Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 34 – vyšlo 15. srpna, ročník 6 (2008) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

34/2008

Organické koncentrátory slunečního záření

Vítězslav Kříha

Dopadající sluneční záření jako zdroj energie je ve středu zájmu z různých důvodů: je to zdroj využitelný přinejmenším po dobu obyvatelnosti naší planety, dá se využívat i jako lokální zdroj, současné energetické nároky lidstva tvoří pouze zanedbatelný zlomek dopadajícího záření, s fosilními palivy jsou potíže nejenom ekonomické, ale i ekologické a politické a jaderná energetika produkuje problematický odpad, navíc poněkud láká teroristyTerorista – člověk, který namísto pokorného studia okolního fascinujícího světa zneužívá dílčích znalostí z přírodních a společenských věd k cílevědomému ničení té krásy vůkol za účelem vyvolání strachu, paniky a následných preventivních opatření, které notně ztrpčují život těm, kteří v prostém zvídavém životě našli zalíbení. k záškodničení.

Sluneční koncentrátory – zařízení sloužící k soustředění dopadajícího slunečního záření z relativně velké plochy do relativně malého objemu, obvykle pomocí odrazu. V dosud realizovaných zařízeních byly nejčastěji používanými odraznými plochami části parabolického válce pro liniové soustředění, pro bodové soustředění lze využít rotačního paraboloidu, ale i velkého množství malých rovinných zrcadel. Liniové soustředění se využívá v solárních žlabech, bodové v solárních talířích či solárních věžích. Sluneční kolektory – sběrače slunečního záření, ve kterých se přímo na místě dopadu přeměňuje energie slunečního záření na jinou formu energie. Absorpční koeficient – A, poměr intenzity záření pohlceného v systému vůči intenzitě dopadajícího záření. Tomuto koeficientu se také říká pohltivost. V Lambertově zákoně pro útlum I = I0 exp[−βx] se stejným termmínem označuje koeficent β. Transmisní koeficient – T, poměr intenzity záření prošlého systémem vůči intenzitě dopadajícího záření. Reflexní koeficient – R, poměr intenzity záření odraženého systémem vůči intenzitě dopadajícího záření. Součet absorpčního, transmisního a  reflexního koeficientu je roven jedné, A + T + R = 1. Fotovoltaický jev – vznik elektrického napětí při dopadu světla na rozhraní dvou materiálů. Jevu lze využít ke konstrukci fotovoltaického článku. Fotovoltaický jev objevil v roce 1839 Alexandr Edmond Becquerel (1820–1891) spolu se svým otcem Antoine Césarem Becquerelem (1788–1878). Luminofor – světélkující látka, která po excitaci vyzařuje kvanta energie (fotony) po přechodu z energeticky vyššího stavu do stavu s nižší energií. Například jednotlivé barevné buňky na vnitřní straně stínítka vašeho monitoru.

O zájmu o energii získávanou ze SlunceSlunce – nám nejbližší hvězda, tzv. hvězda hlavní posloupnosti, která se nachází ve vzdálenosti 149,6×10⁶ km od Země. Jde o žhavou plazmatickou kouli s průměrem 1,392×10⁶ km, teplotou na povrchu 5 780 K, teplotou v centru přibližně 15×10⁶ K a zářivým výkonem 3,846×10²⁶ W. Zdrojem energie je jaderná syntéza, při které se za každou sekundu sloučí v jádru Slunce 700 milionů tun vodíku na hélium. svědčí i skutečnost, že se tomuto tématu věnoval AB 22/2004. Pro bližší pochopení významu koncentrátorů se znovu vracíme k tomuto tématu v obecné rovině: Celý proces získávání energie ze slunečního záření lze shrnout do zkratky KATADU, značící následující kroky

Kolekce, koncentrace. Absorpce. Transformace. Akumulace. Distribuce. Utilizace

Tyto kroky nemusí nutně proběhnout všechny, některé z nich se naopak mohou i několikrát opakovat.

Kolekce Pod kolekcí je míněna schopnost systému přeměňujícího sluneční energii maximálně využít svou plochu k zachycení slunečního záření. Příkladem přirozených systémů mohou být například listy nebo jehlice stromů či pozoruhodné polohy slunících se lidí. Z hlediska umělých solárních systémů kolekce udává potřebnou plochu pro získání požadovaného výkonu, případně naopak uvažuje účelné využití ploch pro získávání energie. Koncentrace Koncentraci je možno chápat jako část kolekce. Zvýšení hustoty výkonu dopadajícího záření umožňuje dosáhnout vyšších účinností systémů přeměňujících energii, případně vede ke snížení pořizovacích nákladů celého zařízení. Absorpce Ačkoli je pochopitelné, že musí dojít k pohlcení energie slunečního záření, aby došlo k její přeměně, optimalizace solárního systému nemusí automaticky znamenat snahu o co nejvyšší absorpční koeficient a energie se také nemusí pohlcovat stejně na všech vlnových délkách. Nemůžete-li usnout, tak namísto počítaní kudrnatých ovcí nabízím téma k rozjímání: rostliny zvládají přeměnu slunečního záření, o tom není pochyb. Rostliny jsou zelené. Znamená to tedy, že odrážejí světlo právě v té části spektra, kde Slunce vyzařuje nejvíce, namísto toho, aby právě toto záření pohlcovaly? Transformace Forma energie, na kterou bude sluneční záření přeměněno, se odvíjí od následujících třech kroků. Nejčastěji je energie přeměněna na teplo, dále na elektrickou energii (ať přímo nebo s využitím získaného tepla), na energii chemických vazeb či energii elektromagnetického záření. Akumulace Potřeba vytvořit si energetické zásoby je vlastní systémům, které jsou závislé výhradně na sluneční energii. V praxi to může znamenat opětovnou transformaci energie do jiné formy. Distribuce Vyprodukovanou energii je třeba dopravit do místa, kde bude využita. Od toho se odvíjí forma, na kterou má být sluneční záření přeměněno. Zároveň je třeba si uvědomit, že využití sluneční energie přímo na místě může ušetřit nejen náklady na přenos, ale mnohdy i vícenásobnou transformaci. Utilizace Způsob konečného využití vyprodukované energii je také třeba brát v úvahu při plánování solárních systému.

Koncentrátory záření založené na tenkých vrstvách organických barviv

V organických solárních koncentrátorechSluneční koncentrátory – zařízení sloužící k soustředění dopadajícího slunečního záření z relativně velké plochy do relativně malého objemu, obvykle pomocí odrazu. V dosud realizovaných zařízeních byly nejčastěji používanými odraznými plochami části parabolického válce pro liniové soustředění, pro bodové soustředění lze využít rotačního paraboloidu, ale i velkého množství malých rovinných zrcadel. Liniové soustředění se využívá v solárních žlabech, bodové v solárních talířích či solárních věžích. je využita luminiscence barviva naneseného v tenké vrstvě na skleněnou či plastovou destičku s vysokým koeficientem odrazu, tvořící tak optický vlnovodVlnovod – přirozené či umělé uspořádání prostředí, vytvářející kanál ve kterém se šíří vlny; tento kanál může být ohraničený v jednom nebo dvou směrech. V zjednodušené představě se vlny při šíření ve vlnovodu odrážejí od jeho stěn, čímž se ve směru kolmém na šíření vlny vytváří stojaté vlnění, v obecném případě se popis vlnovodu neobejde bez popisu disperze dané soustavy. Příklady přirozených systémů mohou být akustické vlnovody v oceánech, vytvořené náhlými změnami hustoty mořské vody, umožňující komumikaci velryb na vzdálenosti tisíců kilometrů, nebo plazma kolem magnetických siločar, vytvářející hvizdy. Příklady umělých vlnovodů jsou planparalelení kovové desky, koaxiální kabel nebo duté kovové trubky.. Vrstva luminoforuLuminofor – světélkující látka, která po excitaci vyzařuje kvanta energie (fotony) po přechodu z energeticky vyššího stavu do stavu s nižší energií. Například jednotlivé barevné buňky na vnitřní straně stínítka vašeho monitoru. emituje světlo na delší vlnové délce než bylo dopadající. Zhruba 80 % takto vyzářených fotonůFoton – základní kvantum energie elektromagnetického záření, polní částice elektromagnetické interakce. Má nulovou klidovou hmotnost a nemá elektrický náboj. Jeho energie a hybnost jsou přímo úměrné frekvenci záření (E = ħω, p = E/c). Stav fotonu zahrnuje také polarizaci, protože jde o příčné vlnění. Kvantování energie poprvé zavedl Max Planck při pokusech o vysvětlení záření černého tělesa. Albert Einstein dal těmto kvantům reálný význam v roce 1905 při vysvětlení fotoelektrického jevu. Samotný název foton poprvé pro tuto částici použil až americký fyzikální chemik Gilbert Lewis v dopise časopisu Nature z roku 1926. je díky úplnému vnitřnímu odrazuÚplný odraz – jev, který nastává při průchodu světla z prostředí opticky hustšího (např. skla) do prostředí opticky řidšího (např. vzduchu). Světlo se láme od kolmice a s rostoucím úhlem dopadu se zvětšuje i úhel lomu. Při tzv. mezním úhlu dopadu dosáhne úhel lomu největší možné hodnoty 90° a lomený paprsek splývá s rozhraním. Při větších úhlech dopadu již světlo do druhého prostředí nepronikne a jen se od rozhraní s opticky řidším prostředím odráží. Tento jev pozoroval v Praze na počátku 17. století Johanes Kepler. přenášeno k obvodovým stěnám skla. Ke ztrátám fotonů dochází jak nezachycením vlnovodemVlnovod – přirozené či umělé uspořádání prostředí, vytvářející kanál ve kterém se šíří vlny; tento kanál může být ohraničený v jednom nebo dvou směrech. V zjednodušené představě se vlny při šíření ve vlnovodu odrážejí od jeho stěn, čímž se ve směru kolmém na šíření vlny vytváří stojaté vlnění, v obecném případě se popis vlnovodu neobejde bez popisu disperze dané soustavy. Příklady přirozených systémů mohou být akustické vlnovody v oceánech, vytvořené náhlými změnami hustoty mořské vody, umožňující komumikaci velryb na vzdálenosti tisíců kilometrů, nebo plazma kolem magnetických siločar, vytvářející hvizdy. Příklady umělých vlnovodů jsou planparalelení kovové desky, koaxiální kabel nebo duté kovové trubky., tak i díky opětovné absorpci záření (na obrázku znázorněno čárkovaně). Při vrstvení koncentrátorů je možné volbou luminoforu s delší vlnovou délkou zužitkovat nejen fotony prošlé předchozím koncentrátorem, ale i nezachycené fotony vyzářené luminoforem. Na obvodových stěnách koncentrátoru je možné umístit jak fotovoltaickéFotovoltaický jev – vznik elektrického napětí při dopadu světla na rozhraní dvou materiálů. Jevu lze využít ke konstrukci fotovoltaického článku. Fotovoltaický jev objevil v roce 1839 Alexandr Edmond Becquerel (1820–1891) spolu se svým otcem Antoine Césarem Becquerelem (1788–1878). články optimalizované na patřičnou vlnovou délku, tak je možné přeměnit záření například na teplo, případně jsou možné i hybridní systémy přeměňující záření jak na teplo, tak na elektrickou energii.

Princip činnosti organických koncentrátorů: Zdroj MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO..

Myšlenka organických koncentrátorů není nová, v sedmdesátých letech však technologické možnosti neumožňovaly tento princip realizovat, docházelo k přílišné absorpci v materiálu vlnovoduVlnovod – přirozené či umělé uspořádání prostředí, vytvářející kanál ve kterém se šíří vlny; tento kanál může být ohraničený v jednom nebo dvou směrech. V zjednodušené představě se vlny při šíření ve vlnovodu odrážejí od jeho stěn, čímž se ve směru kolmém na šíření vlny vytváří stojaté vlnění, v obecném případě se popis vlnovodu neobejde bez popisu disperze dané soustavy. Příklady přirozených systémů mohou být akustické vlnovody v oceánech, vytvořené náhlými změnami hustoty mořské vody, umožňující komumikaci velryb na vzdálenosti tisíců kilometrů, nebo plazma kolem magnetických siločar, vytvářející hvizdy. Příklady umělých vlnovodů jsou planparalelení kovové desky, koaxiální kabel nebo duté kovové trubky. a navíc luminofor nebyl stabilní. Současné řešení, které omezuje zpětné pohlcování, vychází ze zkušeností s čtyřhladinovými laseryLASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zesílení světla pomocí stimulované emise záření. Roku 1958 ukázal Charles Hard Townes spolu s Arthurem Leonardem Schawlowem, že je možné zkonstruovat podobné zařízení jako již existující MASER (pracuje v mikrovlnné oblasti) také pro světlo. První laser zkonstruoval Theodore Harold Maiman v roce 1960. Aktivním prostředím byly ionty chrómu v syntetickém rubínovém krystalu.. Přidáním malé koncentrace dalšího barviva dojde k „vychytání“ světla pohlceného pracovním barvivem. Další průlom znamenal objev nové třídy barviv nazývaných molekulární luminofory, které jsou extrémně propustné vůči světlu, které samy emitují. Co se týče stability barviva, na testovaném vzorku zůstalo po třech měsících 93 % původního barviva. Do budoucna se uvažuje o využití technologie OLEDOLED – Organic Light-Emitting Diode, svítívá dioda LED, v níž je jako svítící elektroluminiscenční látka použita tenká vrstva organické sloučeniny, která při průchodu elektrického proudu emituje světlo. Tato polovodičová vrstva je umístěna mezi dvě elektrody, z nichž je alespoň jedna průhledná. Technologie pochází z roku 1987, kdy jí vyvinula firma Eastman Kodak. Nyní se tyto displeje používají především v mobilních telefonech nebo MP3 přehrávačích., která se rozvíjí díky výrobě mobilů a televizorů.

Organické koncentrátory s různými luminofory. Zdroj: MITMIT – Massachusetts Institute of Technology, prestižní americká univerzita v massachusettském Cambridge. Univerzita byla založena Williamem Bartonem Rogersem v roce 1861. Skládá se z pěti škol a jedné koleje. Přestože jde o soukromou univerzitu, je podporována i státem. Spravuje livingstonskou část detektoru LIGO.

Závěr

Přestože byly organické koncentrátory prezentovány především ve spojení s fotovoltaickými články, je možné, že budou využity i v jiných aplikacích, například jako zdroje barevného světla, které nepotřebují elektrické napájení. Každopádně jsou velice perspektivní z hlediska snížení ceny slunečních kolektorů a tím pádem pokrytí části spotřeby energie. Zároveň lze s určitým optimismem hledět na rozvoj vlastních fotovoltaických článků.

Vývoj účinnosti fotovoltaických článků. Zdroj: R. McConnell, R. Matson;
National Renewable Energy Laboratory, USA.

Přídavek pro osoby spjaté s ČVUT, VŠCHT (a techniky vlastence)

Vize stavby Národní technické knihovny (nahoře) a současná realita (dole). Dočkáme se do několika let obložení této budovy organickými koncentrátory slunečního záření? Možná by to snížilo provozní náklady. Zdroj fotografiíí: Helika.

Klip týdne: Solární koncentrátory – pražič kávy

Solární koncetrátory – pražič kávy. Solární koncentrátory jsou zařízení sloužící k soustředění dopadajícího slunečního záření z relativně velké plochy do relativně malého objemu, obvykle pomocí odrazu. V dosud realizovaných zařízeních byly nejčastěji používanými odraznými plochami části parabolického válce pro liniové soustředění, pro bodové soustředění lze využít rotačního paraboloidu, ale i velkého množství malých rovinných zrcadel. Liniové soustředění se využívá v solárních žlabech, bodové v solárních talířích či solárních věžích. V animaci uvidíte jeden neobvyklý koncentrátor určený k pražení kávy. Jeho výkon je 6,5 kW a využívá 175 zrcadel upevněných na parabolické ploše. Zdroj: David Hartkop, Solar Roast Cofee LLC. (avi, 6 MB)

Odkazy