Design and Development of Transparent Luminescent Solar Concentrator using Mixed Rock Salt and Polymethyl Methacrylate

Abstract

Solar energy is large amount of energy which could be used for several million years on the earth as the clean energy. As a result, many countries trends to utilize it more and more. The utilization solar energy as electricity directly would be the most famous by using the silicon crystalline based solar cells. However, the silicon based cells are opaque that would limit other benefits of using rather than generating direct electricity. Therefore, the transparent luminescent concentrator cells have been developed. These new types of the solar cells that convert electricity from ultraviolet and infrared rays while allowing the white light to pass through the cells. Unfortunately, the transparent luminescent concentrator cells have complicated manufacturing processes and difficulty in developing the high efficient light absorbing and reflection materials.

This research has an objective to design and develop the rock salt based transparent luminescent concentrator cells by using chemical processes to conduct special salt solute with 36% concentration. This solute was injected into the cell grids made of Poly Methyl Methacrylate sheets with width, length and thickness of 5x5x1.8 cm. For the experiment, a artificial solar energy source using Halogen light bulbs was designed and developed. This source was used to test and the test results were used to compare the electrical characteristics between the proposed cells and the conventional silicon based cells, as well as, when combined these two cells together. The open circuit electric voltage and short circuit electric current of the cell samples were measured for every 30 minutes for 10 data per test condition. The temperature of the designed solar energy source started to increase from the room temperature of 25-26 degrees Celsius and became constant at 87-89 degrees Celsius along the test time between 60 – 600 minutes. The open circuit voltage of both cells had the highest values at the room temperature and decreased when the temperature increased but retains constant after the test minute of 60. The short circuit current for both cells had values changing propositionally to the change of the solar concentration levels. The short circuit current of the silicon based cells decreased by 15.79% while the proposed cells decreased only by 8.00%. In addition, when combined the two types of the cells together, the theoretical power of the cells when connected in parallel achieved the highest value, following by when connected in series.

พลังงานจากรังสีอาทิตย์เป็นพลังงานที่มีอยู่อย่างมหาศาล สามารถใช้ได้ประโยชน์บนพื้นผิวโลกได้หลายล้านปีและถือได้ว่าเป็นพลังงานสะอาด ด้วยเหตุนี้หลายประเทศทั่วโลกจึงหันมาใช้พลังงานจากรังสีแสงอาทิตย์มากขึ้น โดยการใช้ประโยชน์จากรังสีอาทิตย์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันเป็นการแปลงผันพลังงานรังสีอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าโดยตรงโดยใช้โซลาร์เซลล์ โดยโซลาร์เซลล์แบบผนึกซิลิคอนเป็นชนิดที่นิยมที่สุด อย่างไรก็ตาม เซลล์ประเภทนี้มีลักษณะทึบทำให้เกิดข้อจำกัดทางการใช้ประโยชน์ในด้านอื่นนอกเหนือจากการใช้เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว ดังนั้นจึงมีการคิดค้นโซลาร์เซลล์โปร่งแสง ซึ่งเป็นโซลาร์เซลล์อีกชนิดใหม่ที่มุ่งเน้นผลิตกระแสไฟฟ้าจากรังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีอินฟราเรดเพื่อใช้ในการผลิตกระแสไฟฟ้าโดยจะปล่อยให้แสงขาวทะลุผ่าน แต่โซลาร์เซลล์โปร่งแสงในปัจจุบันยังมีขั้นตอนหรือวัสดุที่นำมาใช้ในการดูดซับและหักเหของแสงที่มีประสิทธิภาพดีนั้นมีความยุ่งยากและซับซ้อน

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อออกแบบและพัฒนาโซลาเซลล์โปร่งแสงจากการนำเกลือสินเธาว์มาผ่านกระบวนการทางเคมีเพื่อให้มีความเข้มข้นประมาณ 36% โดยเติมเข้าไปยังชุดกริดโซลาเซลล์โปร่งแสงที่ทำจากแผ่นโพลีเมทิลเมทาคริเลต ขนาดกว้าง ยาว และหนา 5x5x1.8 ซม. ซึ่งในการทดสอบได้มีการออกแบบห้องจำลองระบบกำเนิดรังสีอาทิตย์เสมือนขึ้นมาใช้ในการทดสอบโดยใช้หลอดฮาโลเจน ทำการทดสอบและผลการทดสอบใช้เปรียบเทียบคุณสมบัติทางไฟฟ้าของโซลาร์เซลล์โปร่งแสงกับโซลาร์เซลล์ชนิดผลึกทึบ และการทดสอบการติดตั้งใช้งานร่วมกันของโซลาร์เซลล์ทั้ง 2 ชนิด ซึ่งการทดสอบแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด และกระแสไฟฟ้าลัดวงจรของโซลาร์เซลล์ผลึกทึบและโซลาร์เซลล์โปร่งแสง รวมถึงการเชื่อมต่อเซลล์ร่วมกัน โดยวัดค่าทุก 30 นาที เป็นจำนวน 10 ครั้งต่อสภาวะการทดสอบ ซึ่งอุณหภูมิของห้องทดสอบจะเพิ่มขึ้นจากอุณหภูมิห้องที่ 25-26 องศาเซลเซียสเมื่อเปิดระบบกำเนิดรังสีอาทิตย์เสมือน และเริ่มคงที่ที่ประมาณ 87–89 องศาเซลเซียส หลังจากนั้น ตลอดช่วงเวลา ที่ 60 - 600 นาทีของการทดสอบ แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดของทั้งโซลาร์เซลล์แบบผลึกทึบและโซลาร์เซลล์โปร่งแสง จะมีค่าสูงที่สุดที่อุณหภูมิห้อง ณ เริ่มต้น และจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น โดยจะมีแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิคงที่หลังนาทีทดสอบที่ 60 กระแสไฟฟ้าลัดวงจรของทั้งโซลาร์เซลล์แบบผลึกทึบและโซลาร์เซลล์โปร่งแสง จะมีค่าแปรผันตรงกับระดับความเข้มแสง โดยค่ากระแสลัดวงจรของโซลาร์เซลล์แบบผลึกทึบ ลดลงสูงสุด 15.79% ในขณะที่โซลาร์เซลล์โปร่งแสงลดลง 8.00% และกำลังไฟฟ้าในทฤษฎี การเชื่อมต่อแบบขนานมีค่ามากที่สุด รองลงมาคือกำลังไฟฟ้าการเชื่อมต่อแบบอนุกรม กำลังไฟฟ้าโซลาเซลล์ผลึกทึบ และกำลังไฟฟ้าโซลาเซลล์โปร่งแสง ตามลำดับ