Устройство для преобразования световой энергии в электрическую Советский патент 1982 года по МПК H01L31/04 

1

Изобретение относится к устройствам для использования энергии светового излучения, а именно - для преобразования световой энергии в электрическую.

Известен ряд устройств для преобразования световой, в частности солнечной, энергии в электроэнергию при помощи полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей. В части таких устройств указанные преобразователи группируются в солнечные батареи и панели, иепосредственно облучаемые Солнцем 1.

Наиболее близким техническим решением является устройство для преобразования световой энергии в электрическую, включающее концентратор из люминесцентного материала и фотоэлектрический преобразователь .

В таком устройстве коэффициент концентрирования 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 преобразования энергии в концентраторе составляет 10%, реальное значение коэффициента концентрации

солнечной энергии в устройствах данного типа не превышает 10.

Целью настоящего изобретения является повыщение коэффициента концентрации 5 световой энергии.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для преобразования световой энергии в электрическую, включающее концентратор из люминесцентного материала и фотоэлектрический преобразователь, в концентратор введены световоды, содержащие люминесцентный материал, спектр поглощения которого согласован со снектром люминесценции материала концентратора, а показатель преломления превышает показатель преломления 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, состоящий из прозрачной оболочки с нанесенным на торцовые и

30 тыльную (относительно местопахождення 3 источника света) стороны зеркальным покрытием 2 и люминофора 3, за-ключенного в оболочку. В концентратор введены световоды 4, содержащие люминесцентный материал, спектр поглощения которого согла-5 сован со спектром люминесценции люминофора 3, а показатель преломления превышает показатель преломления 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 преломлеиия, промежуточ-15 ньш между показателями преломления материалов световодов 4 и преобразователя 6. В случае двуслойных световодов, введенных в концентратор, их оболочки также20 могут содержать люминофор, спектр ноглощеиия которого согласоваи со спектром излучения материала концентратора, а спектр излучения - со спектром поглощения материала световедущих жил. Уве-25 личение коэффициента концентрации энергии солнечного излучения данного устройства достигается благодаря значительно меньшей суммарной площади торцов световодов, подводящих энергию к фотоэлек-30 трическому преобразователю, по сравнению с площадью торца концентратора. Между торцами световодов, подводящих преобразованное излучение Солнца к полупроводниковому фотоэлектрическому ире-35 образователю, и последними могут быть помещены согласующие переходные элементы с показателем преломления, промежуточным между показателями преломления материалов световодов и преобразова-40 теля. Этим достигается большая эффективность ввода излучения и больший КПД устройства в целом. Световоды, находящиеся внутри колцеитратора, могут быть выполнены изогпу-45 тыми, что позволяет собрать в одном световоде энергию, собираемую несколькими прямыми световодами. Таким образом, использовапие изогнутых световодов позволяет достичь дополнительного увеличе-50 ния концентрации энергии. Концы световодов, примыкающие к фотоэлектрическим преобразователям, могут быть сведены в жгут, что позволяет выполнить фотоэлектричёский преобразователь предельно ком-55 пактным. Устройство работает следующим образом. Излучение от источника света попадает в концентратор через фронтальную поверх-60 ность 1. Благодаря наличию люминофора 3 это излучение не выходит из концентратера, а большей частью поглощается люминофором и переизлучается в его полосе люминесценции. Поскольку излучение лю-05 4 , 1минесценции является изотропным, часть его испытывает полное внутреннее отраже ие от поверхностей концентратора (с предельным углом полного внутреннего отражения вс). Доля этого излучения, канализирземого концентратором, пропорциональна cos вс. Зеркальные поверхности 2 боковых торцов концентратора отражают это излучение внутрь концентратора. Зеркальная 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, Возбуладенная излучением источника света люминесценция люминофора при своем распространении по концентратору как по волноводу многократно попадает на расположенные внутри концентратора световоды 4, частично иоглощаясь содержащимся в них люминофором. Часть возбуждаемой при этом люминесценции люминофоросодержащей жилы световодов, пропорциональная их числовой апертуре, канализируется вдоль жилы, поскольку ее показатель преломления больше, чем показатель нреломлення люминофора в случае однослойного световода. При достаточно большой плотности излучения люмииофора, нопадающего на световоды 4, в последних возбудится сверхлюминесценция, отличающаяся от обычной люминесценции значительной направленностью излучения. Поэтому в случае сверхлюминесценции практическн все излучение люминофора, содержащегося в жиле световодов, будет канализировано вдоль нее. Распространяясь 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 ряда родаминов и кумаркнов, например, родампн бЖ и кумарин-6; внутри концентратора содержится набор волоконных световодов 4 с жильной частью из стекла с высокой концентрацией ионов Nd и показателем преломления щ 1,6, а оболочка - из фтороорганического нолимера (показатель преломления ,4). Кумарин-6 поглощает в области 350-510 -им , родамин 6Ж - в области 420-600 нм, излучают они соответственно в областях 490-600 и 550-700 нм, хорошо перекрывающихся с полосами поглощения (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, свободная от волоконных жгутов, а также поверхность противоположного торца в случае, если к нему не подводится фотоэлектрический преобразователь, покрыта зеркальным слоем 2. Каждый из жгутов подведен к поверхности кремниевого фотоэлектрического преобразователя (показатель преломления ,7), с нанесенным на него по известной технологии переходным согласующим элементом с показателем преломления П4 У ni«3 2,4. Кремниевые фотоэлектрические преобразователи соединены в батарею. Поверхность концентратора покрыта слоем фторорганического полимера, составляющего материал оболочки световодов. Площадь лицевой поверхности концентратора составляет 1200X1000 ,2х10в мм, площадь торцовой поверхности всех жгутов и равная ей площадь кремниевого фотоэлектрического преобразователя- 1,2Х ХЮ мм, отношение площадей составляет 1,2 108/1,2-102 10 и в 30 раз превышают отношение площадей лицевой и торцовой поверхностей концентратора (1200X3 ММ2/120 ). При КПД преобразования излучения накачки в люминесценцию ионов неодима в стекле 80% в режиме сверхлюминесценции коэффициент концентрирования энергии солнечного излучения превысит соответствующий коэффициент самого концентратора в 300, раза, поскольку вся энергия излучения люминофора, распространяющегося в концентраторе, в конце концов поглощается активной примесью неодима в волоконных световодах. В режиме обычной люминесценции ионов неодима в последних

указанное значение коэффициента концентрации устройства уменьшается примерно в два раза. Устройство для преобразования световой

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

Формула изобретения

Устройство для преобразования световой энергии в электрическую, включающее концентратор из люминесцентного материала и фотоэлектрический преобразователь, отличающееся тем, что, с целью повышения коэффициента концентрации световой энергии, в концентратор введены световоды, содерл ащие люминесцентный материал, спектр поглощения которого согласован со спектром люминесценции материала концентратора, а показатель преломления превышает показатель преломления материала концентратора, при этом фотоэлектрический преобразователь расположен у торцов световодов.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено согласующими переходными элементами, расположенными между торцами световодов и фотоэлектрическим преобразователем.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

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

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