Advanced coating technologies with spectral alteration for solar applications

Abstract

Tayfsal seçici kaplamalar, ısıl güneş sistemlerinin verimini azami miktara çıkartmak için kullanılmış ve uygulama tipine göre tasarlanmıştır. Bu çalışma; ısıl güneş enerjisi sistemleri ve sera uygulamaları olarak iki tip güneş uygulamasına odaklanmaktadır. Isıl güneş enerjisi sistemleri için kaplamanın; solar ışınım dalgaboylarında yüksek emilim, kızılötesi dalgaboylarında düşük ışınım yaparak sistemde dönen sıvıya taşınan ısıyı azami miktara çekmesi beklenir. Sera uygulamaları için ise kaplamanın fotosenteze faydalı olan tayfta yüksek ışınım sağlaması, ışığı eşit yayması ve dağıtması gerekmektedir. Bu çalışma; uygulamaya göre arzulanan şekilde tayfsal seçici davranış gösteren, bağlayıcı madde içerisine iyi şekilde dağıtılmış floresanlı ve floresansız pigmentli kaplamalara odaklanmaktadır. Kaplamaların ışınım transferi modellenerek saptanabilen ışınımsal davranışı; kaplama kalınlığı, pigment boyutu, pigment derişimi ve pigment ile bağlayıcı maddenin optik özelliklerine bağlıdır. Işının geçişini, yansımasını ve dağılımını öngörebilmek için effective medium teorisi, four flux metodu ile Monte Carlo metodlarına dayanan modeller geliştirilip ışınım transfer denklemi çözülmüştür. Bu denklemin çözümü için gerekli ışınım transferi özellikleri ise Lorenz-Mie teorisi ve T-matrix metodu ile bulunmuştur. Bu modeller, kaplamaların tasarımında optimal davranışı elde etmek için kullanılmaktadır. Isıl güneş sistemleri için tasarlanan pigmentli kaplamalarda kullanılan modelin çok kritik önemde olduğu ve kaplamanın effective medium teorisi ile four flux metodunun kullanıldığı bütünleşik metodun kullanılarak tasarlanması gerektiği görülmüştür. Ayrıca, floresan kaplamaların, geleneksel seralardaki fotosentez artışı için tayf dağılımını daha iyi hale getirse de, ışık geçişinde kayda değer bir düşüşe neden olduğu görülmüştür. Ancak dikey sera uygulamalarında floresan parçacıkların kullanılması; ışığın hem uzaysal hem de tayfsal dağılımını iyileştirerek marul bitkisi için yıllık üretimde %35'e varan artış sağlamaktadır.

Spectrally selective coatings are used to maximize the efficiency of solar thermal systems and they are designed based on the application. This study focuses on two solar applications; solar thermal energy systems and greenhouses. For solar thermal energy systems, the coating should have high absorptance at solar wavelengths and low emittance at the infrared wavelengths, where absorber emits heat to maximize the heat transfer to the working fluid. For greenhouse applications, coating should provide high radiation at the photosynthetic spectrum and distribute light uniformly and diffusely. This study focuses on fluorescent and non-fluorescent pigmented coatings that consist of a binder and well dispersed nanometer or micrometer sized particles that are known as pigments, selected to achieve the desired spectrally selective behavior based on application. Radiative behavior of coatings depends on coating thickness, pigment size, concentration, and the optical properties of the binder and pigment materials that can be identified by modeling the radiative transfer across these coatings. Models are developed for the problems considered to solve the radiative transfer equation based on the governing physics to predict the spectral reflectance, transmittance and light distributions in conjunction with Lorenz-Mie theory and T-matrix methods that are used for predicting radiative transfer properties. These models are used to design coatings to achieve optimal behavior for considered applications. It is found that the model used for designing pigmented coatings of solar thermal systems can be very critical, and coatings must be designed using a unified model considering the effective medium theory and four flux method together with Lorentz-Mie theory. Besides, it is found that while fluorescent coatings can improve spectral distribution of irradiation for photosynthetic production, they also lead to a significant decrease in the transmittance, decreasing the irradiance when used for traditional greenhouses. However, for vertical farms it is found that using fluorescent particles in coatings both improve distribution of light and effective PAR, resulting around 35% increase in yearly crop production for lettuce.