Устройство для преобразования световой энергии в электрическую

 

пц 862755

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советска

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 18.03.80 (21) 2893246/18-25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет

Опубликовано 07.07.82. Бюллетень № 25

Дата опубликования описания 07.07.82 (51) М. Кл.

H 01 L 31/04

Государственный комитет

СССР (53) УДК 621.382 (088.8) ло делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения С. А. Аитхожин, В. С, Бутылкин, М. И, Гаидук, и М. Е. Жаботииский (71) Заявитель Ордена Трудового Красного Знамени институт электроники АН СССР

В. В. Цригорьянц г

4 радиотехники и (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТОВОЙ

ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ

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, пепосредственпо облучаемые Солнцем (1).

Наиболее близким техническим решением является устройство для преобразования световой энергии в электрическую, включающее концентратор из люминесцентного материала и фотоэлектрический преобразователь ;(2).

Б таком устройстве коэффициент концентрирования солнечной энергии, т. е. отношение плотности световых потоков, падающего на лицевую поверхность и излучаемого через торцовую поверхность концентратора, пропорционален отношению площадей этих поверхностей, которое мо>кет 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 повышение коэффициента концентрации

5 световой энергии.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для преобразования световой энергии в электрическую, включающее концентратор из люминес)о центного материала и фотоэлектрический преобразователь, в концентратор введены световоды, содержащие люминесцентны и материал, спектр поглощения которого согласован со спектром люминесценции маIä териала концентратора, а показатель преломления превышает показатель преломления материала концентратора; при этом фотоэлектрический преобразователь расположен у торцов световодов.

>о При этом устройство снабжено 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 зо тыльную (отпосительно местонахо>кдения

862755 источника света) стороны зеркальным покрытием 2 и люминофора 3, заключенного в оболочку. B концентратор введены световоды 4, содержащие люминесцентный материал, спектр поглощения которого согласован со спектром люминесценции люминофора 3, а показатель преломления превышает показатель преломления люминофора.

Концы 5 световодов 4 за пределами концентратора сведены в жгут и у их торцов расположен фотоэлектрический преобразователь 6 с согласующим переходным элементом 7, который выполнен из материала с показателем преломления, промежуточным между показателями преломления материалов световодов 4 и преобразователя 6.

В случае двуслойных световодов, введенных в концентратор, их оболочки также могут содержать люминофор, спектр поглощения которого согласован со спектром излучения материала концентратора, а спектр излучения — со спектром поглощения материала световедущих жил. Увеличение коэффициента концентрации энергии солнечного излучения данного устройства достигается благодаря значительно меньшей суммарной площади торцов световодов, подводящих энергию к фотоэлектрическому преобразователю, по сравнению с площадью торца концентратора.

Между торцами световодов, подводящих преобразованное излучение Солнца к полупроводниковому фотоэлектрическому преобразователю, и последними могут быть помещены согласующие переходные элементы с показателем преломления, промежуточным между показателями преломления материалов световодов и преобразователя. Этим достигается большая эффективность ввода излучения и больший КПД устройства в целом.

Световоды, находящиеся внутри концентратора, могут быть выполнены изогнутыми, что позволяет собрать в одном световоде энергию, собираемую несколькими прямыми световодами. Таким образом, использование изогнутых светов одов позволяет достичь дополнительного увеличения концентрации энергии. Концы световодов, примыкающие к фотоэлектрическим преобразователям, могут быть сведены в жгут, что позволяет выполнить фотоэлектрический преобразователь предельно компактным.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника света попадает в концентратор через фронтальную поверхность 1. Благодаря наличию люминофора 3 это излучение не выходит из концентратора, а большей частью поглощается люминофором и переизлучается в его полосе люминесценции. Поскольку излучение люг

25 зо

Зб

40 д

65 минесценции является изотропным, часть его испытывает полное внутреннее отражение от поверхностей концентратора (с предельным углом полного внутреннего отражения 0,). Доля этого излучения, канализируемого концентратором, пропорциональна cos О,. Зеркальные поверхности 2 боковых торцов концентратора отражают это излучение внутрь концентратора. Зеркальная поверхность 2 тыльной стороны концентратора отражает излучение от источника света, не поглощенное при его прохождении через люминофор 3, и, таким образом, удваивает путь, проходимый этим излучением через люминофорную среду.

Возбужденная излучением источника света люминесценция люминофора при своем распространении по концентратору как по волноводу многократно попадает на расположенные внутри концентратора световоды

4, частично поглощаясь 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 преломления люминофора в случае однослойного световода. При достаточно большой плотности излучения люминофора, попадающего на световоды 4, в последних возбудится сверхлюминесценция, отличающаяся от обычной люминесценции значительной направленностью излучения, Поэтому в случае сверхлюминесценции практически 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 энергию.

Рассмотрим случай, когда среда 3 концентратора с размерами 1200Х1000ХЗ мм выполнена из глубоко очищенного полимера на метакрилатной основе, активированного смесью красителей, среди которых один или несколько из ряда родаминов и кумаринов, например, родамин 6)К и кумарин-6; внутри концентратора содержится набор волоконных световодов 4 с жильной частью из стекла с высокой концентрацией ионов Nd и показателем преломления п =

=1,6, а оболочка — из фтороорганического полимера (показатель преломления

n =1,4). Кумарин-6 поглощает в области

350 — 510 нм, родамин 65K — в области

420 — 600 нм, излучают они соответственно в областях 490 — 600 и 550 — 700 нм, хорошо перекрывающихся с полосами поглощения

УЮ+ (520, 580 нм). Наиболее интенсивное излучение МЮ+ лежит в области -1,06 мкм.

Диаметр жилы — 0,2 мм, оболочки—

862755

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, свобод- 5 ная от волоконных жгутов, а также поверхность противоположного торца в случае, если к нему не подводится фотоэлектрический преобразователь, покрыта зеркальным слоем 2. Каждый из жгутов под- 10 веден к поверхности кремниевого фотоэлектрического преобразователя (показатель преломления n3 — — 3,7), с нанесенным на него по известной технологии переходным согласующим элементом с показате- 15 лем преломления n4= V и,, пз=2,4. Кремниевые фотоэлектрические преобразователи соединены в батарею. Поверхность концентратора покрыта слоем фторорганического полимера, составляющего материал оболочки световодов. Площадь лицевой поверхности концентратора составляет

1200Х 1000 мм =1,2Х 10 мм, площадь торцовой поверхности всех жгутов и равная ей площадь кремниевого фотоэлектрического преобразователя — 1,2Х

Х 10 мм, отношение площадей составляет 1,2 10 /1,2 10 =10 и в 30 раз превышают отношение площадей лицевой и торцовой поверхностей концентратора (1200ХЗ мм /120 мм =30). 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 30.

° 0,8=24 раза, поскольку вся энергия излучения люминофора, распространяющегося в концентраторе, в конце концов погло- 40 щается 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, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения коэффициента концентрации световой энергии, в концентратор введены световоды, содержащие 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, отлич ающеес я тем, что оно снабжено согласующими переходными элементами, расположенными между торцами световодов н фотоэлектрическим преобразователем.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Е. Bucher «Solar се!1 materials and

their basic parameters» Appl Phys № 17, 1978, р. 1 — 26.

2. Заявка ФРГ № 2620115 (ДТ 2620115

Al), кл. Н 011 31/04, 1978 (прототип).