Wraz z postępującą urbanizacją, wykorzystanie powierzchni przez systemy konwersji energii słonecznej staje się problematyczne. Najprostszym rozwiązaniem wydaje się być skupianie promieniowania słonecznego na skończonym obszarze przy użyciu technik optycznej koncentracji światła.
W ujęciu historycznym propozycje koncentracji światła słonecznego ewoluowały począwszy od optyki obrazującej (zwierciadła i soczewki) [X. Ma, i in., J Daylighting, 2019, 6, 80-96] do nowoczesnej płaskiej optyki Fresnela [W.T. Xie, i in., Renew Sustain Energy Rev, 2011, 15, 2588–2606; M. Khamooshi, i in., Int J Photoenergy, 2014, 958521, 1-17]. Jednak konwencjonalne układy optyczne stwarzały problem związany z dużym rozmiarem elementów optycznych wymaganych do skutecznego skupiania światła. Późniejsze wprowadzenie nowoczesnych, smukłych konstrukcji składających się z soczewek
i luster, opartych na optyce planarnej, umożliwiło rzeczywiste zmniejszenie wielkości systemu [S. El Himer, i in., Energies, 2020, 13, 5721]. Niestety koncepcja zbierania energii z wielu punktów ponownie stała się przeszkodą, kiedy to systemy optyczne stawały się znacznie większe niż elementy foto-aktywne. Pojawiło się zatem miejsce na koncepcję planarnego koncentratora światła (PLC – ang. planar light concentrator) opartego na falowodzie, który umożliwiał zbieranie energii w jednym punkcie, propagowanie światła rozproszonego falowodem i zmniejszanie wymiarów całego układu skupiającego światło [C.-H. Kuo, i in., Opt Express, 2020, 28, 34362-34377].
Technologia PLC, zapoczątkowana w systemach koncentratorowych CPV i CPVT (Skoncentrowane kolektory fotowoltaiczne CPVT), rozwinęła się ze szczególnym uwzględnieniem opracowań dotyczących nowych układów i rozwiązań materiałowych. Właściwości płaskiego koncentratora światła predestynują go do zastosowania w połączeniu z ogniwem słonecznym, w szczególności krzemowym, cienkowarstwowym i wielozłączowym (Tandemowe ogniwa słoneczne – podstawy, zasada działania, perspektywy). Ze względu na zwartą, płaską i estetyczną konstrukcję, możliwości adaptacyjne systemu PLC mają ogromny potencjał w sektorze BIPV w opracowywaniu elementów okładzin, dachu i przeszkleń generujących energię.
Koncentrator PLC oparty na falowodzie składa się z płaskiego bądź zaokrąglonego elementu umożliwiającego absorbcję i transport światła poprzez całkowite odbicie wewnętrzne lub odbicie lustrzane, które jest ostatecznie wypromieniowane z powierzchni bocznej. Jako element oparty na optyce geometrycznej może przekierowywać i skupiać światło w płaszczyznach o określonej wielkości i liczbie, wykorzystując wielomodowe odbicie, załamanie i całkowite wewnętrzne odbicie, prowadząc wprost do ogniwa słonecznego. Płaskie koncentratory geometryczne z planarnym prowadzeniem światła można sklasyfikować głównie jako: 1) jednoelementowe typu odbijającego, 2) wieloelementowe typu odbijającego, 3) wieloelementowe typu refrakcyjnego.
1) Pojedynczy element odbijający
W tym przypadku optyka odbijająca jest wbudowana wewnątrz lub na zewnątrz koncentratora w celu skupienia i przekierowania światła do falowodu. Jednym z najprostszych rozwiązań tego typu jest układ rowków w kształcie litery V na płaskim falowodzie optycznym, w którym przekierowanie światła następuje w kierunkach poprzecznych. Odbicie od rowków może nastąpić dwojako: przez dodatkowo osadzone powłoki odbijające albo przez zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia. Taki układ zasadniczo składa się z optycznie przezroczystego materiału (np. szkła, PMMA, akrylu) z górną płaską powierzchnią i pokrytymi metalem (np. glinem czy srebrem) rowkami w kształcie litery V w dolnej części (podobne rozwiązanie o innym działaniu opisane zostało w artykule: Nowe możliwości wykorzystania nieaktywnej powierzchni modułów PV (cz. 1)). Światło padające na układ jest odbijane przez rowki i kierowane do ogniw słonecznych umieszczonych w bocznej części koncentratora [A.C. Wei, i in., Optik (Stuttg), 2016, 127, 10858-10867]. Projektowanie układów rowków jest skomplikowanym procesem matematycznym skupiającym się na określaniu kształtów i wielkości pojedynczych wgłębień, odległości pomiędzy dnem koncentratora a środkiem ogniwa słonecznego, odległości między ogniwem słonecznym a grzbietem rowka, odległości między rowkami itd. Głównym ograniczeniem parametrycznym i konstrukcyjnym tego typu PLC jest współczynnik kształtu samego koncentratora, który ogranicza całkowite wewnętrzne odbicie
i prowadzenie promieni świetlnych, a w konsekwencji prowadzi do bezefektywnego wypromieniowania światła w kierunkach, gdzie nie ma ogniw słonecznych. W konsekwencji wiąże się to z bardzo wysokimi wymaganiami dotyczącymi materiału optycznego. Zamknięcie całego systemu w jednym elemencie przesądza o efektywności kosztowej instalacji. Przykładem komercyjnego zastosowania płaskiego koncentratora opartego na pojedynczym elemencie odbijającym jest Sun Simba firmy Morgan Solar [Animesh M. Ramachandran, i in., RINENG, 2022, 16, 100665].
Rys.1. Płaski koncentrator światła oparty na optyce geometrycznej zawierający pojedynczy element odbijający Sun Simba firmy Morgan Solar [materiały promocyjne firmy Morgan Solar
2) Wieloelementowy typ odbijający
W tym rozwiązaniu powierzchnie odblaskowe służą do przekierowania i koncentracji światła, które jest optycznie oddalone od falowodu, tworząc wieloelementowy koncentrator PLC. Najczęściej wiele przezroczystych, skupiających elementów ułożonych jest w szereg segmentów o kształcie łuku [C.-H. Kuo, i in., Opt Express, 2020, 28, 34362-34377]. Skuteczność działania takiego elementu jest spowodowana efektem, gdzie światło wchodzi do poszczególnych segmentów, ulega odbiciu, a następnie jest skupiane w falowodzie, gdzie podlega skośnej propagacji. Drugi element (ruchomy) układu polega na zbieraniu skupionego światła przez kanały światłowodowe (LGC), a następnie skupianiu go na umieszczonym na końcu ogniwie słonecznym. Dodatkowo wbudowane pryzmaty o wyższym współczynniku załamania światła są stosowane w celu uzyskania lepszej wydajności optycznej i zmniejszenia strat.
3) Wieloelementowy typ refrakcyjny
Ogólnie rzecz biorąc, wieloelementowe refrakcyjne systemy PLC składają się z szeregu soczewek zbieżnych (mikrosoczewek), które są połączone optycznie z elementem światłowodowym. Światło, poprzez liczne elementy rozpraszające (zwykle pryzmaty powietrzne), kierowane jest do ogniwa słonecznego przymocowanego do powierzchni bocznej. Dzięki zastosowaniu płaskich falowodów płytowych długość koncentratora można wydłużać bez ograniczeń, ale układ wykazuje straty na wielokrotnych połączeniach poszczególnych elementów [E.J. Tremblay, i in., Opt Express, 2010, 18, 1122-1133].
Technologia płaskich koncentratorów światła opartych na optyce geometrycznej wydaje się być ukształtowana ze względu na możliwość jej zastosowania w kompaktowych środowiskach zabudowanych. Jednak sektor ten jest rozproszony pod względem postępów metodologicznych w ciągu ostatniej dekady, związanych z projektowaniem geometrycznych struktur, których ilość wariantów jest ograniczona. Podkreśla się, że istotą nowatorskich rozwiązań jest sfera rozwoju materiałów możliwych do zastosowania w układach geometrycznych, które są wydajne i dobrze poznane [Animesh M. Ramachandran, i in., RINENG, 2022, 16, 100665].
