Concentrador solar luminescente - Luminescent solar concentrator

Um concentrador solar luminescente

Um concentrador solar luminescente ( LSC ) é um dispositivo para concentrar a radiação , a radiação solar em particular, para produzir eletricidade. Os concentradores solares luminescentes operam com base no princípio de coletar radiação sobre uma grande área, convertendo-a por luminescência (especificamente por fluorescência ) e direcionando a radiação gerada para um alvo de saída relativamente pequeno.

Diagrama de esquema LSC

Projeto

Projetos iniciais normalmente compreendiam camadas paralelas finas e planas de materiais luminescentes e transparentes alternados, colocadas para reunir a radiação de entrada em suas faces (mais largas) e emitir radiação concentrada em torno de suas bordas (mais estreitas). Normalmente, o dispositivo direcionaria a radiação concentrada para as células solares para gerar energia elétrica.

Outras configurações (como fibras ópticas dopadas ou revestidas ou pilhas com contornos de camadas alternadas) podem se adequar melhor a aplicações específicas.

Estrutura e princípios de operação

As camadas da pilha podem ser placas paralelas separadas ou estratos alternados em uma estrutura sólida. Em princípio, se a área de entrada efetiva for suficientemente grande em relação à área de saída efetiva, a saída seria de irradiância correspondentemente maior do que a de entrada, medida em watts por metro quadrado. O fator de concentração é a razão entre a irradiância de saída e entrada de todo o dispositivo.

Por exemplo, imagine uma folha de vidro quadrada (ou pilha) de 200 mm de lado e 5 mm de espessura. Sua área de entrada (por exemplo, a superfície de uma única face da folha orientada para a fonte de energia) é 10 vezes maior do que a área de saída (por exemplo, a superfície de quatro lados abertos) - 40.000 mm quadrados (200x200) em comparação com 4.000 mm quadrados (200x5x4). Para uma primeira aproximação, o fator de concentração de tal LSC é proporcional à área das superfícies de entrada dividida pela área das bordas multiplicada pela eficiência de desvio da luz que entra em direção à área de saída. Suponha que a folha de vidro pudesse desviar a luz que entra da face para as bordas com uma eficiência de 50%. A folha de vidro hipotética em nosso exemplo daria uma irradiância de luz de saída 5 vezes maior do que a da luz incidente, produzindo um fator de concentração de 5.

Da mesma forma, uma fibra óptica de índice de refração graduado de 1 mm quadrado de seção transversal e 1 metro de comprimento, com um revestimento luminescente pode ser útil.

Fator de concentração versus eficiência

O fator de concentração interage com a eficiência do dispositivo para determinar a produção geral.

  • O fator de concentração é a razão entre a irradiância de entrada e emitida. Se a irradiância de entrada for 1 kW / m2 e a irradiância de saída for 10 kW / m2, isso forneceria um fator de concentração de 10.
  • A eficiência é a razão entre o fluxo radiante de entrada (medido em watts) e a potência de saída, ou a fração da energia de entrada que o dispositivo pode fornecer como energia de saída utilizável (diferente da luz ou eletricidade, algumas das quais podem não ser utilizável). No exemplo anterior, metade da potência recebida é reemitida, implicando em eficiência de 50%.

A maioria dos dispositivos (como células solares) para converter a energia que entra em saída útil são relativamente pequenos e caros, e funcionam melhor na conversão de luz direcional em altas intensidades e uma faixa de frequência estreita, enquanto a radiação de entrada tende a ser em frequências difusas, de irradiância e saturação relativamente baixas . A concentração da energia de entrada é uma opção para eficiência e economia.

Luminescência

A descrição acima cobre uma classe mais ampla de concentradores (por exemplo, concentradores ópticos simples) do que apenas concentradores solares luminescentes. O atributo essencial dos LSCs é que eles incorporam materiais luminescentes que absorvem a luz de entrada com uma ampla faixa de frequência e reemitem a energia na forma de luz em uma estreita faixa de frequência. Quanto mais estreita for a faixa de frequência (ou seja, quanto maior a saturação), mais simples será a célula fotovoltaica projetada para convertê-la em eletricidade.

Projetos ópticos adequados capturam a luz emitida pelo material luminescente em todas as direções, redirecionando-a para que pouco escape dos conversores fotovoltaicos . As técnicas de redirecionamento incluem reflexão interna , gradientes de índice de refração e, quando adequado, difração . Em princípio, tais LSCs podem usar luz de céus nublados e fontes difusas semelhantes que são de pouca utilidade para alimentar células solares convencionais ou para concentração por refletores ópticos convencionais ou dispositivos refrativos.

O componente luminescente pode ser um dopante no material de alguns ou de todo o meio transparente, ou pode estar na forma de filmes finos luminescentes nas superfícies de alguns dos componentes transparentes.

Teoria dos concentradores solares luminescentes

Vários artigos têm discutido a teoria da reflexão interna da luz fluorescente de modo a fornecer emissão concentrada nas bordas, tanto para vidros dopados quanto para corantes orgânicos incorporados em polímeros a granel. Quando as placas transparentes são dopadas com materiais fluorescentes, o design eficaz requer que os dopantes absorvam a maior parte do espectro solar, reemitindo a maior parte da energia absorvida como luminescência de onda longa. Por sua vez, os componentes fluorescentes devem ser transparentes aos comprimentos de onda emitidos. Atender a essas condições permite que a matriz transparente transmita a radiação para a área de saída. O controle do caminho interno da luminescência pode depender da reflexão interna repetida da luz fluorescente e da refração em um meio com um índice de refração graduado.

Teoricamente, cerca de 75-80% da luminescência poderia ser capturada pela reflexão interna total em uma placa com um índice de refração aproximadamente igual ao de um vidro de janela típico. Eficiência um pouco melhor poderia ser alcançada usando materiais com índices de refração mais altos. Tal arranjo usando um dispositivo com alto fator de concentração deve oferecer economias impressionantes no investimento em células fotovoltaicas para produzir uma determinada quantidade de eletricidade. Em condições ideais, a eficiência global calculada de tal sistema, no sentido da quantidade de energia que sai da célula fotovoltaica dividida pela energia que cai na placa, deve ser de cerca de 20%.

Isso leva em consideração:

  • a absorção de luz por materiais pouco transparentes no meio transparente,
  • a eficiência da conversão de luz pelos componentes luminescentes,
  • a fuga da luminescência além do ângulo crítico e
  • eficiência bruta (que é a relação entre a energia média emitida e a energia média absorvida).

Perspectivas práticas e desafios

Os méritos relativos de vários componentes e configurações funcionais são as principais preocupações, em particular:

  • Os corantes orgânicos oferecem faixas mais amplas de frequências e mais flexibilidade na escolha das frequências emitidas e reabsorvidas do que os compostos de terras raras e outros agentes luminescentes inorgânicos.
  • A dopagem de polímeros orgânicos é geralmente prática com agentes luminescentes orgânicos, enquanto a dopagem com agentes luminescentes inorgânicos estáveis ​​geralmente não é prática, exceto em vidros inorgânicos.
  • Agentes luminescentes configurados como dopagem em massa de um meio transparente têm méritos que diferem daqueles de filmes finos depositados em um meio transparente.
  • Vários meios de captura apresentam combinações variadas de durabilidade, transparência, compatibilidade com outros materiais e índice de refração. O vidro inorgânico e os meios poliméricos orgânicos compreendem as duas principais classes de interesse.
  • Os sistemas fotônicos criam lacunas de banda que prendem a radiação.
  • Identificar materiais que reemitem mais luz de entrada como luminescência útil com autoabsorção insignificante é crucial. A obtenção desse ideal depende do ajuste dos níveis de energia de excitação eletrônica relevantes para diferir dos níveis de emissão no meio luminescente.
  • Alternativamente, os materiais luminescentes podem ser configurados em filmes finos que emitem luz em meios passivos transparentes que podem conduzir de forma eficiente para a saída.
  • A sensibilidade das células solares deve corresponder ao espectro máximo de emissão dos corantes luminescentes.
  • Aumentar a probabilidade de transição do estado fundamental para o estado excitado dos plasmons de superfície aumenta a eficiência.

Os concentradores solares luminescentes podem ser usados ​​para integrar dispositivos de colheita solar em fachadas de edifícios nas cidades.

Avanços

Concentradores solares luminescentes transparentes

Em 2013, pesquisadores da Michigan State University demonstraram os primeiros concentradores solares luminescentes visivelmente transparentes. Esses dispositivos eram compostos de nanocluster de haleto de metal fosforescente (ou Quantum Dot ) misturas que exibem deslocamento de Stokes massivo (ou downconversion) e que absorvem seletivamente ultravioleta e emitem luz infravermelha próxima, permitindo a coleta seletiva, eficiência de reabsorção aprimorada e transparência não tingida no espectro visível. No ano seguinte, esses pesquisadores demonstraram o infravermelho próximo colhendo concentradores solares luminescentes visivelmente transparentes, utilizando derivados de sal orgânico luminescente. Esses dispositivos exibem uma transparência clara e visível semelhante à do vidro e uma eficiência de conversão de energia próxima a 0,5%. Nesta configuração, eficiências de mais de 10% são possíveis devido à grande fração do fluxo de fótons no espectro infravermelho próximo.

Pontos quânticos

LSCs baseados em seleneto de cádmio / sulfeto de zinco (CdSe / ZnS) e seleneto de cádmio / sulfeto de cádmio (CdSe / CdS) pontos quânticos (QD) com grande separação induzida entre bandas de emissão e absorção (chamada de grande deslocamento de Stokes ) foram anunciados em 2007 e 2014 respectivamente

A absorção de luz é dominada por uma camada externa ultra-grossa de CdS, enquanto a emissão ocorre a partir do núcleo interno de um CdSe de intervalo mais estreito. A separação das funções de absorção e emissão de luz entre as duas partes da nanoestrutura resulta em uma grande mudança espectral de emissão em relação à absorção, o que reduz consideravelmente as perdas por reabsorção. Os QDs foram incorporados em grandes placas (dimensionadas em dezenas de centímetros) de polimetilmetacrilato (PMMA). As partículas ativas tinham cerca de cem angstroms de diâmetro.

As medições espectroscópicas indicaram virtualmente nenhuma perda de reabsorção em distâncias de dezenas de centímetros. A eficiência da coleta de fótons foi de aproximadamente 10%. Apesar de sua alta transparência, as estruturas fabricadas mostraram um aumento significativo do fluxo solar com o fator de concentração de mais de quatro.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos

Outros autores: