luminiscentes,
  • el escape de la luminiscencia más allá del ángulo crítico y
  • eficiencia bruta (que es la relación entre la energía media emitida y la energía media absorbida).

Perspectivas y desafíos prácticos

Los méritos relativos de varios componentes funcionales y configuraciones son preocupaciones importantes, en particular:

  • Los tintes orgánicos ofrecen rangos más amplios de frecuencias y más flexibilidad en la elección de frecuencias emitidas y reabsorbidas que los compuestos de tierras raras y otros agentes luminiscentes inorgánicos.
  • El dopado de polímeros orgánicos es generalmente práctico con agentes luminiscentes orgánicos, mientras que el dopado con agentes luminiscentes inorgánicos estables no suele ser práctico excepto en vidrios inorgánicos.
  • Los agentes luminiscentes configurados como dopaje a granel de un medio transparente tienen ventajas que difieren de las de las películas delgadas depositadas sobre un medio transparente.
  • Varios medios de captura presentan combinaciones variables de durabilidad, transparencia, compatibilidad con otros materiales e índice de refracción. Los medios de vidrio inorgánico y polímeros orgánicos comprenden las dos clases principales de interés.
  • Los sistemas fotónicos crean espacios de banda que atrapan la radiación.
  • Es crucial identificar los materiales que reemiten más luz de entrada como luminiscencia útil con una autoabsorción insignificante. El logro de ese ideal depende de ajustar los niveles de energía de excitación electrónica relevantes para que difieran de los niveles de emisión en el medio luminiscente.
  • Alternativamente, los materiales luminiscentes se pueden configurar en películas delgadas que emiten luz en medios pasivos transparentes que pueden conducir eficientemente hacia la salida.
  • La sensibilidad de las células solares debe coincidir con el espectro de emisión máximo de los colorantes luminiscentes.
  • Aumentar la probabilidad de transición del estado fundamental al estado excitado de los plasmones de superficie aumenta la eficiencia.

Los concentradores solares luminiscentes podrían usarse para integrar dispositivos de captación solar en las fachadas de edificios en las ciudades.

Avances

Concentradores solares luminiscentes transparentes

En 2013, investigadores de la Universidad Estatal de Michigan demostraron los primeros concentradores solares luminiscentes visiblemente transparentes. Estos dispositivos estaban compuestos por mezclas de nanocluster de haluro metálico fosforescente (o Quantum Dot ) que exhiben un desplazamiento de Stokes masivo (o conversión descendente) y que absorben selectivamente los rayos ultravioleta y emiten luz infrarroja cercana, lo que permite una recolección selectiva, una mejor eficiencia de reabsorción y una transparencia sin tintes. en el espectro visible. Al año siguiente, estos investigadores demostraron la recolección en el infrarrojo cercano de concentradores solares luminiscentes visiblemente transparentes mediante la utilización de derivados de sales orgánicas luminiscentes. Estos dispositivos exhiben una clara transparencia visible similar a la del vidrio y una eficiencia de conversión de energía cercana al 0.5%. En esta configuración son posibles eficiencias de más del 10% debido a la gran fracción de flujo de fotones en el espectro del infrarrojo cercano.

Puntos cuánticos

Los LSC basados ​​en seleniuro de cadmio / sulfuro de zinc (CdSe / ZnS) y seleniuro de cadmio / sulfuro de cadmio (CdSe / CdS) puntos cuánticos (QD) con una gran separación inducida entre las bandas de emisión y absorción (llamado gran cambio de Stokes ) se anunciaron en 2007 y 2014 respectivamente

La absorción de luz está dominada por una capa exterior ultragruesa de CdS, mientras que la emisión se produce desde el núcleo interior de un CdSe de espacio más estrecho. La separación de las funciones de absorción y emisión de luz entre las dos partes de la nanoestructura da como resultado un gran cambio espectral de emisión con respecto a la absorción, lo que reduce en gran medida las pérdidas por reabsorción. Los QD se incorporaron en grandes placas (de decenas de centímetros) de polimetilmetacrilato (PMMA). Las partículas activas tenían unos cien angstroms de diámetro.

Las mediciones espectroscópicas indicaron que prácticamente no hay pérdidas por reabsorción en distancias de decenas de centímetros. Las eficiencias de recolección de fotones fueron aproximadamente del 10%. A pesar de su alta transparencia, las estructuras fabricadas mostraron una mejora significativa del flujo solar con un factor de concentración de más de cuatro.

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos

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