Матрицы киноформных концентраторов

По заданию авторов в Институте автоматики и электрометрии Сибирского отделения Российской академии наук были изготовлены экспериментальные образцы киноформных линз, фотографии которых приведенные на рис. 8.8, 8.9.

Рис. 8.8. Матрица концентрических киноформных линз во время солнечных испытаний.

Рис. 8.9. Матрица киноформных линейных линз на приспособлении для испытаний с фотодатчиком 1×1 мм На рис. 8.8 показана матрица концентрических киноформных линз, изготовленных на основе фотополимера «Дискофот 1» (ДФ1) с рельефным полимерным слоем на стеклянных пластинах размером 100 х х 100 мм (количество линз 15×15 шт.) с толщиной слоя полимера 5—12 мкм, диапазон рабочих температур — 20—80 °С.

Параметры квадратных линз с концентрическим профилем:

фокусное расстояние — 33 мм;

центральная длина волны — 0,6328 мкм;

размеры линзы, мм — 6,44×6,44 (диагональ 8 мм);

числовая апертура (N4) — 0,12;

форма рельефа в зонах — пилообразная.

Дифракционная эффективность составляла от 0,75 до 0,85% в зависимости от времени экспозиции. На рис. 8.9 приведена матрица линейных линз размером 8×6 мм с фокусным расстоянием F₀ = 33 мм.

Люминесцентные концентраторы

Люминесцентные концентраторы (ЛК) строятся на принципе поглощения и в дальнейшем излучения части солнечного спектра. Обычно ЛК представляют собой пластину из прозрачного материала с добавками люминесцирующих веществ. Переизлученная радиация частично выходит за пределы пластины, а лучи с превышением угла полного внутреннего отражения начинают распространяться по пластине к ее торцам, где создается повышенная концентрация излучения (рис. 8.10). Обширный анализ исследований в этой области приведен в работе В. К. Баранова и М. Б. Левина^[1], материалы которой использованы в данном параграфе.

ие. 8.10. Схема работы люминесцентного концентратора:

солнечный луч попадает в пластину, возбуждает центр люминесценции, часть излучения выходит за пределы пластины, часть излучения направляется к торцам пластины с СЭ При прохождении света по ЛК имеют место следующие эффекты: самопоглощение красителя, рассеяние, потери при полном внутреннем отражении, поглощение. Все перечисленные потери составляют 1—3%/см. Используемые в ЛК полимерные материалы используют приблизительно 14—20% приходящего солнечного излучения. Существенные потери возникают в связи с частичным перекрытием полос поглощения и люминесценции (рис. 8.11). Оптическая эффективность, равная отношению числа квантов, используемых СЭ, к числу приходящих квантов, составляет для лучших образцов 0,1—0,15.

Рис. 8.11. Спектральные характеристики солнечного излучения, спектральная чувствительность СЭ, пример ЛК:

а — квантовое спектральное распределение излучения Солнца (1); спектральная чувствительность солнечных элементов (2); спектральные характеристики ЛК на основе кварцевого стекла с Sm²⁺ (поглощения 3 и люминесценции 3'); б — спектры поглощения (1') и люминесценции (2') родамина 6Ж в полимерной пластине 5 мм Для ЛК применяют материалы, эффективно поглощающие солнечный свет, интенсивно люминесцирующие в спектральной области максимальной чувствительности СЭ, сохраняющие свои параметры в условиях эксплуатации.

Высокая растворимость органических люминофоров в полимерных средах (обычно в полиметилметакрилате ПММК) позволила разработать пленочные и пластинчатые концентраторы с разнообразными спектральными характеристиками, излучающие в видимом и ИК-диапазонах. Среди люминофоров разных химических классов наиболее часто применялся краситель желто-красного свечения — родамин 6Ж (спектрально-люминесцентные характеристики показаны на рис. 8.11, б. Эффективные полимерные ЛК созданы с использованием люминофоров других типов.

Однако исследования показали, что фотои термостабильность люминесцирующих полимерных материалов недостаточно высокая. Так, после непрерывного 200—400-часового облучения радиацией от Солнца или УФ-ламп полимерных пластин с родамином 6Ж, кумаринами и другими люминофорами наблюдалось снижение на 15—20% их оптической плотности и интенсивности свечения. Аналогичные результаты получены и при умеренном нагреве (25—95 °С) полимерных образцов.

Существенно более стабильными спектральными параметрами характеризуются стекла и кристаллы, активированные редкоземельными и переходными металлами. Например, кварцевые стекла, содержащие двухвалентные ионы редкоземельных металлов, обладают широкими полосами поглощения в УФи видимой областях спектра и интенсивной люминесценцией. В качестве перспективных материалов рассматривается рубин.

• [1] Баранов В. К., Левин М. Б. Люминесцентные концентраторы солнечной радиациии перспективы их применения в гелиотехнике // Гелиотехника. 1989. № 2. С. 18—26.