Спосіб конверсії енергії випромінювання джерел світла

Реферат: Спосіб конверсії енергії випромінювання джерел світла включає опромінювання невидимим інфрачервоним або ультрафіолетовим випромінюванням перетворювачів енергії випромінювання. UA 74351 U (54) СПОСІБ КОНВЕРСІЇ ЕНЕРГІЇ ВИПРОМІНЮВАННЯ ДЖЕРЕЛ СВІТЛА UA 74351 U UA 74351 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області світлотехніки, а саме до джерел видимого світла і може бути використана для підвищення енергоефективності широкого кола джерел видимого світла у промисловості або побуті. Відомий спосіб створення свічення світловипромінюючого вузла, світловипромінюючий вузол і пристрій для здійснення способу створення свічення світловипромінюючого вузла, при цьому спосіб створення свічення світловипромінюючого вузла включає генерування потоку випромінювання в діапазоні довжин хвиль 300-480 нм і дію цим потоком на світлопроникну підкладку, що містить засіб розсіяння світлового потоку, яка виконана у вигляді нанесеного на світлопроникну підкладку люмінесцентного покриття, що містить світлопроникний компонент і люмінофор, що підсумовують світлові потоки з довжиною хвилі потоку випромінювання і свічення люмінофора, яке генерується [патент №2301475 (RU), H01 J 63/06, 2007]. Недоліком способу створення свічення світловипромінюючого вузла і пристрою для здійснення способу створення свічення світловипромінюючого вузла є необхідність проміжного розсіяння потоку невидимого випромінювання, що генерується, в діапазоні довжин хвиль 300480 нм у світлопроникній підкладці і отримання видимого світла за допомогою люмінесценції розподіленого з обмеженою щільністю з метою забезпечення необхідної прозорості люмінофора в люмінесцентному покритті, що знижує ефективність випромінювання у видимому діапазоні 400-700 нм. Відомий спосіб отримання видимого світла і люмінесцентні джерела на його основі (прототип), що включає опромінювання антистоксівського люмінофора інфрачервоним випромінюванням в діапазоні 940-1030 нм, а як антистоксівський люмінофор використовують неорганічний матеріал із спектральною смугою поглинання у вказаному діапазоні довжин хвиль, яким покривають скляний балон лампи розжарювання або наносять на розташований усередині лампи розжарювання рефлектор [патент № 2313157 (RU), H01L 33/00, 2007]. Недоліком способу отримання видимого світла є обмежена ефективність перетворення інфрачервоного випромінювання у видиме світло, оскільки згідно закону збереження енергії навіть у разі резонансної люмінесценції енергетичні рівні збудження порівняні з рівнями люмінесцентних енергетичних переходів, а у разі спонтанної або вимушеної люмінесценції енергія збудження завжди більше енергетичного виходу люмінесценції і перетворення квантів інфрачервоного випромінювання з меншою енергією у кванти видимого світла з більшою енергією можливо тільки унаслідок енергетичних переходів другого роду, вірогідність яких завжди значно нижча, що і є причиною обмеженої ефективності вказаного перетворення. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу отримання видимого світла за допомогою підвищення ефективності перетворення електричної енергії у видиме випромінювання унаслідок перетворення у видиме світло випромінюваного газорозрядними лампами невидимого ультрафіолетового випромінювання або лампами розжарювання невидимого інфрачервоного випромінювання за допомогою перетворення напівпровідниковими перетворювачами енергії невидимого випромінювання в електричну енергію і використання цієї енергії додатковими випромінювачами видимого світла. Поставлена задача вирішується тим, що в способі конверсії енергії випромінювання джерел світла, що включає опромінювання невидимим інфрачервоним або ультрафіолетовим випромінюванням перетворювачів енергії випромінювання, згідно з корисною моделлю, як перетворювачі енергії невидимого інфрачервоного випромінювання, яке генерується лампами розжарювання, або невидимого ультрафіолетового випромінювання, яке генерується газорозрядними лампами, використовують виконані у вигляді рефлекторів напівпровідникові фотоперетворювачі енергії електромагнітного випромінювання в електричну енергію, якою забезпечують додаткові світловипромінюючі пристрої, розташовані зовні або усередині джерел світла. Застосування для конверсії енергії невидимого інфрачервоного випромінювання з довжиною хвилі понад 750 нм, що генерується лампами розжарювання, напівпровідникових фотоперетворювачів дозволяє збільшити ефективність перетворення електричної енергії у видиме випромінювання унаслідок утилізації до 50 % енергії невидимого інфрачервоного випромінювання ламп розжарювання, яке становить понад 90 % інтегральної енергії випромінювання. Застосування для конверсії енергії невидимого ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвилі менше 400 нм, яке генерується газорозрядними лампами, напівпровідникових фотоперетворювачів дозволяє збільшити ефективність перетворення електричної енергії у видиме випромінювання унаслідок утилізації до 50 % енергії невидимого ультрафіолетового випромінювання газорозрядних ламп, яке становить понад 70 % інтегральної енергії випромінювання. 1 UA 74351 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Застосування для конверсії енергії невидимого інфрачервоного випромінювання з довжиною хвилі понад 750 нм, яке генерується лампами розжарювання, і невидимого ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвилі менше 400 нм, яке генерується газорозрядними лампами, виконаними у вигляді рефлекторів напівпровідникових фотоперетворювачів дозволяє збільшити ефективність перетворення електричної енергії у видиме випромінювання за допомогою формування оптимального спектрального світлорозподілу джерела світла безпосередньо виконаними у вигляді рефлекторів напівпровідниковими фотоперетворювачами, поверхня яких є практично дзеркальною для видимого випромінювання унаслідок традиційно використовуваних при виготовленні фотоперетворювачів інтегральних технологій. Застосування для конверсії енергії невидимого інфрачервоного випромінювання з довжиною хвилі понад 750 нм та невидимого ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвилі менше 400 нм розташованими усередині джерел світла додаткових світловипромінюючих пристроїв дозволяє збільшити ефективність перетворення електричної енергії у видиме випромінювання за допомогою повторної конверсії енергії випромінювання додаткових світловипромінюючих пристроїв. Застосування для конверсії енергії невидимого інфрачервоного випромінювання з довжиною хвилі понад 750 нм і невидимого ультрафіолетового випромінювання з довжиною хвилі менше 400 нм розташованими зовні джерел світла додаткових світловипромінюючих пристроїв дозволяє збільшити ефективність перетворення електричної енергії у видиме випромінювання за допомогою варіації спектрального розподілу випромінювання основного і додаткового світловипромінюючих пристроїв, а також погоджувати умови експлуатації напівпровідникових фотоперетворювачів і фотовипромінювачів, час експлуатації яких складає сотні тисяч годин, з лампами розжарювання або газорозрядними лампами, термін служби яких складає тисячі годин. Реалізація способу конверсії енергії випромінювання джерел світла здійснюється таким чином. Приклад 1. Спосіб конверсії енергії випромінювання ламп розжарювання. Традиційно використовувані в електричних лампах розжарювання вольфрамові нитки розжарення допускають нагрівання до температури 2800-3000 К, що відповідає максимуму спектрального розподілу енергії випромінювання на довжині хвилі =900-1000 нм, проте частка енергії випромінювання у видимій області спектру =400-750 нм не перевищує 6-10 %, отже, 90 % електричній енергії перетворюється і випромінюється в невидимій інфрачервоній області з ефективною довжиною хвилі 900-1000 нм (фіг. 1, графік 2). Виконаний у вигляді еліптичного або сферичного відбивача для досягнення найбільшої ефективності напівпровідниковий фотоперетворювач (сонячний елемент) розташовують зовні або усередині лампи розжарювання. Виготовлені за загальноприйнятою в сучасній електроніці інтегральною технологією, напівпровідникові фотоперетворювачі унаслідок особливостей мікроструктури мають дискретно дзеркальну поверхню, що ефективно відображає випромінювання видимого діапазону та забезпечує безпосереднє використання напівпровідникових фотоперетворювачів для формування необхідного світлорозподілу джерела світла. Поширені комерційно доцільні напівпровідникові фотоперетворювачі (сонячні елементи) на основі кремнію мають спектральні енергетичні характеристики з ефективною довжиною хвилі =960 нм (фіг. 1, графік 1), що найкращим чином співпадає зі спектральною енергетичною характеристикою випромінювання вольфрамових ниток розжарення. Інфрачервоне випромінювання поглинається напівпровідниковим фотоперетворювачем, перетворюється в електричний струм, який протікає по розташованої усередині лампи розжарювання додаткової нитки розжарення і розігріває її до робочої температури. Випромінюване додатковою ниткою розжарення випромінювання також підкоряється спектральному розподілу (фіг. 1, графік 2), видиме випромінювання відбивається відбивачем і збільшує загальний світловий потік джерела світла, а невидиме інфрачервоне випромінювання поглинається сонячними елементами, перетворюється в електричний струм і бере участь у загалом енергетичному балансі джерела світла. Розташована в безпосередній близькості від основної нитки розжарення додаткова нитка розжарення забезпечує підігрів власним випромінюванням для вакуумних ламп розжарювання або конвекцією для газонаповнених ламп розжарювання основної нитки розжарення, що зменшує потрібну для досягнення необхідної температури основної нитки розжарення споживану джерелом світла електричну потужність. Комерційно доцільні кремнієві фотоперетворювачі (сонячні елементи) мають коефіцієнт перетворення сонячного випромінювання з ефективною довжиною хвилі 500 нм на рівні 12-15 %, що еквівалентно 40-50 % для випромінювання з ефективною довжиною хвилі 900-1000 нм вольфрамових ламп розжарювання унаслідок практичного збігу спектральних енергетичних характеристик. Коефіцієнт перетворення енергії інноваційних напівпровідникових 2 UA 74351 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 фотоперетворювачів досягає 42 % для сонячного випромінювання, отже, більше половини енергії невидимого інфрачервоного випромінювання ламп розжарювання доступна конверсії в електроенергію і видиме випромінювання. Генерована унаслідок поглинання невидимого інфрачервоного випромінювання напівпровідниковим фотоперетворювачем електрична енергія може бути також використана для живлення розташованого поза лампою розжарювання напівпровідникового або газорозрядного джерела випромінювання, що дозволяє моделювати спектральний склад сумарного випромінювання основного і додаткового джерел випромінювання з метою оптимізації спектрального балансу випромінювання джерела світла. Так, комбінація лампи розжарювання і живлених від напівпровідникового фотоперетворювача газорозрядної лампи або напівпровідникових світлодіодів білого світла дозволяє збільшити частку короткохвильового випромінювання видимого діапазону, що додатково збільшує ефективність конверсії випромінювання унаслідок наближення спектру джерела світла до оптимального спектрального розподілу сонячного світла. Приклад 2. Спосіб конверсії енергії випромінювання газорозрядних ламп. Традиційно використовувані для освітлення ртутні газорозрядні лапи випромінюють переважно ультрафіолетове випромінювання з ефективною довжиною хвилі 253 нм (фіг. 2, графік 1), яке перетворюється у видиме світло нанесеним на прозорі скляні або кварцові стінки балона лампи люмінофором (фіг. 2, графік 2). Трубчасті газорозрядні лампи традиційно встановлюються в освітлювальну арматуру таким чином, що близько половини випромінюючої поверхні орієнтована у бік арматури і є пасивною, світлова енергія випромінюється у бік арматури і практично не бере участь в освітленні. При реалізації способу конверсії енергії випромінювання газорозрядних ламп усередині лампи з боку пасивної поверхні розташовують напівпровідниковий фотоперетворювач з ефективною довжиною хвилі 253 нм, наприклад, GaAs з шириною забороненої зони 5 еВ (фіг. 2, графік 3). Частка енергії ультрафіолетового випромінювання, не використовувана для люмінесцентного перетворення у видиме випромінювання, за допомогою напівпровідникового фотоперетворювача перетворюється в електричну енергію, якою живлять додаткові електроди, встановлені в газорозрядній лампі. Ініційований цими електродами вторинний газовий розряд збільшує генерацію ультрафіолетового випромінювання, яке на активній частині поверхні лампи ініціює додаткове свічення люмінофора у видимій області спектру. Генерована унаслідок поглинання невидимого ультрафіолетового випромінювання напівпровідниковим фотоперетворювачем електрична енергія може бути також використана для живлення розташованих поза газорозрядною лампою додаткової газорозрядної лампи, лампи розжарювання або напівпровідникового джерела випромінювання, що дозволяє моделювати спектральний склад сумарного випромінювання основного і додаткового джерел випромінювання з метою оптимізації спектрального балансу випромінювання газорозрядного джерела світла, випромінювання якого не є спектральне безперервним. Так, комбінація газорозрядної лампи і лампи розжарювання дозволяє збільшити частку жовто-зеленого випромінювання з безперервним спектром, а комбінація газорозрядної лампи і напівпровідникових світлодіодів білого світла дозволяє значно збільшити ефективність конверсії енергії унаслідок високої ефективності перетворення енергії вказаними джерелами випромінювання. Таким чином, спосіб конверсії енергії випромінювання джерел світла дійсно дозволяє підвищити ефективність перетворення електричної енергії у видиме випромінювання унаслідок перетворення у видиме світло випромінюваного газорозрядними лампами невидимого ультрафіолетового випромінювання або лампами розжарювання невидимого інфрачервоного випромінювання за допомогою перетворення напівпровідниковими перетворювачами енергії невидимого випромінювання в електричну енергію і використання цієї енергії додатковими випромінювачами видимого світла. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб конверсії енергії випромінювання джерел світла, що включає опромінювання невидимим інфрачервоним або ультрафіолетовим випромінюванням перетворювачів енергії випромінювання, який відрізняється тим, що як перетворювачі енергії невидимого інфрачервоного випромінювання, яке генерується лампами розжарювання, або невидимого ультрафіолетового випромінювання, яке генерується газорозрядними лампами, використовують виконані у вигляді рефлекторів напівпровідникові фотоперетворювачі енергії електромагнітного випромінювання в електричну енергію, якою забезпечують додаткові світловипромінюючі пристрої, розташовані зовні або усередині джерел світла. 3 UA 74351 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4