Un concentrador solar luminiscente ( LSC ) es un dispositivo para concentrar la radiación , en particular la radiación solar , para producir electricidad. Los concentradores solares luminiscentes funcionan según el principio de recoger la radiación en un área grande, convertirla mediante luminiscencia (específicamente mediante fluorescencia ) y dirigir la radiación generada hacia células solares fotovoltaicas relativamente pequeñas en los bordes. [1]
Diagrama del esquema LSC
Diseño
Los diseños iniciales normalmente comprendían capas delgadas y planas paralelas de materiales luminiscentes y transparentes alternos, colocadas para recoger la radiación entrante en sus caras (más amplias) y emitir radiación concentrada alrededor de sus bordes (más estrechos). [2] [3] Comúnmente, el dispositivo dirigiría la radiación concentrada hacia las células solares para generar energía eléctrica.
Otras configuraciones (como fibras ópticas dopadas o recubiertas , o pilas contorneadas de capas alternas) pueden adaptarse mejor a aplicaciones particulares.
Estructura y principios de funcionamiento.
Las capas de la pila pueden ser placas paralelas separadas o estratos alternos en una estructura sólida. En principio, si el área efectiva de entrada es suficientemente grande en relación con el área efectiva de salida, la salida sería correspondientemente de mayor irradiancia que la entrada, medida en vatios por metro cuadrado. El factor de concentración es la relación entre la irradiancia de salida y de entrada de todo el dispositivo.
Por ejemplo, imagine una lámina (o pila) de vidrio cuadrada de 200 mm de lado y 5 mm de espesor. Su área de entrada (por ejemplo, la superficie de una sola cara de la hoja orientada hacia la fuente de energía) es 10 veces mayor que el área de salida (por ejemplo, la superficie de cuatro lados abiertos): 40000 mm cuadrados (200x200) en comparación con 4000 mm cuadrados (200x5x4). En una primera aproximación, el factor de concentración de dicho LSC es proporcional al área de las superficies de entrada dividida por el área de los bordes multiplicada por la eficiencia de desviación de la luz entrante hacia el área de salida. Supongamos que la lámina de vidrio pudiera desviar la luz entrante desde la cara hacia los bordes con una eficiencia del 50%. La hipotética lámina de vidrio de nuestro ejemplo daría una irradiancia de luz de salida 5 veces mayor que la de la luz incidente, lo que produciría un factor de concentración de 5.
De manera similar, podría resultar útil una fibra óptica con índice de refracción graduado, de 1 mm cuadrado de sección transversal y 1 metro de largo, con un revestimiento luminiscente.
Factor de concentración versus eficiencia
El factor de concentración interactúa con la eficiencia del dispositivo para determinar la producción general.
El factor de concentración es la relación entre la irradiancia entrante y emitida. Si la irradiancia de entrada es de 1 kW/m2 y la irradiancia de salida es de 10 kW/m2, eso proporcionaría un factor de concentración de 10.
La eficiencia es la relación entre el flujo radiante entrante (medido en vatios) y la potencia saliente, o la fracción de la energía entrante que el dispositivo puede entregar como energía de salida utilizable (no es lo mismo que la luz o la electricidad, algunas de las cuales podrían no ser utilizable). En el ejemplo anterior, la mitad de la potencia recibida se reemite, lo que implica una eficiencia del 50%.
La mayoría de los dispositivos (como las células solares) para convertir la energía entrante en salida útil son relativamente pequeños y costosos, y funcionan mejor para convertir la luz direccional a altas intensidades y un rango de frecuencia estrecho, mientras que la radiación de entrada tiende a ser en frecuencias difusas, por supuesto. irradiancia y saturación relativamente bajas . La concentración correspondiente de la energía de entrada es una opción para lograr eficiencia y economía.
Luminiscencia
La descripción anterior cubre una clase más amplia de concentradores (por ejemplo, concentradores ópticos simples) que los simples concentradores solares luminiscentes. El atributo esencial de los LSC es que incorporan materiales luminiscentes que absorben la luz entrante en un amplio rango de frecuencia y reemiten la energía en forma de luz en un rango de frecuencia estrecho. Cuanto más estrecho sea el rango de frecuencia (es decir, cuanto mayor sea la saturación), más sencilla podrá diseñarse una célula fotovoltaica para convertirla en electricidad.
Los diseños ópticos adecuados atrapan la luz emitida por el material luminiscente en todas direcciones, redirigiéndola de modo que poco escape a los convertidores fotovoltaicos . Las técnicas de redirección incluyen reflexión interna , gradientes de índice de refracción y, cuando sea adecuado, difracción . En principio, estos LSC pueden utilizar luz de cielos nublados y fuentes difusas similares que son de poca utilidad para alimentar células solares convencionales o para la concentración mediante reflectores ópticos convencionales o dispositivos refractivos.
El componente luminiscente podría ser un dopante en el material de parte o de todo el medio transparente, o podría estar en forma de películas delgadas luminiscentes sobre las superficies de algunos de los componentes transparentes. [4]
Teoría de los concentradores solares luminiscentes.
Varios artículos han discutido la teoría de la reflexión interna de la luz fluorescente para proporcionar una emisión concentrada en los bordes, tanto para vidrios dopados [2] como para tintes orgánicos incorporados en polímeros en masa. [5] Cuando las placas transparentes están dopadas con materiales fluorescentes, un diseño eficaz requiere que los dopantes absorban la mayor parte del espectro solar, reemitiendo la mayor parte de la energía absorbida como luminiscencia de onda larga. A su vez, los componentes fluorescentes deberían ser transparentes a las longitudes de onda emitidas. Cumplir esas condiciones permite que la matriz transparente transmita la radiación al área de salida. El control de la trayectoria interna de la luminiscencia podría depender de la reflexión interna repetida de la luz fluorescente y de la refracción en un medio con un índice de refracción graduado.
En teoría, alrededor del 75-80 % de la luminiscencia podría quedar atrapada por reflexión interna total en una placa con un índice de refracción aproximadamente igual al del vidrio de ventana típico. Se podría lograr una eficiencia algo mejor utilizando materiales con índices de refracción más altos. [6] Una disposición de este tipo que utilice un dispositivo con un alto factor de concentración debería ofrecer economías impresionantes en la inversión en células fotovoltaicas para producir una cantidad determinada de electricidad. En condiciones ideales, la eficiencia global calculada de un sistema de este tipo, en el sentido de la cantidad de energía que sale de la célula fotovoltaica dividida por la energía que cae sobre la placa, debería ser de aproximadamente el 20%. [7]
Esto tiene en cuenta:
la absorción de luz por materiales poco transparentes en el medio transparente,
la eficiencia de la conversión de luz por los componentes luminiscentes,
el escape de la luminiscencia más allá del ángulo crítico y
eficiencia bruta (que es la relación entre la energía promedio emitida y la energía promedio absorbida).
Perspectivas y desafíos prácticos
Las ventajas relativas de los diversos componentes funcionales y configuraciones son motivo de preocupación importante, en particular:
Los tintes orgánicos ofrecen rangos de frecuencias más amplios y más flexibilidad en la elección de frecuencias emitidas y reabsorbidas que los compuestos de tierras raras y otros agentes luminiscentes inorgánicos. [8] [9]
El dopado de polímeros orgánicos es generalmente práctico con agentes luminiscentes orgánicos, mientras que el dopado con agentes luminiscentes inorgánicos estables normalmente no es práctico excepto en vidrios inorgánicos.
Los agentes luminiscentes configurados como dopaje masivo de un medio transparente tienen ventajas que difieren de las de las películas delgadas depositadas sobre un medio transparente.
Varios medios de captura presentan distintas combinaciones de durabilidad, transparencia, compatibilidad con otros materiales e índice de refracción. Los medios de vidrio inorgánico y polímeros orgánicos comprenden las dos clases principales de interés.
Los sistemas fotónicos crean bandas prohibidas que atrapan la radiación. [10]
Es crucial identificar materiales que reemitan más luz de entrada como luminiscencia útil con una autoabsorción insignificante. El logro de ese ideal depende de ajustar los niveles de energía de excitación electrónica relevantes para que difieran de los niveles de emisión en el medio luminiscente. [11]
Alternativamente, los materiales luminiscentes se pueden configurar en películas delgadas que emiten luz en medios pasivos transparentes que pueden conducir eficientemente hacia la salida.
La sensibilidad de las células solares debe coincidir con el espectro de emisión máximo de los colorantes luminiscentes.
Aumentar la probabilidad de transición del estado fundamental al estado excitado de los plasmones de superficie aumenta la eficiencia.
Los concentradores solares luminiscentes podrían utilizarse para integrar dispositivos de captación de energía solar en las fachadas de los edificios de las ciudades. [12]
En 2013, investigadores de la Universidad Estatal de Michigan demostraron los primeros concentradores solares luminiscentes visiblemente transparentes. [13] Estos dispositivos estaban compuestos de mezclas de nanoclusters de haluros metálicos fosforescentes (o puntos cuánticos ) que exhiben un desplazamiento masivo de Stokes (o conversión descendente) y que absorben selectivamente los rayos ultravioleta y emiten luz infrarroja cercana, lo que permite la recolección selectiva, una eficiencia de reabsorción mejorada y no -Transparencia teñida en el espectro visible. Al año siguiente, estos investigadores demostraron la recolección en el infrarrojo cercano de concentradores solares luminiscentes visiblemente transparentes mediante el uso de derivados de sal orgánica luminiscentes. [14] Estos dispositivos exhiben una transparencia visible clara similar a la del vidrio y una eficiencia de conversión de energía cercana al 0,5%. En esta configuración son posibles eficiencias superiores al 10% debido a la gran fracción de flujo de fotones en el espectro del infrarrojo cercano. [14]
Puntos cuánticos
Los LSC basados en puntos cuánticos (QD ) de seleniuro de cadmio/sulfuro de zinc (CdSe/ZnS) y seleniuro de cadmio/sulfuro de cadmio (CdSe/CdS) con una gran separación inducida entre las bandas de emisión y absorción (llamada gran desplazamiento de Stokes ) se anunciaron en 2007 y 2014 respectivamente [15] [16] [17]
La absorción de luz está dominada por una capa exterior ultragruesa de CdS, mientras que la emisión se produce desde el núcleo interno de una capa más estrecha de CdSe. La separación de las funciones de absorción y emisión de luz entre las dos partes de la nanoestructura da como resultado un gran cambio espectral de emisión con respecto a la absorción, lo que reduce en gran medida las pérdidas por reabsorción. Los QD se incorporaron en grandes placas (de un tamaño de decenas de centímetros) de poli(metacrilato de metilo) (PMMA). Las partículas activas tenían unos cien angstroms de diámetro. [dieciséis]
Las mediciones espectroscópicas prácticamente no indicaron pérdidas por reabsorción en distancias de decenas de centímetros. Las eficiencias de recolección de fotones fueron aproximadamente del 10%. A pesar de su alta transparencia, las estructuras fabricadas mostraron un aumento significativo del flujo solar con un factor de concentración de más de cuatro. [dieciséis]
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Otras lecturas
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Caracterización y reducción de pérdidas por reabsorción en concentradores solares luminiscentes.
Wilfried G. Van Sark; et al. (22 de diciembre de 2008). "Concentradores solares luminiscentes: una revisión de resultados recientes". Óptica Express . 16 (26): 21773–21792. Código Bib : 2008OExpr..1621773V. doi :10.1364/OE.16.021773. hdl : 1874/32994 . PMID 19104611.
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enlaces externos
Julia Layton (5 de noviembre de 2008). "¿Podrían los concentradores solares luminiscentes hacer que la energía solar sea más asequible?". Sitio web Cómo funcionan las cosas . Consultado el 13 de junio de 2011 .
Renata Reisfeld (julio de 2010). "Concentradores solares luminiscentes que suministran electricidad para futuros edificios" (PDF) . Archivado desde el original (PDF) el 30 de agosto de 2011 . Consultado el 13 de junio de 2011 .
Renata Reisfeld. "Concentradores solares luminiscentes obtenidos mediante proceso sol-gel". Sitio web de Sol-Gel Gateway . Consultado el 14 de junio de 2011 .
Marc Baldó (19 de mayo de 2009). "Explicación de los concentradores solares luminiscentes". vídeo de la conferencia . MIT . Archivado desde el original el 24 de octubre de 2011 . Consultado el 14 de junio de 2011 .
