Команда исследователей из Университета штата Мичиган разработала новый тип солнечного концентратора, который прозрачен для видимого света и при этом позволяет преобразовывать в электроэнергию ультрафиолетовую часть солнечного спектра. Таким образом, вставленный вместо оконного стекла новый концентратор будет вырабатывать энергию, не меняя цвета пейзажа за окном.
Разработку назвали «прозрачный люминесцентный солнечный концентратор», и, как отмечает Ричард Лунт, ключевое слово тут — «прозрачный».
На данный момент довольно широко известны окрашенные люминесцентные солнечные концентраторы, принцип работы которых довольно прост: часть спектра падающего излучения поглощается в верхнем окрашенном слое и переизлучается с большей длиной волны. Затем через второй слой, прозрачный, излучение переносится к боковой грани концентратора, где располагается линейка фотодиодов, которая преобразует излучение в электрическое напряжение.
Прямой солнечный свет, попадающий на верхний слой концентратора, имеет определённое выделенное направление. Однако лучи света, переизлучённого верхним слоем концентратора после поглощения солнечного, имеют уже разные направления. То есть количество света, испущенного в разных направлениях, примерно одинаково.
Лучи переизлучённого света, угол падения1 которых на границу стекло/воздух больше определённого значения, отражаются от этой границы полностью — обратно внутрь стекла. Каждый из таких лучей после отражения от границы сред падает на противоположную границу под тем же углом и снова целиком отражается. Таким образом, через несколько отражений луч попадает на боковую грань концентратора, где расположена линейка фотодиодов.
При падении луча света на такую границу в общем случае образуется два луча — отражённый и преломлённый. Согласно закону Снеллиуса, угол падения луча (θ1) и показатель преломления среды (n1), из которой падает луч, связаны с углом преломления (θ2) и показателем преломления среды (n2), в которую луч попадает, следующим соотношением:
n1sin(θ1) = n2sin(θ2)
Если n1sin(θ1) > n2, то не существует такого угла θ2, при котором выполнялось бы равенство, — ведь синус не может быть больше единицы. В результате при таком угле θ1 преломлённые лучи отсутствуют, и весь свет на границе двух сред целиком отражается внутрь первой среды.
Наибольший угол, для которого вышеприведённое соотношение всё ещё выполняется, называют критическим (θc), он равен arcsin(n2/n1). Для обычных стёкол показатель преломления красного света равен примерно 1,5—1,6 и θc лежит в пределах 39—42 градусов.
Из-за того, что переизлучённый свет испускается равномерно во все стороны, значительная его часть (вплоть до 80%) падает на границы стекла под углом больше критического и переносится к фотодиодам на боковых гранях стекла.
К достоинствам обычных люминесцентных солнечных концентраторов следует отнести следующее:
- В отличие от обыкновенных солнечных панелей, фотоэлектрические преобразователи покрывают не всю их рабочую поверхность, а располагаются на гранях. Следовательно, их нужно значительно меньше, что существенно снижает стоимость — ведь преобразователи зачастую делают из полупроводников на основе кремния, они крайне дороги в производстве с точки зрения используемых ресурсов.
- Люминесцентные солнечные концентраторы прозрачны для части видимого спектра, что позволяет использовать их, например, для витражей.
Однако у них есть и недостатки. КПД люминесцентных концентраторов пока что ниже, чем у обычных солнечных панелей. Кроме того, они «цветные», что сужает их сферу применения.
Второй недостаток группа исследователей из Университета штата Мичиган смогла исправить. Они сделали верхний слой из особых органических молекул, которые поглощают ультрафиолетовую и близкую инфракрасную часть спектра и переизлучают её в инфракрасный свет другой длины волны. В итоге их концентратор не поглощает и не излучает свет в видимом диапазоне, то есть является для человеческого глаза прозрачным, как обычное стекло.
Полученная технология имеет большое число различных применений, например, в оконных стёклах высоких зданий со стеклянными фасадами, в экранах мобильных устройств, таких как телефоны и электронные книги. Как говорят разработчики: «В конце концов, мы хотим сделать солнечные концентраторы такими, чтобы вы даже и не подозревали об их присутствии».
Лунт отмечает, что впереди ещё очень много работы по улучшению эффективности концентратора. На данный момент эффективность преобразования солнечной энергии образца достигает 1%, но исследователи говорят, что их цель — повысить её до 5%. Эффективность лучших окрашенных люминесцентных солнечных преобразователей достигает 7%.
1 Угол между направлением хода луча и нормалью к поверхности.
