JPE: Листоподобные концентраторы повысят эффективность солнечной энергии

Люминесцентный солнечный концентратор, или LSC, изобрели в 1970-х годах для повышения эффективности сбора солнечной энергии. В отличие от традиционных концентраторов, которые используют зеркала и линзы, LSC может собирать рассеянный свет.

LSC используются в таких областях, как встроенная в здания фотовольтаика. Их полупрозрачная и красочная природа обеспечивает эстетические преимущества. Однако масштабирование LSC для покрытия больших площадей было затруднено из-за самопоглощения фотолюминесцентных фотонов внутри волновода.

Исследователи из Университета Рицумейкан (Япония) предложили новую модель «листового LSC», которая должна решить эту проблему и улучшить сбор и передачу света на фотоэлементы.

LSC — это система, которая состоит из небольших взаимосвязанных люминесцентных компонентов. Они функционируют подобно листьям на дереве и размещены вокруг центрального волокна.

Пластина преобразует падающие фотоны в фотолюминесцентные (PL) фотоны. Затем они проходят через волокно и собираются на его конце фотоэлементом. Для повышения эффективности несколько волокон соединяют с одним фотоэлементом, что увеличивает площадь падения LSC и снижает потери фотонов.

Модульный подход к проектированию LSC даёт ряд преимуществ.

Исследователи обнаружили, что эффективность сбора фотонов повышается при уменьшении поперечного размера отдельных модулей. Так, уменьшение длины стороны квадратного листа с 50 до 10 мм значительно увеличивает эффективность.

Модульная конструкция позволяет легко заменять повреждённые блоки и интегрировать передовые люминесцентные материалы.

Чтобы повысить эффективность системы, исследователи включили в конструкцию листового LSC методы, используемые в традиционных планарных LSC: краевые зеркала и тандемные структуры. Эксперименты показали, что оптическую эффективность листоподобных структур можно рассчитать аналитически на основе спектра и интенсивности падающего света методом одноточечного возбуждения.

По словам Шона Шахина, профессора инженерии и физики Университета Колорадо в Боулдере и сотрудника Института возобновляемой и устойчивой энергетики, результаты исследования демонстрируют творческий подход к разработке люминесцентных солнечных концентраторов. Авторы смогли эффективно направить солнечный свет на соседние фотоэлектрические устройства за счёт сочетания масштабируемого дизайна, вдохновлённого биологией, с усовершенствованиями в оптической инженерии.

Оптимизация сбора фотонов в ЛСК сделает солнечные концентраторы более эффективными и адаптированными для разных целей: от крупных установок до интегрированных в здания систем. Это может произвести революцию в солнечной энергетике и сделать её более устойчивой.

Результаты опубликованы в издании Journal of Photonics for Energy.

15.08.2024