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Was ist ein Lumineszenz-Solarkonzentrator?

Ein Lumineszenz- Solarkonzentrator (LSC) ist ein Gerät, das Sonnenlicht zur Erzeugung elektrischer Energie absorbieren und konzentrieren kann. Lumineszierende Solarkonzentratoren erfassen die Sonnenstrahlung großflächig. Anschließend wandeln sie diese Strahlung in Lumineszenz um und lenken sie auf ein kleineres Ziel.

Was ist ein Lumineszenz-Solarkonzentrator?

Das Akronym LSC stammt vom englischen Luminiscent Solar Concentrator.

LSC-Module sind billiger als klassische Photovoltaik-Module. Tatsächlich bestehen sie aus Kunststoff- oder Glasplatten, auf denen sich die Lumineszenzmoleküle ablagern.

Die Technologie dieser Form erneuerbarer Energien ist seit den 1960er Jahren bekannt, wurde jedoch aufgrund der geringen Effizienz und der Schwierigkeiten bei der Herstellung geeigneter Farbstoffe schrittweise aufgegeben.

Wie funktioniert ein lumineszierender Solarkonzentrator?

LSC-Lumineszenz-Solarkonzentratoren sind transparente aktive Fotoplatten, die Licht aus einem breiten Spektrum von Sonnenstrahlung absorbieren können.

Diese Elemente verwenden spezielle Lumineszenzfarbstoffe, die Licht einfangen und innerhalb der Platte emittieren können. Die Strahlung wird dann durch aufeinanderfolgende Reflexionen innerhalb der Platte zu den Rändern transportiert. An den Rändern der Paneele befinden sich Photovoltaikzellen, die Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln.

Das Konzentrationssystem hat viele Vorteile. Die Überhitzung der Siliziumzellen wird verringert, was häufig zu einem verringerten Wirkungsgrad und Energieverlust in Form von Wärme führt.

Darüber hinaus wird die einfallende Strahlung beim Durchgang durch die Sonnenkollektoren in Wellenlängen umgewandelt, die den Wirkungsgrad der Zellen maximieren.

Vorteile von Lumineszenz-Solarkonzentratoren (LSC)

Zu den Vorteilen von Lumineszenz-Solarkonzentratoren gehören:

  • Sie ermöglichen es, den kurzwelligen Strahlungsbereich des Sonnenspektrums in einen längeren Wellenlängenbereich zu verschieben. Innerhalb dieses Bereichs ist die Umwandlungseffizienz von Solarzellen höher.

  • Erzielen Sie eine hohe optische Konzentration des Sonnenlichts in stationären Geräten, da nicht nur direktes, sondern auch diffuses Licht erfasst werden kann.

  • Verhindert die Überhitzung von Solarzellen.

  • Die Verwendung des LSC in Kombination mit einer Solar-Photovoltaikanlage zur Erzeugung elektrischer Energie erhöht den Gesamtwirkungsgrad.

  • Aufgrund der Verwendung von kleinflächigen Photovoltaikzellen beim Entwurf solcher Systeme ist es möglich, die effizientesten und teuersten Solarzellen zu verwenden. Solarzellen wandeln Lichtenergie in Elektrizität um.

Nachteile von Lumineszenz-Solarkonzentratoren (LSC)

Andererseits haben diese Konzentratoren einige Nachteile:

Der "Verlustkegel" übt einen ziemlich großen Einfluss auf die Effizienz der Struktur aus, durch die ein Teil des wieder emittierten Lichts das Volumen des Wellenleiters verlässt und nicht mehr zur Umwandlung in elektrische Energie verwendet werden kann.

Um Verluste innerhalb des Wellenleiters zu verringern, ist es notwendig, den kritischen Winkel durch Erhöhen seines Brechungsindex zu verringern. In diesem Fall nimmt jedoch der Verlust aufgrund der Sonnenlichtreflexion aufgrund einer Zunahme des äußeren kritischen Winkels zu. Die Lösung dieses Problems ist möglich, indem eine Beschichtung mit einem mittleren Brechungsindex auf die Luft-Wellenleiter-Grenzfläche aufgebracht wird, wodurch die Verluste aufgrund der Reflexion und der vom Wellenleiter abgegebenen Strahlung abnehmen.

Der Verlust infolge der Rückresorption des von einem Leuchtstoff wieder emittierten Lichts ist untrennbar mit dem "Verlustkegel" verbunden. Während der Bewegung der Strahlung entlang des Wellenleiters in Richtung der Extreme kann sie wieder absorbiert und wieder emittiert werden. Da die Lumineszenz quasi-isotrop ist, geht ein Teil der Strahlung durch den "Verlustkegel" wieder verloren. Dies ist auf die Überlagerung der Anregungs- und Lumineszenzbereiche zurückzuführen; Daher ist es notwendig, einen Leuchtstoff mit der größtmöglichen Stokes-Verschiebung auszuwählen.

Verwendung und Anwendung von LSC-Solargeräten

Strukturen aus LSCs und Photovoltaikanlagen können durch Nutzung vorhandener künstlicher Oberflächen in die städtische Infrastruktur integriert werden. Diese Strukturen können beispielsweise durchscheinende Gebäudestrukturen wie Fenster, Glasmalereien und Gesimse sein.

Die Einführung dieser Systeme in mobilen elektronischen Geräten und Stoffen (z. B. Rucksäcken) ist vielversprechend. Die Kosten einer Struktur, die aus einem lumineszierenden Solarkonzentrator in Kombination mit einer Solarzelle besteht, sind geringer als die Kosten einer reinen Solarzelle mit ähnlichem Wirkungsgrad. Dies liegt daran, dass im ersten Fall die Fläche des Photovoltaik-Moduls geringer ist.

Welche Materialien werden für den Bau eines lumineszierenden Solarkonzentrators verwendet?

Als LSC-Matrixmaterial können Kunststoffe, Glas oder organische Lösungsmittel zwischen Kunststoff oder Glasscheiben verwendet werden. Polymermaterialien eignen sich aufgrund ihrer optischen und betrieblichen Eigenschaften sowie ihrer Herstellbarkeit am besten für diese Zwecke. Für diese Zwecke werden am häufigsten Polymethylmethacrylat und Polystyrol verwendet.

Organische Farbstoffe, die aus seltenen Metallionen und Quantenpunkten bestehen, von denen die ersteren aufgrund ihrer hohen Quantenausbeute, Benutzerfreundlichkeit und geringen Kosten am häufigsten verwendet werden, können als Lumineszenzmaterial wirken.

Seine Konzentration für einen effektiven Betrieb überschreitet 1% der Masse nicht, was sich positiv auf die Kosten der Struktur auswirkt. 

Schlussfolgerungen

Die moderne Solarenergie weist eine ausreichende Anzahl ungelöster Probleme auf, wie z.

  • Die hohen Kosten für Solarzellen

  • Die geringe Umwandlungseffizienz von Solarzellen, die mit herkömmlichen Methoden nicht ohne erhebliche Kosten gesteigert werden kann,

  • Die Diskrepanz zwischen der spektralen Empfindlichkeit der Photovoltaik-Wandler und dem Spektrum des Sonnenlichts und dem Volumen der effizientesten.

Jedes dieser Probleme kann separat gelöst werden, indem vorhandene Technologien verbessert werden. Dieser Ansatz ist zeitaufwändig und kostspielig für Materialien, was die Entwicklung von Solarenergie schwierig macht, da die traditionellen Reserven an fossilen Brennstoffen reduziert werden. Daher kann ein lumineszierender Solarkonzentrator eine gute Lösung sein.

Autor:

Erscheinungsdatum: 16. März 2021
Geändert am: 16. März 2021