Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Разработка полимерных люминесцентных композиций для солнечной энергетики
НТТМ-2017-0257 | Категория II

Автор:

Хребтов Александр Андреевич

Научный руководитель:
Лим Любовь Андреевна
Организация:
Дальневосточный федеральный университет,
Приморский край, Владивосток
Цель работы
Целью данной работы является разработка технологии получения люминесцентного солнечного концентратора, с помощью которого могут быть созданы энергогенерирующие неокрашенные светопрозрачные конструкции зданий (окна, фасады и т.д.).
Обзор предметной области
В настоящее время всё больше исследований посвящено изучению и практическому внедрению альтернативных источников энергии, которые в ближайшей перспективе заменят невозобновимые природные энергетические ресурсы: нефть, газ и уголь. Один из таких источников – солнечная энергия. С помощью солнечных батарей её можно преобразовать в электрическую. Несмотря на то, что в настоящее время доля солнечной энергии остаётся довольно скромной, данный сегмент энергетики является одним из самых интенсивно развивающихся.
В указе Президента РФ № 899 от 07.07.2011 г. определены приоритетные направления развития науки, технологий и техники в РФ и перечень критических технологий. Проблемы конвертации солнечной энергии в формы, пригодные для хозяйственного использования, в том или ином виде упомянуты в обоих разделах: "Энергоэффективность, энергосбережение…"; "Технологии новых и возобновляемых источников энергии…". Таким образом, исследования в области разработки функциональных материалов, предназначенных для улавливания солнечной энергии и трансформации ее в электрическую, являются актуальными и востребованы на данном этапе развития технологического уклада в России и мире. Имеющийся у нашей научной группы задел в области синтеза и исследования свойств люминесцентно-активных комплексов, а также опыт получения и исследования полимерных люминесцентных композиций следует превратить в точку роста по изучению и разработке технологии функциональных материалов на их основе.
Главное препятствие на пути более широкого использования солнечной энергии – низкий КПД преобразователей при высоких затратах на их производство. Снизить требуемые объемы фотоэлектрических преобразователей можно, используя концентраторы солнечной энергии. Обычно используемые концентраторы представляют собой подвижные зеркала, следящие за перемещением солнца для создания оптимального угла падения излучения. Такие громоздкие конструкции не позволяют существенно снизить стоимость преобразования энергии.
Люминесцентные солнечные концентраторы (ЛСК) в комплексе с обычными солнечными батареями позволят не только снизить стоимость преобразования энергии, но и использоваться в тех областях, где прямое использование фотоэлектрических преобразователей не слишком эффективно: концентрирование рассеянного и отраженного света, использование в конструкционных элементах зданий и сооружений (окна и другие светопрозрачные конструкции).
В настоящее время в мире ведутся работы по использованию различных люминофоров как активных элементов в твердотельной полимерной матрице [1-3]. Общим недостатком этих разработок является то, что данные люминофоры окрашены, что сужает область их применения. Нашим конкурентным преимуществом является то, что возглавляет научную группу один из крупнейших в мире ученых в области люминесцентно-активных комплексов, имеющий собственные уникальные разработки по их синтезу [4-13].
К настоящему времени нами получены и исследованы спектральные свойства композиций. Исследованы образцы с различными концентрациями люминофоров и их смесей.
1. Zhou W. Poly(methyl methacrylate) (PMMA) doped with DCJTB for luminescent solar concentrator applications / W. Zhou, M.-C. Wang, X. Zhao // Solar Energy. – 2015. – № 115. – P. 569-576. doi: 10.1016/j.solener.2015.03.012.
2. Эффективные люминесцентные солнечные концентраторы на основе малодефектных органических стекол, содержащих новый цианопорфиразиновый комплекс иттербия / И. С. Григорьев и др. // Российские нанотехнологии. – 2012. – № 9-10 (7). – С. 53-58.
3. Han, B. G. The Luminescent Solar Concentrators with the H-aggregate of Perylene Diimide Dye Imbedded into PMMA / B. G. Han, J. S. Kim // Fibers and Polymers. - 2015. - Vol. 16, № 4. – P. 752-760. doi: 10.1007/s12221-015-0752-z.
4. Karpenko A.A., Fedorenko E.V., Mirochnik A.G. Photo-mechanical effect in luminescent polymeric materials// Lumines. – 2010. – Vol. 25, № 6. – P. 452–455. doi: 10.1002/bio.1177 Impact Factor 1.509
5. Сажников В. А., Аристархов В. М., Мирочник А. Г., Федоренко Е. В., Алфимов М. В. Тушение флуоресценции дибензоилметаната дифторида бора, адсорбированного на силикагеле, парами полярных растворителей.// ДАН. - 2011. - Т. 437, № 2. - С. 201–204. Impact Factor 0.447
6. Федоренко Е. В., Львов И. Б., Вовна В. И. , Шлык Д. Х., Мирочник А. Г. Влияние гидратации на оптические свойства 2,2-дифторо-4-метилнафто-[1,2-е]-1,3,2-диоксаборина. Квантовохимическое моделирование и эксперимент. Изв. АН. Сер. хим. – 2011. - № 8. – С. 1513-1520. DOI:10.1007/s11172-011-0229-1 • Impact Factor 0.547
7. Karpenko A.A., Fedorenko E.V., Mirochnik A.G. Photomobile luminescent polymeric materials on the basis of boron and europium chelates // Lumines. – 2011. – Vol. 26, № 3. – P. 223–228. DOI: 10.1002/bio.1222 Impact Factor 1.509
8. Кульчин Ю. Н., Витрик О. Б., Жижченко А. Ю., Мирочник А. Г., Федоренко Е. В. Оптические свойства нового полимерного фоторегистрирующего материала на основе 2,2-дифторо-4-(9-антрацил)-6-метил-1,3,2-диоксаборина// Оптика и спектроскопия. - 2012. - Т. 112, № 4. – С. 580–585. DOI:10.1134/S0030400X12040121 • Impact Factor 0.561
9. А.Г. Мирочник, Е.В. Федоренко, И.Г. Нагорный, А.Н. Павлов, Нелинейно-оптические свойства кристаллов дибензоилметаната дифторида бора // Оптика и спектроскопия. – 2013. – Т.114, № 4. – С. 106-107 DOI:10.1134/S0030400X13040139 • Impact Factor 0.561
10. A.Yu. Zhizhchenko, O.B. Vitrik, Yu.N. Kulchin, A.G. Mirochnik, E.V. Fedorenko Guohui Lv, А.М. Shalagine, V.P. Korolkov, Recording of waveguide elements on photosensitive polymethylmethacrylate films doped by beta-diketonates boron difluoride // Optics Communications. – 2013. – Vol. 311. – P. 364-367. DOI:10.1016/j.optcom.2013.08.046 • Impact Factor 1.452
11. E.V. Fedorenko, A.G. Mirochnik, I.B. Lvov, V.I. Vovna Luminescence of solvate of boron difluoride dibenzoylmethanate with benzene: Aggregates formation // Spectrochim. Acta A. – 2014. – Vol. 120. – P. 119–125. DOI: 10.1016/j.saa.2013.10.016 Impact Factor 2.360
12. Б. В. Буквецкий, Е. В. Федоренко, А. Г. Мирочник Кристаллическое строение и люминесцентные свойства 4-(4-бензоилокси-2-гидроксифенил)-6-фенил-2,2-дифтор-1,3,2-диоксаборина // Известия АН. Сер. химическая – 2013. - № 9. - С. 1991-1998 I mpact Factor 0.547
13. Fedorenko E.V., Mirochnik A.G., Beloliptsev A. Yu., Isakov V.V. (S2-S0) and (S1-S2) luminescence of dimethylaminostyryl--diketonates of boron difluoride // Dyes Pigm. - 2014. – Vol. 109. - P. 181-188. doi:10.1016/j.dyepig.2014.04.016 Impact Factor 3.700
Описание результатов проекта
Были получены прозрачные неокрашенные образцы в виде плёнок из оптически прозрачного пластика с добавками люминофора. Подтверждена способность композиций концентрировать излучение. Выявлено, что эффективная концентрация люминофора составляет до 1 % масс. Область поглощения композиций — ближний ультрафиолетовый диапазон. Выявлено влияние концентрации на спектральные свойства композиций.
Новизна предлагаемых в проекте решений заключается в использовании органического люминофора, образующего совместно с полимерным материалом прозрачные в видимой области спектра композиции, что исключает окрашивание готового продукта. Органическая природа люминофора выгодно отличает его своими уникальными спектральными характеристиками от соединений редкоземельных металлов, также используемых в качестве переизлучающего вещества.
Описание применимости
Солнечные батареи, которые используются в настоящее время, являются громоздкими и крайне дорогими. Кроме того, в городах не так много свободных площадей для их установки. Приспособление искусственных поверхностей для этих целей (например, окна, витражи и фасады) является перспективным решением, которое позволит приблизить солнечную энергию к потребителям.
Результатом реализации данного проекта будет разработка технологии получения функциональной полимерной композиции, основное предназначение которой — использование в качестве люминесцентного солнечного концентратора. Готовый продукт, выступающий в роли люминесцентного солнечного концентратора (ЛСК), может быть изготовлен в двух исполнениях: полимерная плёнка (при использовании совместно со стеклом, на которое она будет наноситься) и полимерная пластина (при использовании без стекла). В качестве полимерной матрицы планируется использовать многотоннажные промышленные пластики (полистирол, полиметилметакрилат, поликарбонат и др.). Формование готового изделия из нового функционального материала возможно традиционными методами.
ЛСК представляет собой стационарный волновод, который состоит из прозрачного полимера с добавкой люминесцентного материала. Люминофор поглощает часть излучения со всей лицевой поверхности волновода и переизлучает его на более длинных волнах. Часть света выходит за пределы ЛСК, а часть за счёт полного внутреннего отражения идёт на торцы, где устанавливают солнечные элементы небольшого размера, которые преобразуют переизлучённый свет в электроэнергию.
Таким образом, при использовании готового продукта в комплексе с солнечными элементами может быть получена энергогенерирующая неокрашенная светопрозрачная конструкция (окно, витраж и т.д.). Такие конструкции потенциально могут быть установлены в любом здании. Особенно перспективна интеграция таких изделий в торговых центрах и высотных офисных зданиях, большая часть поверхности которых покрыта светопрозрачными конструкциями.
Дальнейшее развитие проекта
В ближайшее время планируется провести работы по подбору оптимальной рецептуры люминесцентной композиции и отработка технологии получения люминесцентных оптических стекол, а также решение вопроса о защите интеллектуальной собственности. Следующим этапом будет исследование влияния природы люминофора на функциональность материала и определение влияния люминесцентных свойств материала на выход энергии, полезной для фотоэлектрического преобразования. Параллельно с исследовательской деятельностью будет проводиться апробация результатов, реализуемая через участие в научных конференция и инновационных конкурсах. Это позволит интенсифицировать работу в данном направлении и привлечь дополнительные средства в проект.

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ

E-mail: info@konkurs-nttm.ru