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 una gran superficie, convertirla por luminiscencia (en concreto, por fluorescencia ) y dirigir la radiación generada hacia células solares fotovoltaicas relativamente pequeñas en los bordes. [1]
Diagrama del esquema LSC
Diseño
Los diseños iniciales generalmente comprendían capas delgadas y planas paralelas de materiales luminiscentes y transparentes alternados, colocados para recoger la radiación entrante en sus caras (más anchas) y emitir radiación concentrada alrededor de sus bordes (más estrechos). [2] [3] Normalmente, el dispositivo dirigía 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 alternados en una estructura sólida. En principio, si el área de entrada efectiva es suficientemente grande en relación con el área de salida efectiva, la salida tendría una irradiancia correspondientemente mayor que la entrada, medida en vatios por metro cuadrado. El factor de concentración es la relación entre la irradiancia de salida y la de entrada de todo el dispositivo.
Por ejemplo, imaginemos una lámina de vidrio cuadrada (o pila) de 200 mm de lado y 5 mm de espesor. Su área de entrada (por ejemplo, la superficie de una sola cara de la lámina 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 dicha lámina de vidrio es proporcional al área de las superficies de entrada dividida por el área de los bordes multiplicado 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 lámina de vidrio hipotética de nuestro ejemplo daría una irradiancia de luz de salida 5 veces mayor que la de la luz incidente, produciendo un factor de concentración de 5.
De manera similar, podría resultar útil una fibra óptica con índice de refracción graduado de 1 mm2 de sección transversal y 1 metro de longitud, con un revestimiento luminiscente.
Factor de concentración versus eficiencia
El factor de concentración interactúa con la eficiencia del dispositivo para determinar el resultado general.
El factor de concentración es la relación entre la irradiancia entrante y la irradiancia emitida. Si la irradiancia de entrada es de 1 kW/m2 y la irradiancia de salida es de 10 kW/m2, esto daría como resultado 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 utilizables). 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) que convierten la energía entrante en energía útil son relativamente pequeños y costosos, y funcionan mejor al convertir luz direccional a altas intensidades y en un rango de frecuencias estrecho, mientras que la radiación de entrada tiende a estar en frecuencias difusas, de irradiancia y saturación relativamente bajas . La concentración 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 con un amplio rango de frecuencias y reemiten la energía en forma de luz en un rango de frecuencias estrecho. Cuanto más estrecho sea el rango de frecuencias (es decir, cuanto mayor sea la saturación), más simple será el diseño de una célula fotovoltaica para convertirla en electricidad.
Los diseños ópticos adecuados atrapan la luz emitida por el material luminiscente en todas las direcciones y la redirigen de modo que apenas se escape de los convertidores fotovoltaicos . Las técnicas de redirección incluyen la reflexión interna , los gradientes de índice de refracción y, cuando sea adecuado, la difracción . En principio, estos LSC pueden utilizar la 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 o dispositivos refractarios convencionales.
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 en 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 colorantes orgánicos incorporados en polímeros a granel. [5] Cuando las placas transparentes se dopan con materiales fluorescentes, el diseño efectivo 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 deben ser transparentes a las longitudes de onda emitidas. El cumplimiento de estas 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 la refracción en un medio con un índice de refracción graduado.
En teoría, entre el 75 y el 80 % de la luminiscencia podría quedar atrapada por la reflexión interna total en una placa con un índice de refracción aproximadamente igual al del vidrio de una ventana típica. 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 factor de concentración alto debería ofrecer economías impresionantes en la inversión en células fotovoltaicas para producir una cantidad dada 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 alrededor del 20 %. [7]
Esto tiene en cuenta:
la absorción de luz por materiales poco transparentes en el medio transparente,
la eficiencia de la conversión de la 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 media emitida y la energía media absorbida).
Perspectivas y desafíos prácticos
Los méritos relativos de los distintos componentes y configuraciones funcionales son de gran importancia, en particular:
Los colorantes orgánicos ofrecen rangos más amplios de frecuencias 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 dopaje de polímeros orgánicos generalmente es práctico con agentes luminiscentes orgánicos, mientras que el dopaje con agentes luminiscentes inorgánicos estables generalmente no es práctico, excepto en vidrios inorgánicos.
Los agentes luminiscentes configurados como dopaje en masa de un medio transparente tienen ventajas que difieren de las de las películas delgadas depositadas sobre un medio transparente.
Los distintos medios de captura presentan distintas combinaciones de durabilidad, transparencia, compatibilidad con otros materiales e índice de refracción. Los medios de vidrio inorgánico y polímero orgánico comprenden las dos clases principales de interés.
Los sistemas fotónicos crean brechas de banda que atrapan la radiación. [10]
Es fundamental identificar materiales que reemitan más luz de entrada como luminiscencia útil con una autoabsorción despreciable. Para alcanzar ese ideal es necesario ajustar los niveles de energía de excitación electrónica pertinentes 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 nanocúmulos de haluro metálico fosforescente (o puntos cuánticos ) que exhiben un desplazamiento de Stokes masivo (o conversión descendente) y que absorben selectivamente la luz ultravioleta y emiten luz infrarroja cercana, lo que permite una recolección selectiva, una eficiencia de reabsorción mejorada y una transparencia sin tintes en el espectro visible. El año siguiente, estos investigadores demostraron concentradores solares luminiscentes visiblemente transparentes que recolectan luz infrarroja cercana utilizando derivados de sales orgánicas 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 de más del 10% debido a la gran fracción de flujo de fotones en el espectro 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 ultra gruesa de CdS, mientras que la emisión se produce desde el núcleo interno de un CdSe con una separación más estrecha. La separación de las funciones de absorción y emisión de luz entre las dos partes de la nanoestructura da como resultado un gran desplazamiento espectral de la emisión con respecto a la absorción, lo que reduce en gran medida las pérdidas por reabsorción. Los puntos cuánticos se incorporaron en grandes placas (de un tamaño de decenas de centímetros) de poli(metacrilato de metilo) (PMMA). Las partículas activas tenían un diámetro de unos cien angstroms. [16]
Las mediciones espectroscópicas indicaron que prácticamente no había pérdidas por reabsorción a distancias de decenas de centímetros. La eficiencia de recolección de fotones fue de aproximadamente el 10%. A pesar de su alta transparencia, las estructuras fabricadas mostraron una mejora significativa del flujo solar con un factor de concentración de más de cuatro. [16]
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Lectura adicional
Materiales sol-gel de fuerte emisión basados en la interacción de colorantes luminiscentes y complejos de lantánidos con nanopartículas de plata
Análisis teórico y experimental de estructuras fotónicas para concentradores fluorescentes con eficiencias incrementadas
Transferencia de energía de excitación optimizada en un concentrador solar luminiscente de tres colorantes
Concentradores solares orgánicos de alta eficiencia para energía fotovoltaica
Límites de eficiencia de los colectores fluorescentes fotovoltaicos
Un concentrador solar luminiscente con una eficiencia de conversión de energía del 7,1 %
Maximizar la salida de luz de un concentrador solar luminiscente
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". Optics Express . 16 (26): 21773–21792. Bibcode :2008OExpr..1621773V. doi :10.1364/OE.16.021773. hdl : 1874/32994 . PMID 19104611.
Control de la emisión de luz en concentradores solares luminiscentes mediante el uso de moléculas de colorante alineadas de manera plana mediante cristales líquidos
El efecto de las estructuras fotónicas en la eficiencia de guía de luz de los concentradores fluorescentes
Aumentar la eficiencia de los sistemas concentradores fluorescentes
[2,2′-bipiridil]-3,3′-diol fuertemente modificado (BP(OH)2): un sistema que experimenta transferencia intramolecular de protones en estado excitado como fotoestabilizador de polímeros y como colector de energía solar
Fluorescencia controlada por plasmones: un nuevo paradigma en espectroscopia de fluorescencia
Compuestos sol-gel orgánicos-inorgánicos que incorporan nanocristales semiconductores para aplicaciones de ganancia óptica
Enlaces externos
Julia Layton (5 de noviembre de 2008). "¿Podrían los concentradores solares luminiscentes hacer que la energía solar sea más asequible?". Sitio web How Stuff Works . Consultado el 13 de junio de 2011 .
Renata Reisfeld (julio de 2010). «Concentradores solares luminiscentes que suministran electricidad a los edificios del futuro» (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 el proceso sol-gel". Sitio web Sol-Gel Gateway . Consultado el 14 de junio de 2011 .
Marc Baldo (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 .
