Solární koncentrátory se stále vyvíjejí a nabízejí inovativní pokroky, které zlepšují škálování a účinnost solárních energetických systémů. Jedním z nich jsou luminiscenční solární koncentrátory (LSC).
Ty byly vynalezeny v 70. letech 20. století, ale teprve nyní se dočkaly revoluce. Vědci z japonské univerzity Ritsumeikan navrhli konstrukční studii nazvanou „listový LSC“, která se při řešení zbývajících problémů spoléhá spíše na přírodu a otevírá nové možnosti v technologii solární energie.
Tradiční solární kolektory mají omezené využití
Většina koncentračních solárních kolektorů závisí na zrcadlech a čočkách, které soustřeďují sluneční paprsky na fotovoltaické (FV) články. Tato metoda funguje dobře, ale mají nízkou účinnost při sběru rozptýleného světla a nedají se dobře integrovat do městského prostředí.
Luminiscenční solární koncentrátory (LSC) tato omezení obcházejí pomocí luminiscenčních materiálů, které pohlcují sluneční světlo a poté emitují tyto pohlcené fotony fotoluminiscenčně směrem k fotovoltaickým článkům pro přeměnu energie. Jedním z nejvýznamnějších problémů LSC je škálovatelnost pro větší plochy. Jedním z hlavních problémů je samoabsorpce, ke které dochází, když jsou zpětně absorbované fotony znovu pohlceny ve vlnovodu a tato samoabsorpce snižuje celkovou účinnost.
Související článek
https://twitter.com/ThomasFrey/status/1824805331374931976?v=2
Proto se LSC omezily na omezený počet výklenkových aplikací, jako je fotovoltaika integrovaná do budov, kde jejich poloprůhledné, barevné provedení představuje estetický bonus oproti pouhé výrobě energie.
Průlom v oblasti solární energie inspirovaný stromy
Aby vyřešili problémy se škálovatelností, přišli výzkumníci s listovým LSC, který připomíná design stromu. Jedná se o malé luminiscenční destičky („listy“) kolem centrálního luminiscenčního vlákna („kmen“). Přicházející fotony by byly těmito destičkami absorbovány a následně přeměněny na PL fotony a vedeny vláknem do fotovoltaického článku na jeho špičce.
Vynikající je, že konstrukce je modulární na všech úrovních, čímž se nesmírně zvyšuje účinnost. Dramatický je totiž efekt zmenšení plochy jednotlivých světlosběrných destiček. Například zkrácení listové LSC z 50 mm na 10 mm na jedné z jejích stran znamená výrazný rozdíl v účinnosti.
Kromě toho má jeho modulární systém potenciál z hlediska údržby, protože výměna poškozených dílů je snadná a zároveň se zabudování vylepšených luminiscenčních materiálů provádí tak, jak přicházejí, bez větších potíží.
Účinnost systému se dále zvyšuje díky technikám z tradičních LSC, jako jsou okrajová zrcadla a tandemové struktury. Ztráty fotonů prostřednictvím samoabsorpce a rozptylu by minimalizovaly množství dostupného světla vstupujícího do fotovoltaických článků. Světlovody, které linearizují několik vláken k jednomu PV článku, zvyšují dopadající plochu – náhodně zachycenou energii při zachování vysoké účinnosti.
Když se účinnost snoubí s přesností
Ve skutečnosti je systém Leaf LSC stejně zásadní jako jakýkoli průlom v oblasti solární energie a oblast důsledků sahá daleko za jeho inovativní konstrukci. Podle pokročilých analytických metod v experimentech popsaných v časopise Journal of Photonics for Energy lze vypočítat optickou účinnost tohoto listového LSC.
Tato přesnost umožňuje výzkumníkům optimalizovat výkon na základě spektra a intenzity slunečního světla.
„Kombinací škálovatelných, bioinspirovaných návrhů s vylepšeními v optickém inženýrství autoři zvýšili účinnost svých zařízení směrem k tomu, co je potřeba pro praktické využití,“ řekl Sean Shaheen, šéfredaktor časopisu JPE.
Instalace listu LSC z něj nedělá ideální možnost obnovitelných zdrojů pouze pro malé instalace, ale také pro větší projekty a fotovoltaiku integrovanou do budov. Díky této schopnosti sbírat rozptýlené světlo je důležitou možností ve městech, kde je často obtížné integrovat systémy obnovitelné energie do stávající infrastruktury.
Systém leaf LSC výrazně posouvá solární systém v oblasti škálovatelnosti i účinnosti pro reálná řešení obnovitelných zdrojů energie. Díky bioinspirovanému designu a pokročilému inženýrství může využít solární koncentrátory jako základ udržitelného energetického systému pro čistší a světlejší budoucnost.