مُركِّز شمسي مُضيء

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 2 صور
الموسوعة الحرة
مُركِّز شمسي مُضيء

مُركِّز الطاقة الشمسية المُضيء ( LSC ) هو جهاز لتركيز الإشعاع ، وخاصة الإشعاع الشمسي ، لإنتاج الكهرباء. يعمل مُركِّز الطاقة الشمسية المُضيء على مبدأ تجميع الإشعاع على مساحة واسعة، وتحويله عن طريق التلألؤ (وتحديدًا عن طريق التألق )، وتوجيه الإشعاع المُتولِّد إلى خلايا شمسية ضوئية صغيرة نسبيًا على الحواف. [ 1 ]

مخطط مخطط LSC

تصميم

تتألف التصاميم الأولية عادةً من طبقات رقيقة ومسطحة متوازية من مواد مضيئة وشفافة بالتناوب، موضوعة لتجميع الإشعاع الوارد على أسطحها (الأعرض) وإصدار إشعاع مركز حول حوافها (الأضيق). [ 2 ] [ 3 ] وعادةً ما يوجه الجهاز الإشعاع المركز نحو الخلايا الشمسية لتوليد الطاقة الكهربائية.

قد تكون التكوينات الأخرى (مثل الألياف البصرية المشوبة أو المطلية ، أو الأكوام المحددة من الطبقات المتناوبة) أنسب لتطبيقات معينة.

هيكل ومبادئ التشغيل

قد تتكون الطبقات في المكدس من ألواح متوازية منفصلة أو طبقات متناوبة في بنية صلبة. من حيث المبدأ، إذا كانت مساحة الإدخال الفعالة كبيرة بما يكفي مقارنةً بمساحة الإخراج الفعالة، فسيكون الإخراج ذا إشعاع أعلى من الإدخال، مقاسًا بالواط لكل متر مربع. عامل التركيز هو النسبة بين إشعاع الإخراج وإشعاع الإدخال للجهاز بأكمله.

على سبيل المثال، تخيل لوحًا زجاجيًا مربعًا (أو مجموعة ألواح)  طول ضلعه 200 مم،  وسماكته 5 مم. مساحة مدخله (أي سطح أحد أوجه اللوح المواجه لمصدر الطاقة) أكبر بعشر مرات من مساحة مخرجه (أي سطح الأوجه الأربعة المفتوحة) - 40000 مم مربع (200×200) مقارنةً بـ 4000 مم مربع (200×5×4). كتقريب أولي، يتناسب عامل تركيز مُجمِّع الضوء هذا طرديًا مع مساحة أسطح المدخل مقسومة على مساحة الحواف مضروبة في كفاءة تحويل الضوء الساقط نحو مساحة المخرج. لنفترض أن اللوح الزجاجي قادر على تحويل الضوء الساقط من سطحه نحو الحواف بكفاءة 50%. في هذه الحالة، سيُنتج اللوح الزجاجي الافتراضي في مثالنا إشعاعًا ضوئيًا أكبر بخمس مرات من إشعاع الضوء الساقط، مما يُنتج عامل تركيز يساوي 5.

وبالمثل، قد يكون من المفيد استخدام ألياف بصرية ذات معامل انكسار متدرج بمساحة مقطع عرضي تبلغ 1 مم مربع وطول 1 متر، مع طلاء مضيء.

عامل التركيز مقابل الكفاءة

يتفاعل عامل التركيز مع كفاءة الجهاز لتحديد الناتج الإجمالي.

  • معامل التركيز هو النسبة بين الإشعاع الوارد والإشعاع المنبعث. فإذا كان الإشعاع الوارد 1  كيلوواط/م² والإشعاع المنبعث 10  كيلوواط/م²، فإن معامل التركيز يساوي 10.
  • الكفاءة هي النسبة بين التدفق الإشعاعي الوارد (المقاس بالواط) والطاقة الخارجة، أو نسبة الطاقة الواردة التي يمكن للجهاز توفيرها كطاقة خرج قابلة للاستخدام (وهي تختلف عن الضوء أو الكهرباء، إذ قد لا يكون بعضها قابلاً للاستخدام). في المثال السابق، يُعاد بث نصف الطاقة المستلمة، مما يعني كفاءة بنسبة 50%.

معظم الأجهزة (مثل الخلايا الشمسية) التي تحول الطاقة الواردة إلى طاقة مفيدة صغيرة الحجم نسبيًا ومكلفة، وتعمل بكفاءة عالية عند تحويل الضوء الموجه ذي الكثافة العالية ونطاق التردد الضيق، بينما يميل الإشعاع الوارد إلى أن يكون بترددات منتشرة، وبكثافة منخفضة نسبيًا وتشبع منخفض . لذا، يُعد تركيز الطاقة الواردة أحد الخيارات لتحقيق الكفاءة والاقتصاد.

التلألؤ

يشمل الوصف أعلاه فئة أوسع من المُركِّزات (مثل المُركِّزات البصرية البسيطة) تتجاوز مُركِّزات الطاقة الشمسية المُضيئة. وتتمثل السمة الأساسية لهذه المُركِّزات في احتوائها على مواد مُضيئة تمتص الضوء الساقط ضمن نطاق ترددي واسع، ثم تُعيد إشعاع الطاقة على شكل ضوء ضمن نطاق ترددي ضيق. وكلما ضاق النطاق الترددي (أي كلما زاد التشبع)، كلما أمكن تصميم خلية كهروضوئية أبسط لتحويله إلى كهرباء.

تعمل التصاميم البصرية المناسبة على حصر الضوء المنبعث من المادة المضيئة في جميع الاتجاهات، وإعادة توجيهه بحيث لا يتسرب إلا القليل منه من محولات الخلايا الكهروضوئية . تشمل تقنيات إعادة التوجيه الانعكاس الداخلي ، وتدرجات معامل الانكسار ، وعند الاقتضاء، الانعراج . من حيث المبدأ، يمكن لهذه المحولات الضوئية استخدام الضوء من السماء الملبدة بالغيوم ومصادر الضوء المنتشرة المشابهة التي لا تُجدي نفعًا في تشغيل الخلايا الشمسية التقليدية أو في تركيز الضوء بواسطة العاكسات البصرية التقليدية أو أجهزة الانكسار.

قد يكون المكون المضيء مادة مضافة في مادة بعض أو كل الوسط الشفاف، أو قد يكون على شكل أغشية رقيقة مضيئة على أسطح بعض المكونات الشفافة. [ 4 ]

نظرية مُركِّزات الطاقة الشمسية المُضيئة

تناولت العديد من المقالات نظرية الانعكاس الداخلي للضوء الفلوري بهدف توفير انبعاث مركّز عند الحواف، سواءً للزجاج المُطعّم [ 2 ] أو للأصباغ العضوية المُدمجة في البوليمرات [ 5 ] . عند تطعيم الألواح الشفافة بمواد فلورية، يتطلب التصميم الفعال أن تمتص المواد المُطعّمة معظم الطيف الشمسي، وأن تُعيد إشعاع معظم الطاقة الممتصة على شكل تألق طويل الموجة. في المقابل، يجب أن تكون المكونات الفلورية شفافة للأطوال الموجية المنبعثة. يُمكّن تحقيق هذه الشروط المصفوفة الشفافة من نقل الإشعاع إلى منطقة الإخراج. يمكن التحكم في المسار الداخلي للتألق بالاعتماد على الانعكاس الداخلي المتكرر للضوء الفلوري، وانكساره في وسط ذي معامل انكسار متدرج.

نظريًا، يمكن حصر ما يقارب 75-80  % من الإشعاع الضوئي بواسطة الانعكاس الداخلي الكلي في لوح ذي معامل انكسار يُقارب معامل انكسار زجاج النوافذ العادي. ويمكن تحقيق كفاءة أفضل باستخدام مواد ذات معاملات انكسار أعلى. [ 6 ] من شأن هذا الترتيب، باستخدام جهاز ذي عامل تركيز عالٍ، أن يوفر وفورات كبيرة في الاستثمار في الخلايا الكهروضوئية لإنتاج كمية محددة من الكهرباء. في الظروف المثالية، تبلغ الكفاءة الإجمالية المحسوبة لهذا النظام، أي نسبة الطاقة الخارجة من الخلية الكهروضوئية إلى الطاقة الساقطة على اللوح، حوالي 20%. [ 7 ]

وهذا يأخذ في الاعتبار ما يلي:

  • امتصاص الضوء بواسطة المواد ذات الشفافية المنخفضة في الوسط الشفاف،
  • كفاءة تحويل الضوء بواسطة المكونات المضيئة،
  • هروب الإشعاع الضوئي إلى ما وراء الزاوية الحرجة و
  • الكفاءة الإجمالية (وهي نسبة متوسط ​​الطاقة المنبعثة إلى متوسط ​​الطاقة الممتصة).

الآفاق والتحديات العملية

تُعدّ المزايا النسبية لمختلف المكونات والتكوينات الوظيفية من الشواغل الرئيسية، ولا سيما:

  • توفر الأصباغ العضوية نطاقات تردد أوسع ومرونة أكبر في اختيار الترددات المنبعثة والممتصة مقارنةً بمركبات العناصر الأرضية النادرة وغيرها من عوامل الإضاءة غير العضوية. [ 8 ] [ 9 ]
  • تعتبر عملية تطعيم البوليمرات العضوية عملية بشكل عام باستخدام عوامل الإضاءة العضوية، في حين أن عملية التطعيم باستخدام عوامل الإضاءة غير العضوية المستقرة عادة ما تكون غير عملية إلا في الزجاج غير العضوي.
  • تتميز العوامل المضيئة المصممة كتطعيم شامل لوسط شفاف بمزايا تختلف عن مزايا الأغشية الرقيقة المترسبة على وسط شفاف.
  • تتميز وسائط الاحتجاز المختلفة بمزيج متفاوت من المتانة والشفافية والتوافق مع المواد الأخرى ومعامل الانكسار. وتُشكل وسائط الزجاج غير العضوي والبوليمرات العضوية الفئتين الرئيسيتين محل الاهتمام.
  • تُنشئ الأنظمة الضوئية فجوات نطاقية تحبس الإشعاع. [ 10 ]
  • يُعدّ تحديد المواد التي تعيد إصدار المزيد من الضوء الداخل كمصدر إضاءة مفيد مع امتصاص ذاتي ضئيل أمرًا بالغ الأهمية. ويعتمد تحقيق هذا الوضع المثالي على ضبط مستويات طاقة الإثارة الإلكترونية ذات الصلة لتختلف عن مستويات الانبعاث في الوسط المضيء. [ 11 ]
  • بدلاً من ذلك، يمكن تشكيل المواد المضيئة في أغشية رقيقة تنبعث منها الضوء إلى وسائط سلبية شفافة يمكنها التوصيل بكفاءة نحو المخرج.
  • يجب أن تتطابق حساسية الخلايا الشمسية مع طيف الانبعاث الأقصى للمواد الملونة المضيئة.
  • زيادة احتمالية الانتقال من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة للبلازمونات السطحية تزيد من الكفاءة.

يمكن استخدام مُركِّزات الطاقة الشمسية المُضيئة لدمج أجهزة حصاد الطاقة الشمسية في واجهات المباني في المدن. [ 12 ]

التطورات

مُركِّزات شمسية شفافة مضيئة

في عام 2013، عرض باحثون في جامعة ولاية ميشيغان أول مُركِّزات شمسية مضيئة شفافة مرئية. [ 13 ] تتكون هذه الأجهزة من مزيج من عناقيد نانوية من هاليدات المعادن الفسفورية (أو النقاط الكمومية ) التي تُظهر إزاحة ستوكس هائلة (أو تحويلًا تنازليًا) وتمتص الأشعة فوق البنفسجية بشكل انتقائي وتُصدر ضوءًا قريبًا من الأشعة تحت الحمراء، مما يسمح بالحصاد الانتقائي، وتحسين كفاءة إعادة الامتصاص، وشفافية كاملة في الطيف المرئي . في العام التالي، عرض هؤلاء الباحثون مُركِّزات شمسية مضيئة شفافة مرئية تحصد الأشعة تحت الحمراء القريبة باستخدام مشتقات الأملاح العضوية المضيئة. [ 14 ] تُظهر هذه الأجهزة شفافية مرئية واضحة تُشبه شفافية الزجاج وكفاءة تحويل طاقة تقارب 0.5%. في هذا التكوين، يُمكن تحقيق كفاءات تزيد عن 10% نظرًا للجزء الكبير من تدفق الفوتونات في طيف الأشعة تحت الحمراء القريبة. [ 14 ]

النقاط الكمومية

تم الإعلان عن LSCs القائمة على سيلينيد الكادميوم / كبريتيد الزنك (CdSe / ZnS) ونقاط الكم سيلينيد الكادميوم / كبريتيد الكادميوم (CdSe / CdS ) مع فصل كبير مستحث بين نطاقات الانبعاث والامتصاص (يسمى إزاحة ستوكس الكبيرة ) في عامي 2007 و 2014 على التوالي [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ].

يهيمن على امتصاص الضوء غلاف خارجي فائق السماكة من كبريتيد الكادميوم (CdS)، بينما ينبعث الضوء من اللب الداخلي لكبريتيد سيلينيد الكادميوم (CdSe) ذي فجوة طاقة أضيق. ويؤدي فصل وظيفتي امتصاص الضوء وانبعاثه بين جزئي البنية النانوية إلى انزياح طيفي كبير للانبعاث مقارنةً بالامتصاص، مما يقلل بشكل كبير من فقدان إعادة الامتصاص. دُمجت النقاط الكمومية في ألواح كبيرة (بأحجام تصل إلى عشرات السنتيمترات) من بولي (ميثيل ميثاكريلات) (PMMA). وبلغ قطر الجسيمات النشطة حوالي مئة أنغستروم. [ 16 ]

أشارت القياسات الطيفية إلى انعدام فقدان إعادة الامتصاص تقريبًا على مسافات تصل إلى عشرات السنتيمترات. وبلغت كفاءة حصاد الفوتونات حوالي 10%. وعلى الرغم من شفافيتها العالية، أظهرت الهياكل المصنعة تحسنًا ملحوظًا في التدفق الشمسي بمعامل تركيز يزيد عن أربعة. [ 16 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ريتشاردز، برايس س.؛ هوارد، إيان أ. (2023). "مُركِّزات الطاقة الشمسية المُضيئة لأنظمة الخلايا الكهروضوئية المُدمجة في المباني: الفرص والتحديات" . مجلة الطاقة والعلوم البيئية . 16 (8): 3214-3239 . Bibcode : 2023EnEnS..16.3214R . doi : 10.1039/D3EE00331K . ISSN 1754-5692 . 
  2. 1 2 ريسفيلد، ريناتا ؛ نيومان، صموئيل (13 يوليو 1978). "محول ومُركِّز طاقة شمسية مُسطَّح قائم على زجاج مُطعَّم باليورانيل". مجلة نيتشر . 274 (5667): 144-145 . Bibcode : 1978Natur.274..144R . doi : 10.1038/274144a0 . S2CID 4188054 . 
  3. ↑ ريسفيلد، ريناتا؛ كاليسكي، يهوشوا (1980). "محول شمسي مستوٍ مُحسَّن قائم على زجاج اليورانيل والنيوديميوم والهولميوم". مجلة نيتشر . 283 (5744): 281-282 . Bibcode : 1980Natur.283..281R . doi : 10.1038/283281a0 . S2CID 4311504 . 
  4. ↑ ريسفيلد، ريناتا (يوليو 2010). "تطورات جديدة في مجال الإضاءة لاستخدام الطاقة الشمسية". المواد البصرية . 32 (9): 850-856 . Bibcode : 2010OptMa..32..850R . doi : 10.1016/j.optmat.2010.04.034 .
  5. ↑ غوتزبيرغر، أ.؛ غرويب، و. (1977). "تحويل الطاقة الشمسية باستخدام جامعات فلورية". الفيزياء التطبيقية . 14 (2): 123. Bibcode : 1977ApPhy..14..123G . doi : 10.1007/BF00883080 . S2CID 137388026 . 
  6. ↑ ريسفيلد، ريناتا ؛ شامراكوف، ديمتري؛ يورغنسن، كريستيان (أغسطس 1994). "مُركِّزات شمسية مستقرة ضوئيًا تعتمد على أغشية زجاجية فلورية". مواد الطاقة الشمسية والخلايا الشمسية . 33 (4): 417-427 . Bibcode : 1994SEMSC..33..417R . doi : 10.1016/0927-0248(94)90002-7 .
  7. ^ ريسفيلد، ريناتا ؛ يورجنسن، كريستيان ك. (1982). مركزات الطاقة الشمسية المضيئة لتحويل الطاقة . المجلد. 49. الصفحات من 1 إلى 36. دوى : 10.1007/BFb0111291 . رقم ISBN   978-3-540-11084-2.{{cite book}}تم |journal=تجاهله ( مساعدة )
  8. ↑ ريسفيلد، ريناتا ؛ يورغنسن، كريستيان هـ. (1977). "الليزر والحالات المثارة للعناصر الأرضية النادرة". مفاهيم الكيمياء غير العضوية . 82 (8): 844. doi : 10.1002/bbpc.19780820820 . ISSN 0172-7966 . 
  9. ↑ غافت، مايكل ؛ ريسفيلد، ريناتا؛ بانكزر، جيرارد (20 أبريل 2005). مطيافية التألق الحديثة للمعادن والمواد . سبرينغر. ص 3. ISBN  978-3-540-21918-7.
  10. ↑ "م. بيترز، ج. س. غولدشميت، ب. لوبير، ب. بلازي، و أ. غومبرت؛ تأثير الهياكل الفوتونية على كفاءة توجيه الضوء في مُركِّزات الفلورسنت؛ مجلة الفيزياء التطبيقية 105، 014909 (2009)" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 15 مايو 2016. تم الاطلاع عليه بتاريخ 31 مايو 2011 .
  11. ↑ ساريداروف، ت.؛ ليفشينكو، ف.؛ غرابوفسكا، أ.؛ بوروفيتش، ب.؛ ريسفيلد، ر. (2010). "مواد غير ذاتية الامتصاص لمُركِّزات الطاقة الشمسية المُضيئة (LSC)". رسائل الفيزياء الكيميائية . 492 (1): 60. Bibcode : 2010CPL...492...60S . doi : 10.1016/j.cplett.2010.03.087 .
  12. ↑ ميناردي، فرانشيسكو؛ بروني، فرانشيسكو؛ بروفيللي، سيرجيو (21 نوفمبر 2017). "مُركِّزات الطاقة الشمسية المُضيئة للخلايا الكهروضوئية المُدمجة في المباني". مجلة Nature Reviews Materials . 2 (12): 17072. Bibcode : 2017NatRM...217072M . doi : 10.1038/natrevmats.2017.72 . S2CID 139626069 . 
  13. ↑ تشاو، ييمو؛ لونت، ريتشارد ر. (2013). "مُركِّزات شمسية شفافة مُضيئة للنوافذ الشمسية واسعة المساحة بفضل فوسفورات التجمعات النانوية ذات إزاحة ستوكس الضخمة". مواد الطاقة المتقدمة . 3 (9): 1143-1148 . Bibcode : 2013AdEnM...3.1143Z . doi : 10.1002/aenm.201300173 . S2CID 98517757 . 
  14. 1 2 تشاو، ييمو؛ ميك، غاريت أ.؛ ليفين، بنجامين ج.؛ لونت، ريتشارد ر. (2014). "مُركِّزات شمسية شفافة مُضيئة لحصاد الأشعة تحت الحمراء القريبة". مواد بصرية متقدمة . 2 (7): 606-611 . doi : 10.1002/adom.201400103 . S2CID 96019390 . 
  15. ↑ غالاغر، سارة؛ روان، بريندا؛ دوران، جون؛ نورتون، برايان (2007). "مُركِّز الطاقة الشمسية بالنقاط الكمومية: تحسين الجهاز باستخدام تقنيات التحليل الطيفي". الطاقة الشمسية . 81 (4): 540-547 . Bibcode : 2007SoEn...81..540G . doi : 10.1016/j.solener.2006.07.006 .
  16. 1 2 3 نانسي أمبروزيانو (14 أبريل 2014). "نقاط الكم اللامعة تُنير مستقبل الخلايا الشمسية" . البحث والتطوير . تم الاطلاع عليه بتاريخ 16 يونيو 2014 .
  17. ↑ ميناردي، فرانشيسكو؛ كولومبو، أناليزا؛ فيليزهانين، كيريل أ.؛ سيمونوتي، روبرتو؛ لورينزون، مونيكا؛ بيفيرينا، لوكا؛ فيسواناثا، رانجاني؛ كليموف، فيكتور إ.؛ بروفيللي، سيرجيو (2014). "مُركِّزات شمسية مُضيئة واسعة المساحة تعتمد على بلورات نانوية مُهندسة بتقنية إزاحة ستوكس في مصفوفة PMMA مُبلمرة بالكتلة". Nature Photonics . 8 (5): 392–399 . Bibcode : 2014NaPho...8..392M . doi : 10.1038/nphoton.2014.54 . S2CID 122956733 . 

للمزيد من القراءة

مؤلفون آخرون: