Lumineszierender Solarkonzentrator

Lumineszierender Solarkonzentrator

Ein lumineszierender Solarkonzentrator (LSC) ist ein Gerät, das Sonnenlicht absorbieren und konzentrieren kann, um elektrische Energie zu erzeugen. Lumineszierende Solarkonzentratoren fangen die Sonnenstrahlung großflächig ein. Anschließend wandeln sie diese Strahlung in Lumineszenz um und richten sie auf ein kleineres Ziel, wo sich ein Photovoltaikempfänger befindet.

Das Akronym LSC stammt vom englischen Luminescent Solar Concentrator.

LSC-Module sind günstiger als klassische Photovoltaik-Module. Tatsächlich bestehen sie aus Kunststoff- oder Glasplatten, auf denen leuchtende Moleküle aufgebracht sind.

Die Technologie für diese Form der erneuerbaren Energie ist seit den 1960er Jahren bekannt, wurde jedoch aufgrund der geringen Effizienz und der Schwierigkeiten bei der Herstellung geeigneter Farbstoffe zunehmend aufgegeben.

Funktion

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

Diese Elemente verwenden spezielle Lumineszenzfarbstoffe, die Licht einfangen und innerhalb der Platte abgeben 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 Strom umwandeln.

Das Konzentrationssystem hat viele Vorteile. Die Überhitzung von Siliziumzellen wird reduziert, was häufig zu einer verringerten Effizienz und einem Energieverlust in Form von Wärme führt.

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

Vorteile

Zu den Vorteilen lumineszierender Solarkonzentratoren gehören:

  • Höhere Effizienz: Sie ermöglichen es, den kurzwelligen Strahlungsbereich des Sonnenspektrums in einen längerwelligen Bereich zu verschieben. In diesem Bereich ist die Umwandlungseffizienz von Solarzellen höher.

  • Nutzung diffuser Sonnenstrahlung. Erzielung einer hohen optischen Konzentration des Sonnenlichts in stationären Geräten durch die Fähigkeit, nicht nur direktes, sondern auch diffuses Licht einzufangen.

  • Verhindert eine Überhitzung der Solarzellen.

  • Durch den Einsatz des LSC in Kombination mit einer Solar-Photovoltaikanlage zur Erzeugung elektrischer Energie wird die Gesamteffizienz gesteigert.

  • Der Einsatz kleinflächiger Photovoltaikzellen ermöglicht den Einsatz effizienterer und teurerer Solarzellen. Solarzellen wandeln Lichtenergie in Strom um.

Nachteile

Diese Art von Solarkonzentratoren hat einige Nachteile:

  • Einen größeren Einfluss auf die Effizienz der Struktur hat der „Verlustkegel“, durch den ein Teil des reemittierten Lichts das Wellenleitervolumen verlässt und nicht mehr zur Umwandlung in elektrische Energie genutzt werden kann.
  • Um Verluste innerhalb des Wellenleiters zu reduzieren, ist es notwendig, den kritischen Winkel durch Erhöhen seines Brechungsindex zu verringern. Allerdings erhöht sich in diesem Fall der Verlust durch Reflexion des Sonnenlichts aufgrund einer Vergrößerung des äußeren Grenzwinkels. Die Lösung dieses Problems ist durch Aufbringen einer Beschichtung mit einem mittleren Brechungsindex auf die Luft-Wellenleiter-Grenzfläche möglich, wodurch Verluste durch Reflexion und Strahlungsabgabe aus dem Wellenleiter verringert werden.
  • Verluste infolge der Reabsorption von reemittiertem Licht sind untrennbar mit dem „Verlustkegel“ verbunden. Während sich die Strahlung entlang des Wellenleiters zu den Enden hin bewegt, kann sie wieder absorbiert und wieder emittiert werden. Da die Lumineszenz quasiisotrop ist, geht ein Teil der Strahlung durch den „Verlustkegel“ wieder verloren.

Verwendung und Anwendungen

Solarenergiestrukturen bestehend aus LSCs und PV-Systemen können durch die Nutzung vorhandener künstlicher Flächen in die städtische Infrastruktur integriert werden. Bei diesen Strukturen kann es sich beispielsweise um lichtdurchlässige Baukonstruktionen wie Fenster, Glasmalereien, Gesimse handeln.

Die Einführung dieser Systeme in mobile und gewebte elektronische Geräte (z. B. Rucksäcke) ist vielversprechend. Die Kosten einer Struktur, die aus einem lumineszierenden Solarkonzentrator in Kombination mit einer Solarzelle besteht, werden geringer sein als die Kosten einer reinen Solarzelle mit ähnlichem Wirkungsgrad. Dies liegt daran, dass im ersten Fall die Fläche des Photovoltaik-Panels geringer ist.

Verwendete Materialien

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

Organische Farbstoffe, Verbindungen mit seltenen Metallionen und Quantenpunkte, von denen erstere aufgrund ihrer hohen Quantenausbeute, einfachen Handhabung und geringen Kosten am häufigsten verwendet werden, können als Lumineszenzmaterial fungieren.

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

Autor:
Veröffentlichungsdatum: 16. März 2021
Letzte Überarbeitung: 16. März 2021