SU862755A1 - Устройство дл преобразовани световой энергии в электрическую - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к устройствам дл  использовани  энергии светового излучени , а именно - дл  преобразовани  световой энергии в электрическую.

Известен р д устройств дл  преобразовани  световой, в частности солнечной, энергии в электроэнергию при помощи полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей . В части таких устройств указанные преобразователи группируютс  в солнечные батареи и панели, иепосредственно облучаемые Солнцем 1.

Наиболее близким техническим решением  вл етс  устройство дл  преобразовани  световой энергии в электрическую, включающее концентратор из люминесцентного материала и фотоэлектрический преобразователь .

В таком устройстве коэффициент концентрировани  солнечной энергии, т. е. отнощение плотности световых нотоков, падающего на лицевую поверхность и излучаемого через торцовую новерхность концентратора , пропорционален отнощению площадей этих поверхностей, которое может достигать 10.

Поскольку КПД преобразовани  энергии в концентраторе составл ет 10%, реальное значение коэффициента концентрации

солнечной энергии в устройствах данного типа не превышает 10.

Целью насто щего изобретени   вл етс  повыщение коэффициента концентрации 5 световой энергии.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в известном устройстве дл  преобразовани  световой энергии в электрическую, включающее концентратор из люминесцентного материала и фотоэлектрический преобразователь, в концентратор введены световоды, содержащие люминесцентный материал, спектр поглощени  которого согласован со снектром люминесценции материала концентратора, а показатель преломлени  превышает показатель преломлени  материала концентратора; при этом фотоэлектрнческий преобразователь расположен у торцов световодов.

20 При этом устройство снабл ено согласующими переходными элементами, расположенными между торцами световодов и фотоэлектрическим преобразователем.

На фиг. 1 представлен вариант устройст25 ва; на фиг. 2 - это же устройство с согласующими переходными элементами.

Устройство содержит люминесцентный концентратор 1, состо щий из прозрачной оболочки с нанесенным на торцовые и

30 тыльную (относительно местопахожденн  3 источника света) стороны зеркальным покрытием 2 и люминофора 3, за-ключенного в оболочку. В концентратор введены световоды 4, содержащие люминесцентный материал , спектр поглощени  которого согла-5 сован со спектром люминесценции люминофора 3, а показатель преломлени  превышает показатель преломлени  люминофора . Концы 5 световодов 4 за пределами кон-Ю центратора сведены в жгут и у их торцов расположен фотоэлектрический преобразователь 6 с согласующим переходным элементом 7, который выполнен из материала с показателем преломлеии , промежуточ-15 ньш между показател ми преломлени  материалов световодов 4 и преобразовател  6. В случае двуслойных световодов, введенных в концентратор, их оболочки также20 могут содержать люминофор, спектр ноглощеии  которого согласоваи со спектром излучени  материала концентратора, а спектр излучени  - со спектром поглощени  материала световедущих жил. Уве-25 личение коэффициента концентрации энергии солнечного излучени  данного устройства достигаетс  благодар  значительно меньшей суммарной площади торцов световодов , подвод щих энергию к фотоэлек-30 трическому преобразователю, по сравнению с площадью торца концентратора. Между торцами световодов, подвод щих преобразованное излучение Солнца к полупроводниковому фотоэлектрическому ире-35 образователю, и последними могут быть помещены согласующие переходные элементы с показателем преломлени , промежуточным между показател ми преломлени  материалов световодов и преобразова-40 тел . Этим достигаетс  больша  эффективность ввода излучени  и больший КПД устройства в целом. Световоды, наход щиес  внутри колцеитратора , могут быть выполнены изогпу-45 тыми, что позвол ет собрать в одном световоде энергию, собираемую несколькими пр мыми световодами. Таким образом, использовапие изогнутых световодов позвол ет достичь дополнительного увеличе-50 ни  концентрации энергии. Концы световодов , примыкающие к фотоэлектрическим преобразовател м, могут быть сведены в жгут, что позвол ет выполнить фотоэлектричёский преобразователь предельно ком-55 пактным. Устройство работает следующим образом . Излучение от источника света попадает в концентратор через фронтальную поверх-60 ность 1. Благодар  наличию люминофора 3 это излучение не выходит из концентратера , а большей частью поглощаетс  люминофором и переизлучаетс  в его полосе люминесценции. Поскольку излучение лю-05 4 , 1минесценции  вл етс  изотропным, часть его испытывает полное внутреннее отраже ие от поверхностей концентратора (с предельным углом полного внутреннего отражени  вс). Дол  этого излучени , канализирземого концентратором, пропорциональна cos вс. Зеркальные поверхности 2 боковых торцов концентратора отражают это излучение внутрь концентратора. Зеркальна  новерхность 2 тыльной стороны концентратора отражает излучение от источпика света, не поглощенное при его прохождении через люминофор 3, и, таким образом, удваивает путь, проходимый этим излучением через люминофорную среду, Возбуладенна  излучением источника света люминесценци  люминофора при своем распространении по концентратору как по волноводу многократно попадает на расположенные внутри концентратора световоды 4, частично иоглоща сь содержащимс  в них люминофором. Часть возбуждаемой при этом люминесценции люминофоросодержащей жилы световодов, пропорциональна  их числовой апертуре, канализируетс  вдоль жилы, поскольку ее показатель преломлени  больше, чем показатель нреломленн  люминофора в случае однослойного световода. При достаточно большой плотности излучени  люмииофора, нопадающего на световоды 4, в последних возбудитс  сверхлюминесценци , отличающа с  от обычной люминесценции значительной направленностью излучени . Поэтому в случае сверхлюминесценции практическн все излучение люминофора, содержащегос  в жиле световодов, будет канализировано вдоль нее. Распростран  сь по световодам 4, излучение (сверх)-люминесценции через согласующий переходной элемент 7 попадает на полупроводниковый фотоэлектрический преобразователь 6, где и происходит преобразование энергии света в электрическую эиергию. Рассмотрим случай, когда среда 3 концентратора с размерами 1200x1000x3 мм выполнена из глубоко очищенного полимера на метакрилатной основе, активированного смесью красителей, среди которых один или несколько из р да родаминов и кумаркнов, например, родампн бЖ и кумарин-6; внутри концентратора содержитс  набор волоконных световодов 4 с жильной частью из стекла с высокой концентрацией ионов Nd и показателем преломлени  щ 1,6, а оболочка - из фтороорганического нолимера (показатель преломлени  ,4). Кумарин-6 поглощает в области 350-510 -им , родамин 6Ж - в области 420-600 нм, излучают они соответственно в област х 490-600 и 550-700 нм, хорошо перекрывающихс  с полосами поглощени  (520, 580 им). Наиболее интенсивное излучение A uf -i-лежит в области 1,06 мкм. Диаметр жилы -0,2 мм, оболочки -

0,3 мм. Концы волоконных световодов собраны в 70 жгутов по 19 световодов в каждом , торцы жгутов скреплены органическим компаундом и отполированы. Часть поверхности торца концентратора, свободна  от волоконных жгутов, а также поверхность противоположного торца в случае , если к нему не подводитс  фотоэлектрический преобразователь, покрыта зеркальным слоем 2. Каждый из жгутов подведен к поверхности кремниевого фотоэлектрического преобразовател  (показатель преломлени  ,7), с нанесенным на него по известной технологии переходным согласующим элементом с показателем преломлени  П4 У ni«3 2,4. Кремниевые фотоэлектрические преобразователи соединены в батарею. Поверхность концентратора покрыта слоем фторорганического полимера, составл ющего материал оболочки световодов. Площадь лицевой поверхности концентратора составл ет 1200X1000 ,2х10в мм, площадь торцовой поверхности всех жгутов и равна  ей площадь кремниевого фотоэлектрического преобразовател - 1,2Х ХЮ мм, отношение площадей составл ет 1,2 108/1,2-102 10 и в 30 раз превышают отношение площадей лицевой и торцовой поверхностей концентратора (1200X3 ММ2/120 ). При КПД преобразовани  излучени  накачки в люминесценцию ионов неодима в стекле 80% в режиме сверхлюминесценции коэффициент концентрировани  энергии солнечного излучени  превысит соответствующий коэффициент самого концентратора в 300 , раза, поскольку вс  энерги  излучени  люминофора, распростран ющегос  в концентраторе, в конце концов поглощаетс  активной примесью неодима в волоконных световодах. В режиме обычной люминесценции ионов неодима в последних

указанное значение коэффициента концентрации устройства уменьшаетс  примерно в два раза. Устройство дл  преобразовани  световой

энергии в электрическую обеспечивает увеличение коэффициента концентрировани  энергии светового излучени  по крайней мере в 5-10 раз. Все это позволит значительно сократить площадь солнечных панелей , составл емых из серийных полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей .

Claims (2)

1. Формула изобретени 

   Устройство дл  преобразовани  световой энергии в электрическую, включающее концентратор из люминесцентного материала и фотоэлектрический преобразователь , отличающеес  тем, что, с целью повышени  коэффициента концентрации световой энергии, в концентратор введены световоды, содерл ащие люминесцентный материал, спектр поглощени  которого согласован со спектром люминесценции материала концентратора, а показатель преломлени  превышает показатель преломлени  материала концентратора, при этом фотоэлектрический преобразователь расположен у торцов световодов.
2. 2. Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что оно снабжено согласующими переходными элементами, расположенными между торцами световодов и фотоэлектрическим преобразователем.

   Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе

   1.Е. Bucher «Solar cell materials and their basic parameters Appl Phys № 17, 1978, p. 1-26.

   2.За вка ФРГ № 2620115 (ДТ 2620115 .1), кл. Н OIL 31/04, 1978 (прототип).