Koncentratory słoneczne imitujące liście stanowią obiecujące podejście do zwiększania skalowalności i wydajności systemów energii słonecznej.
Od czasu opracowania w latach 70. XX wieku luminescencyjny koncentrator słoneczny (LSC) został zaprojektowany w celu poprawy wychwytywania energii słonecznej poprzez wykorzystanie materiałów luminescencyjnych do konwersji i skupiania światła słonecznego na ogniwach fotowoltaicznych (PV). W przeciwieństwie do tradycyjnych koncentratorów wykorzystujących lustra i soczewki, ogniwa LSC mogą wykorzystywać rozproszone światło i często są stosowane w fotowoltaice zintegrowanej z budynkiem, gdzie ich półprzezroczystość i kolorowe właściwości zapewniają korzyści estetyczne.
Jednak zwiększanie skali LSC w celu pokrycia dużych obszarów było wyzwaniem ze względu na problemy takie jak samoabsorpcja fotonów fotoluminescencyjnych (PL) w falowodzie. Naukowcy z Uniwersytetu Ritsumeikan (Japonia) zaproponowali innowacyjny model „liścia LSC”, który może przezwyciężyć takie ograniczenia poprzez usprawnienie gromadzenia i przekazywania światła do ogniw fotowoltaicznych.
Projekt liścia LSC rozwiązuje problem skalowalności poprzez zastosowanie mniejszych, połączonych ze sobą elementów luminescencyjnych, które działają jak liście na drzewie. Jak podano w Journal of Photonics for Energy (JPE) ta innowacyjna konfiguracja polega na umieszczeniu płytek luminescencyjnych wokół centralnego włókna luminescencyjnego, bokami płytek skierowanymi w stronę włókna. Taki układ pozwala na przekształcenie padających fotonów w fotony PL przez płytki, które następnie przemieszczają się przez włókno i są zbierane na jego końcu przez ogniwo fotowoltaiczne. Aby zwiększyć wydajność, przezroczyste światłowody łączą wiele włókien z pojedynczym ogniwem fotowoltaicznym, skutecznie zwiększając obszar padania LSC, jednocześnie zmniejszając foton straty spowodowane samoabsorpcją i rozpraszaniem.
Podejście modułowe i ulepszenia wydajności
To modułowe podejście do projektowania LSC ma kilka zalet. Naukowcy odkryli, że zmniejszając rozmiar boczny poszczególnych modułów, poprawia się efektywność zbierania fotonów. Na przykład zmniejszenie długości boku kwadratowego liścia LSC z 50 mm do 10 mm znacznie zwiększyło wydajność zbierania fotonów. Modułowa konstrukcja pozwala również na łatwą wymianę uszkodzonych jednostek i integrację zaawansowanych materiałów luminescencyjnych, gdy tylko staną się dostępne.
Jeszcze bardziej zwiększając wydajność systemu, badacze włączyli techniki z tradycyjnych płaskich LSC, takie jak zwierciadła krawędziowe i struktury tandemowe, do projektu LSC w kształcie liścia. Ich eksperymenty wykazały, że wydajność optyczną tych struktur przypominających liście można obliczyć analitycznie na podstawie widma i intensywności padającego światła, stosując technikę wzbudzenia jednopunktowego.
Według redaktora naczelnego JPE, Seana Shaheena, profesora inżynierii i fizyki na Uniwersytecie Colorado w Boulder oraz członka Instytutu Energii Odnawialnej i Zrównoważonej, „Te odkrycia pokazują kreatywne podejście, które rozwija koncepcję luminescencyjnych koncentratorów słonecznych w celu skutecznego kierują światło słoneczne w stronę sąsiednich urządzeń fotowoltaicznych. Łącząc skalowalne projekty inspirowane biologią z udoskonaleniami inżynierii optycznej, autorzy zwiększyli wydajność swoich urządzeń do poziomu wymaganego do praktycznego zastosowania”.
Optymalizacja gromadzenia fotonów w LSC może utorować drogę bardziej elastycznym i skalowalnym rozwiązaniom w zakresie energii słonecznej. Takie podejście do pozyskiwania energii może zrewolucjonizować zastosowanie koncentratorów słonecznych, czyniąc je bardziej wydajnymi i przystosowanymi do różnych zastosowań, od instalacji wielkoskalowych po systemy zintegrowane z budynkiem. W miarę postępu technologii można spodziewać się znacznego zwiększenia wydajności systemów energii słonecznej i przyczynienia się do bardziej zrównoważonych rozwiązań energetycznych.
Odniesienie: „Ulepszona kolekcja fotonów w luminescencyjnych koncentratorach słonecznych inspirowanych liśćmi” autorstwa Hiroto Nishimury, Kohei Okady, Atsuyi Suzuki, Yuty Mizuno i Ichiro Fujiedy, 19 lipca 2024 r., Journal of Photonics for Energy.
DOI: 10.1117/1.JPE.14.035501
