CC BY
63
УДК 621.396
Б.В. Поллер, В.К. Попков, А.Б. Поллер, А.В. Бритвин, Ю.Д. Коломников, Д.Е. Трушенко,
С.Г. Орлов
ЗАО «СКБ», СибГУТИ, СГГА, Новосибирск
О ХАРАКТЕРИСТИКАХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ СОЛНЕЧНОГО СВЕТА С ПОЛИМЕРНЫМИ ВОЛНОВОДАМИ
Последние десятилетия характеризуются бурным развитием солнечной энергетики. Особенно остро проблема освоения солнечной энергии стоит в связи с глобальным потеплением и повышением цены на природное топливо.
В настоящее время скорость введения мощностей солнечных установок составляет около 1 ГВТ в год при темпах роста около 40 % [1].
Основой солнечных элементов является кремний, солнечные модули из кремния имеют эффективность 10-15 %.
Для удешевления солнечных элементов применяют оптические методы концентрации, причем фактор концентрации составляет от 2 до 500 и более. В качестве оптических концентратов используют обычные линзы, линзы Френеля, параболические зеркала. Большая часть концентратов фокусируют только прямые пучки. Причем для повышения эффективности концентрации необходимо слежение за солнцем с достаточно высокой точностью.
Наряду с преобразованием солнечной энергии в электричество и тепло используют оптические системы для освещения помещений солнечным светом [2]. Одна из первых конструкций световодов для освещения пороховых заводов в виде полых зеркальных труб была предложена В.Н. Чиколевым в 1874 году. В настоящее время рядом фирм выпускаются различные типы солнечных осветителей. Однако они имеют большие габариты и не могут передавать свет на значительные расстояния.
Для решения этих задач могу использоваться для преобразования солнечного света полимерные волноводы с добавками специальных люминофоров и для доставки света полимерные оптические кабели.
На протяжении последних десяти лет ИЛФ СО РАН и ЗАО «СКБ» занимались исследованием вопросов преобразования оптических сигналов в полимерных планарных волноводах с люминофорами [3-6]. В ЗАО «СКБ» разработаны различные технологии изготовления таких волноводов, площадью до нескольких десятков сантиметров, как для приема быстрых оптических сигналов, так и для преобразования солнечного света. Выполнены расчетные оценки характеристик солнечного преобразователя на базе совокупности планарных полимерных волноводов с различными люминофорами. Параметры волноводов и люминофоров рассчитываются так, чтобы в зоне освещения получить световой сигнал с заданными спектральными свойствами.
Отличительными свойствами оптических систем на планарных (пленочных) волноводах с люминофорами является большие угол поля зрения и апертура, при толщинах пленки от нескольких микрон до нескольких миллиметров. Фактор концентрации солнечного света в определенном спектральном диапазоне превышает 100, за счет волноводного
механизма распространения излучения люминесценции в планарном волноводе.
Для задач передачи оптического сигнала от планарного преобразователя на фотоприемники или в зону освещения исследовались различные типы стыковки с оптическими кабелями. Для создания солнечных осветителей исследовались свойства полимерных оптических кабелей, обладающих большой числовой апертурой и большим поперечным сечением световода. Разработаны несложные методы создания фоконов на торце полимерного волновода, значительно увеличивающих эффективность ввода оптического сигнала из планарного волновода в полимерный оптический кабель.
Как известно, существуют люминофоры с длительным временем послесвечения. На их основе создаются различные рекламные и световые устройства. Такие люминофоры могут накапливать световую энергию, а затем отдавать её в течение сотен минут.
Исследовалась возможность создания подобных источников с неорганическими люминофорами "Пента Л-1" желто-зеленого и голубого свечения. Размер зерна люминофора составляет порядка 10-15 мкм, имеет время послесвечения до 8 часов [7]. Предполагаемый квантовый выход не менее 0,5-0,8 [8]. Измерялись освещенность и оптическая мощность создаваемая люминофорами в различных пленках.
Были изготовлены образцы в виде пленок с люминофорами. В качестве матрицы использовались:
- Акриловая смола, отверждаемая УФ - светом, толщина 1,2 мм;
- Полиметилметакрилат, толщина 1 мм;
- Полиуретан, толщина 1,5 мм.
Проверка аккумулирующих свойств проводилась ясным солнечным днем при освещенности 80 000 Лк (показания люксметра Ю 116). Пленки облучались прямым солнечным светом в течение 10 минут. Измерялась освещенность, создаваемая пленкой. Пленка помещалась непосредственно перед фотоприемником люксметра. Доступ солнечного света во время измерения был полностью исключен.
Результаты показали, что первоначальная освещенность падает в 2 раза через 15 секунд, после облучения. Через 45 секунд, освещенность падает в 5 раз. При достижении уровня освещенности в 10 Лк, скорость падения освещенности замедляется (рис. 1).
Пленки также облучалась УФ люминесцентной лампой, в течение 1, 10 и 30 минут. После облучения пленки помещались перед фотоприемником. В табл. 1 приведены энергетические характеристики и время полного послесвечения.
1Я(0, с
Рис. 1. Зависимость освещенности от времени
Таблица 1. Энергетические характеристики пленки с люминофором и время
послесвечения
Время облучения, мин Мощность, нВт Время полного послесвечения, мин
1 25 20
10 30 90
30 50 150
Учитывая, незначительную стоимость таких люминофоров и полимерных материалов, оптические системы на их основе могут представлять интерес для создания осветителей помещений в темное время суток и для создания различных информационных систем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Фотоэнергетика - путь к светлому будущему / Sarah Kurtz, Daniel Friedman // Оптический журнал. -2007. - Т. 74, № 1. - С. 82-85.
2. Трембач В.В. Световые приборы / В.В. Трембач. - М.: Высш. шк., 1990. - 463 с.
3. Характеристики ультрафиолетового газового излучателя и полимерного преобразователя спектра для лазерных телекоммуникаций / А.А. Голубенков, Б.В. Поллер, А.И. Карапузиков, В.Ф. Плюснин, А.Н. Малов // Доклад на MPLP-2000 г., ИЛФ СО РАН. - Новосибирск, 2000.
4. Голубенков А.А. Приемник УФ излучения на основе раствора люминофора в пленке / А.А. Голубенков, В.Ф. Плюснин, Б.В. Поллер // Сб. докл. 7 МНТК «Радиолокация, навигация, связь». - Воронеж. - 2001.
5. Голубенков А.А. Люминесцентные волноводные преобразователи спектра для оптических приемников / А.А. Голубенков // Сб. докл. 8 МНТК «Радиолокация, навигация, связь». - Воронеж. - 2002.
6. Поллер Б.В. Исследование планарных полимерных антенн с люминофорами для лазерных информационных систем / Б.В. Поллер, Ю.Д. Коломников, Д.Е. Трушенко // Сб. материалов междунар. научн. конгр. «ГЕО-Сибирь - 2006». - Новосибирск, 2006. - С. 176-181.
7. Интернет [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.Penta-91.ru
8. Казанкин О.Н. Неорганические люминофоры / О.Н. Казанкин, Л.Я. Марковский и др. - Л.: Химия, 1975.
© Б.В. Поллер, В.К. Попков, А.Б. Поллер, А.В. Бритвин, Ю.Д. Коломников, Д.Е. Трушенко,
С.Г. Орлов, 2007
