• Rezultati Niso Bili Najdeni

Solarni absorberji

In document MAGISTRSKO DELO (Strani 32-37)

2. Teorija in literatura

2.3. Solarni absorberji

15 Spektralno selektivni absorberji

Odkritje čim bolj efektivnega materiala je najpomembnejši faktor pri učinkovitem izkoriščanju sončne energije. Ker trenutno uporabljeni absorberji, ki bazirajo na različnih ogljikovih alotropih skoraj popolno imitirajo absorpcijski spekter črnega telesa, se zaradi visoke termične emitance prek 95% absorbirane energije izgubi v okolje [50]. Veliko bolj efektivno rešitev ponujajo spektralno selektivni absorberji (SSA), ki absorbirajo velik deleţ prejete solarne radiacije, hkrati pa minimizirajo nezaţelene energetske izgube v obliki IR emisij, ki so posledica sevanja segretega črnega telesa.

Selektivni absorberji bazirani na reduciranem grafen oksidu (rGO-SSA) na primer omogočajo 92% solarno absorbanco, pri čimer toplotne izgube predstavljajo zgolj 4% absorbirane energije, oz. 6% pri temperaturi do 300°C [51]. Dodatno prednost pred ostalimi materiali omogoča tudi grafenu (in borofenu) lastna moţnost spreminjanja višine Fermijevega energetskega nivoja s pomočjo funkcionalizacije strukture, prek česar lahko kontroliramo valovno dolţino absorbirane svetlobe [52]. Poleg naštetega borofen razmeroma nerad tvori okside tudi pri dolgotrajni izpostavitvi temperaturam do 600°C in je strukturno obstojen v Ar atmosferi pri T do 1000°C, kar dodatno podpira moţnost uporabe borofenskih SSA [32].

2.3. Solarni absorberji

Za razliko od sončnih celic, ki električno energijo pridobivajo direktno iz sončne svetlobe, so solarni absorberji v osnovi zgolj pripomoček za segrevanje medija. Delovanje solarnega absorberja sloni na izkoriščanju sončne svetlobe, ki pada na izpostavljene cevi centralnega grelnega sistema. Medij v ceveh se pri tem močno segreje, kar lahko s pridom izkoristimo za segrevanje sanitarne vode, pridobivanje industrijske toplote ali celo električne energije.

V principu poznamo dve osnovni vrsti solarnih absorbejev; koncentratorske in nekoncentratorske. Pri nekoncentratorskih absorberjih je površina izpostavljena sončni svetlobi enaka površini cevi, po katerih kroţi medij in redko presega nekaj kvadratnih metrov. Najpogosteje so v uporabi temne kovinske plošče s podpovršinskim vodnim hlajenjem. Voda v ceveh dosega temperature do 50°C, zato njena uporaba obsega predvsem ogrevanje prostorov ter gospodinjsko rabo [53].

Če so nekoncentratorski absorberji razmeroma majhni, pa za koncentratorske velja ravno obratno. Tipični podporni sistemi za koncentratorske absorberje so sestavljeni iz več tisoč ogledal imenovanih heliostati in nemalokrat zasedajo tisoče kvadratnih metrov površine.

Heliostati so računalniško vodeni in sledijo soncu tako, da sončno svetlobo odbijajo v točko, kjer leţi solarni absorber. Tak sistem koncentrira sončno svetlobo z ogromnega območja na razmeroma majhno površino absorberja, kar močno zviša intenziteto prejete svetlobe ter posledično količino prejete energije. Toplota, ki se pri tem sprosti omogoča segrevanje medija na mnogo višje temperature. V primeru vode je prejeta energija zadostna za proizvodnjo vodne pare, ki jo lahko uporabimo za poganjanje turbine in posledično proizvodnjo električne energije [53]. Poleg heliostatskih sistemov s centralnim stolpom poznamo tudi parabolična ogledala in ostale koncentratorske sisteme, vsem pa je skupno da absorber leţi v fokalni točki.

16

2.3.1. Pretvorba svetlobe v toploto

Za boljše razumevanje, kako solarni absorber prejeto sončno radiacijo pretvori v toploto, je potrebno poznati princip sprejemanja ter oddajanja energije. Ko foton interagira z materialom, se njegova energija porabi za prehod valenčnega elektrona v vzbujeno stanje.

Dodatna energija vzbujenega elektrona bo pri tem zaradi tendence po povišanju entropije slej ko prej oddana v okolico na enega izmed dveh načinov. Zaradi notranjih vibracij se bo elektron najprej spustil na najniţji energetski nivo valenčnega pasu, ustrezno količino energije pa bo pri tem izgubil v obliki toplote prek prevodnosti skozi material ter nadaljnje konvekcije v okolico. Ko elektron doseţe najniţji energetski nivo vzbujenega stanja, ki meji na prepovedan elektronski pas, bo padel nazaj v osnovno stanje, pri tem pa energijo, ki ustreza debelini prepovedanega pasu oddal prek radiacije, v obliki infrardečega elektromagnetnega valovanja. Energija oddana prek radiacije za solarni absorber predstavlja direktne izgube, razlog pa je natančneje opisan v podpoglavju 2.3.3. Efektivni solarni absorberji so torej sposobni maksimirati pretvorbo prejete solarne radiacije v toploto, hkrati pa minimizirajo izgube povzročene s strani lastne radiacije. Ker so slednje močno pogojene s širino prepovedanega pasu materiala, so za uporabo v solarnih absorberjih najefektivnejši kovinski materiali z ničelnimi širinami prepovedanega pasu.

2.3.2. Spektralni premazi

Kadar sonce direktno obseva bakreno cev, se voda v cevi sicer segreje, vendar je zaradi nizke solarne absorpcije bakra količina absorbirane energije zanemarljiva v primerjavi z energijo oddano s strani sonca. Da lahko povečamo izkoristek absorpcije in kasnejše pretvorbe sončne energije v toploto, so površine solarnih absorberjev zato prekrite s premazi. Izkoristek se sicer do določene mere poveča ţe, če površino absorberja prekrijemo s črno barvo, vendar pravo optimizacijo omogoča šele vpeljava namembnih večplastnih kompozitov.

Slika 5: Različni tipi trenutno uporabljenih spektralnih premazov, cilj vseh je čim višja absorpcija svetlobe in nizka termična emisivnost [54].

17

Kot je razvidno iz slike 5, se strukture posameznih premazov med seboj močno razlikujejo, pri vseh pa je cilj čim višja solarna absorpcija, z minimaliziranim deleţem izgube energije prek radiacije. Najosnovnejša izboljšava za dvig absorpcije svetlobe je hrapavost površine (v), ki mehansko onemogoča odboj svetlobe stran od površine. Vse ostale rešitve vsebujejo nanos plasti na substrat, ter so lahko aplicirane v različnih kombinacijah.

Notranje plasti premaza navadno vključujejo kovinske elemente, ki so sposobni direktne absorpcije fotonov (iii, iv). Pomembno je, da so vsebovani kovinski delci sposobni absorbirati fotone po celotnem spektru solarne radiacije (0,3-2,5 μm), s čimer izkoristimo vso prejeto energijo in omogočimo višjo celokupno absorpcijo. V preteklosti je bilo pokrivanje celotnega spektra doseţeno z vpeljavo različnih tipov kovin, od odkritja nanomaterialov pa lahko valovno dolţino absorbirane svetlobe nadziramo ţe z dizajniranjem velikosti nanodelcev ali funkcionalizacijo nanoplasti [52]. Ne glede na izbiro tipa kovinskih delcev, je nujna njihova integracija v kompozit z dielektričnim materialom. Električna neprevodnost slednjega omogoča, da elektroni vzbujeni s strani fotonov ne morejo prosto potovati po premazu, kar zmanjša energetske izgube zaradi električne upornosti in onemogoči korozijski tok. Poleg kovinskih delcev lahko absorpcija svetlobe poteka tudi v plasti polprevodnika (ii), kjer je princip oddaje toplote enak, le da se zaradi moţnosti indukcije toka in širšega prepovedanega pasu materiala manjši deleţ prejete energije pretvori v toploto.

Namembnost zgornje plasti je navadno odvisna od lastnosti ter razporeditve ostalih plasti v premazu. V primeru prisotnosti polprevodnika, selektivnega materiala ali črne barve lahko v premazu pride do indukcije električnega toka, zato se kot zaščita uporablja pasivacijska zaključna plast transparentnih oksidov (vi). Ti omogočajo prehod svetlobe v notranje plasti premaza, hkrati pa preprečujejo korozijske pojave. V primerih kjer moţnost korozije ni zaskrbljujoča, se premaz zaključi s protiodbojno plastjo (ii), ki minimalizira odboj svetlobe od premaza ter s tem poskrbi za maksimalen vstop svetlobe v notranjost.

Ker tudi v najučinkovitejših premazih pri prehodu svetlobe ne pride do popolne absorpcije, je ţe pred nanosom premaza direktno na substrat ugodno nanesti reflektivno plast. Ta poskrbi za ponoven prehod svetlobe skozi premaz, kar dodatno zviša absorpcijski izkoristek [54].

18

2.3.3. Sevanje črnega telesa

Za razumevanje ter posledično efektivno izkoriščanje svetlobnega spektra je nujno potrebno razumeti osnove sevanja črnega telesa, ki podrobno razlagajo izgubo energije zaradi radiacije. Kadar imamo opravka s telesom segretim nad temperaturo okolice, bo ta zaradi padca vzbujenih elektronov na osnovno mesto določen del energije oddajal v obliki elektromagnetnega valovanja različnih valovnih dolţin.

Slika 6: Spekter sevanja popolnega črnega telesa pri različnih temperaturah [55].

Kot je razvidno iz slike 6, je narava elektromagnetnega valovanja, ki ga črno telo oddaja močno pogojena z njegovo temperaturo, odvisnost pa opisujeta dva naravna zakona.

Enačba 1

Enačba 1: Stefan-Boltzmannov zakon za sevanje popolnega črnega telesa, kjer F predstavlja radiacijski fluks (W/m2), T temperaturo, σ pa Stefan-Boltzmannovo konstanto, ki znaša 5,67*10-8 W/m2K4.

Prvi med njima je Stefan-Boltzmannov zakon, matematično prikazan v zgornji enačbi, ki opisuje kako se fluks ter posledično intenziteta oddanega elektromagnetnega (EM) valovanja eksponentno povečujeta s temperaturo. To sicer razloţi na sliki 6 opazen temperaturno pogojen premik navzgor, ne pa tudi premika v levo. Razlago dopolni Wienov zakon, ki trdi da črna telesa pri niţjih temperaturah večinoma oddajajo nizkoenergijska EM valovanja daljših valovnih dolţin, z dvigom temperature pa EM valovanja pridobijo več energije, zato se v povprečju zmanjša tudi njihova valovna dolţina [55].

Aplikacija obeh zakonov v prakso razloţi, zakaj je elektromagnetno valovanje sonca, katerega površina ima temperaturo pribliţno 5800 K, najintenzivnejše v vidnem spektru ter skoraj v celoti obstaja zgolj pri valovnih dolţinah krajših od 2500 nm. Levi zamik, ki ga opisuje Wienov zakon je tako odlična podlaga za optimalno izkoriščanje sončne energije s pomočjo spektralno selektivnih premazov.

19

2.3.4. Termična emisivnost (ε)

Ne glede na lastnosti izbranega materiala, se izgubam notranje energije zaradi radiacije ne moremo izogniti. Čeprav so te izgube v primeru uporabe visokoprevodnih materialov z ničelnim prepovedanim pasom znatno niţje, so zaradi naključne kvantizacije energije še vedno prisotne. Zakoni sevanja črnega telesa tako veljajo za vse materiale, stopnjo do katere jim materiali sledijo pa lahko izrazimo s termično emisivnostjo.

Termična emisivnost je definirana kot razmerje med energijo, ki jo prek radiacije izgubi naš material, ter energijo, ki bi jo pri isti temperaturi izgubilo popolno črno telo. Njena vrednost se giblje med 0 in 1, kjer 1 pomeni posnemanje črnega telesa, vrednosti blizu 0 pa so lastne materialom, ki prek radiacije izgubijo minimalno količino notranje energije in so posledično zanimivi za uporabo v solarnih absorberjih [56].

2.3.5. Solarna absorpcija (α

S

)

Ena izmed najpomembnejših lastnosti materialov, ki jih uporabljamo v solarnih aplikacijah je prav gotovo sposobnost sprejemanja čim večje količine solarne energije. To lastnost opisuje solarna absorpcija materiala, ki predstavlja razmerje med absorbirano solarno radiacijo ter celokupno količino solarne radiacije, ki ji je material izpostavljen.

Solarna absorpcija se giblje med 0 in 1, kjer 0 pomeni popoln odboj svetlobe, ki pada na površino materiala, 1 pa popoln sprejem vse svetlobe v material. Dvig solarne absorpcije je najučinkovitejši način za povišanje efektivnost vseh solarnih naprav, saj direktno zviša količino energije, ki je na voljo za nadaljnjo uporabo. Idealen material za solarni absorber bo sposoben popolne absorpcije EM valovanja z valovno dolţino 300-2500 nm [56].

2.3.6. Spektralna selektivnost

Spektralna selektivnost je sposobnost materiala, ki omogoča različno stopnjo absorpcije različnih valovnih dolţin. V praksi tako lastnost lahko izrabimo na dva načina; spektralno selektivni materiali, ki so visoko prepustni za vidno svetlobo, hkrati pa dobro absorbirajo IR svetlobo so izjemno primerni za zaščito steklenih površin, saj segrevanje prostora ter posledično potrebo po klimatiziranju zmanjšajo kar do 40% [57].

Slika 7: Spekter tipične sončne radiacije (rdeče) ter sevanja idealnega črnega telesa pri 100°C (modro). Idealen spektralno selektiven material bi sledil črni črtkani črti [58].

20

Obratno velja za spektralno selektivne premaze solarnih absorberjev, kjer odlična absorpcija UV in vidne svetlobe omogoča visok izkoristek sončne energije, hkrati pa velika refleksivnost za IR svetlobo zmanjšuje vpliv sevanja črnega telesa takega materiala ter posledično termično emisivnost. Kot je razvidno na sliki 7, bi idealen material omogočil popolno absorpcijo sončne svetlobe ter popolno refleksijo višjih valovnih dolţin, prehod med obema območjema pa bi bil instanten.

In document MAGISTRSKO DELO (Strani 32-37)