Голографічний сонячний концентратор (holographic solar concentrator) — оптичний пристрій, який забезпечує кутове відхилення оптичних променів у просторі дифракцією їх на упорядкованій структурі — голограмі та збирання (концентрацію) випромінювань на невеликій поверхні фотоприймача..
Параметри голографічних концентраторів можуть бути розраховані, виходячи з формули дифракції Френеля, модифікованої Кірхгофом.
Фізично, голографічний концентратор НС є сформованою на фотореєстраційному матеріалі (фотореєстраторі) дифракційною структурою — чередуванням розташованих у просторі по певному закону прозорих та непрозорих смуг та/або точок з різними показниками заломлення, які дозволяють збирати широкий пучок випромінювань оптичного діапазону спектра SR на фотоприймачі PVC, розташованому в точці фокуса F концентратора.
Голографічні концентратори можуть бути умовно класифіковані за способом виготовлення голограми, за формою хвильового фронту об'єктного оптичного пучка, який застосовується для запису та відтворення, по спектральному складу випромінювань, за кількістю дифракційних збиральних елементів, розташованих на полі кінцевої голограми паралельно, за кількістю дифракційних збиральних елементів, розташованих в оптичній системі послідовно по ходу оптичних променів, за типом фотореєстраційного матеріалу тощо. Як голографічні концентратори певною мірою можуть використовуватися дифракційні ґратки зі змінним кроком між дифракційними смугами, збиральні зональні пластинки Габора та асферичні (наприклад, циліндричні) голограми.
Голографія (від грецьких слів ὅλος (цілий) та γραφή (писати) — процес запису амплітуди та фази світлової хвилі предмета у вигляді інтерференційної картини, сформованої на фотореєстраторі накладанням хвильового фронту, що поширюється від об'єкта, та опорного хвильового фронту когерентного випромінювання. Зокрема, амплітуда реєструється як почорніння фотографічної емульсії, пропорційне розподілу електромагнітної енергії. При освітленні зареєстрованої інтерференційної картини опорним пучком, його випромінювання дифрагує і відтворює вихідний хвильовий фронт від об'єкта при запису.
Принцип голографії був представлений британським фізиком угорського походження Лондонського університету Деннісом Габором у 1948 році. А перші практичні оптичні голограми тривимірних об'єктів створено у 1962 році радянським фізиком Юрієм Денисюком, а також американськими вченими Емметом Лейтом та Юрісом Упатніексом з Мічиганського університету, США.
Принципи роботи голографічних сонячних концентраторів базуються на голографічних методах запису та відтворення амплітуди та фази світлової хвилі об'єкта.
Голограму можна виготовити, направивши частину світлового пучка безпосередньо на носій запису, а іншу частину — на об'єкт, так що світло, відбите від об'єкта, також потрапляє на носій запису, використовуючи схеми Лейта — Упатніекса або Денисюка. Особливістю схеми Лейта–Упатніекса є те, що об'єктна і опорна хвилі падають на фотопластинку з одного боку. Для відновлення голограми використовується джерело світла з тією ж довжиною хвилі, на якій виконувався запис. У схемі Денисюка об'єктна і опорна хвилі падають на фотореєстраційний матеріал з різних сторін, звідсіля — інша назва схеми Денисюка як схеми в зустрічних пучках.
Процес запису голограми базується на явищі інтерференції, яка виникає, коли хвильові фронти накладаються один на одного. Для виготовлення голографічних елементів використовуються фоточутливі матеріали високого розрізнення (високої роздільної здатності). Голограми також можуть бути згенеровані комп'ютером шляхом моделювання двох хвильових фронтів і додавання їх у цифровому вигляді. Отримане цифрове зображення потім друкується на відповідній масці або плівці та освітлюється відповідним джерелом для реконструкції вихідного хвильового фронту, що цікавить. Якщо в процесі запису голограми ключову роль відіграє явище інтерференції хвиль, то в процесі відтворення зображення об'єкта ключова роль належить дифракції, яка, однак, спостерігається як результат інтерференції хвиль.
Дифракційний спосіб керування оптичним променем у просторі
Подібно до того, як для створення рефракційних та дзеркальних сонячних концентраторів використовуються явища заломлення та відбиття світла на кордоні двох середовищ, можна створити оптичні концентратори, засновані на явищі дифракції, оскільки дифракція випромінювань на відповідних структурах забезпечує його спектральний та просторовий перерозподіл.
Під дифракцією ми розуміємо явище огинання променями світла перешкод, відступ від прямолінійного поширення світла і, як наслідок, поширення променів в сторону тіні. Явище дифракції пояснюється хвильовою теорією світла, розробленою у 1600-х роках Крістіаном Гюйгенсом. Принцип Гюйгенса стверджує, що хвильовий фронт WF можна розглядати як багато малих хвиль WL, які поширюються та інтерферують, утворюючи нові хвильові фронти. У результаті дифракції світлова хвиля W обтікає перешкоди D на шляху її поширення. Кожна точка фронту хвилі породжує вторинні хвилі WL, що розповсюджуються в усіх напрямках. Ідеї Гюйгенса отримали розвиток в роботах Томаса Юнга. які базувалися на результатах експерименту із двома щілинами. Французький фізик Огюстен Жан Френель (1788−1827) адаптував принцип суперпозиції малих хвиль Гюйгенса в математичну формулу.
Принцип Гюйгенса — Френеля був удосконалений німецьким фізиком-оптиком Густавом Робертом Кірхгофом (1824−1887). Його формула базується на інтегральній теоремі Кірхгофа, що дає рішення однорідного скалярного хвильового рівняння в довільній точці простору P замкнутої поверхні S, яка обмежує деякий об'єм, включаючи точку P.
У разі дифракції Френеля джерело світла, або екран, або обидва находяться на кінцевих відстанях від апертури, а дифракційна картина створюється поблизу об'єкта (в області ближнього поля. Формула дифракції заснована на скалярній теорії дифракції, яка не враховує поляризаційні ефекти. Ближнє поле визначається числом Френеля F — кількістю напівперіодних зон в амплітуді хвильового фронту, відрахованих від центру до краю отвору, якщо дивитися з точки спостереження, так що фаза хвильового фронту змінюється на π при переході від однієї зони напівперіоду до наступної. Якщо число Френеля більше 1, промінь находиться у ближнім полі. Якщо ж число Френеля менше 1, кажуть, що промінь знаходиться в дальньому полі.
У разі дифракції Фраунгофера джерело світла і екран, на якому спостерігається дифракційна картина, находяться на нескінченно великих відстанях від апертури.
Наближення Фраунгофера є граничним випадком наближення Френеля і також може вважатися параксіальним. Дифракційна картина набуває остаточного вигляду і може лише збільшуватися в розмірі пропорційно відстані z, але кутовий розмір, визначений x/z або y/z, залишається незмінним.
Костук Р. К. та ін. аналізують різні аспекти застосування голографії в процесах перетворення сонячної енергії. Голографічні оптичні елементи (HOE) можуть фокусувати, перенаправляти або відбивати вхідне світло до фотоелектричних елементів і таким чином ефективно перетворювати сонячну енергію в електричну. Матеріал фокусується на огляді голографічних оптичних елементів, які використовуються у системах перетворення сонячної енергії. Обговорення торкається таких тем як властивості сонячного освітлення, робочі характеристики фотоелементів, характеристики об'ємних ґраток, вплив поляризації випромінювання на дифракційну ефективність голограми, голографічний планарний сонячний концентратор, голографічні системи поділу спектра, голографічна спектроподільна лінза, що працює на пропускання, комерціалізація модулів на основі голографічних планарних концентраторів, застосування люмінесцентних сонячних концентраторів та голографічні матеріали. На думку авторів, конкурентоспроможності фотоелектричних сонячних систем виробництва електроенергії з системами, заснованими на спалюванні викопного палива, якщо зможуть виробляти кіловат-годину енергії вартістю 0,04–0,05 доларів США. Це означає, що питома вартість системи має складати менш ніж 1 долар США/Вт.
Оптимізований голографічний пристрій, описаний Лудманом Дж. Е., а також Лудманом Дж. Е. та ін., значно підвищує ефективність перетворення сонячної енергії за рахунок того, що одноелементна голограма фокусує світло, спектрально розділяє його та відводить небажане інфрачервоне тепло від сонячних елементів. Самі ж сонячні елементи розташовані вздовж лінії фокуса таким чином, що кожна комірка поглинає лише ті довжини хвиль, які вона може ефективно перетворювати в електроенергію. Система чудово підходить для космічних застосувань, оскільки голограми є одним елементом, дуже легкі та потребують мінімального охолодження. Халл Дж., Лауер Дж. та Бродбент Д., які досліджували фоточутливі матеріали на основі біхромованої желатини, показали, що голографічні концентратори стають економічно ефективними порівняно зі рефракційними чи відбиваючими концентраторами, коли дифракційна ефективність голограм перевищує 70 %.
Колладос, М. В., Чемісана, Д., Атенсія, Дж. виконують огляд та аналіз різних голографічних пристроїв для виробництва тепла та електроенергії: голографічних ґраток та голографічних лінз об'ємного та фазового типу, елементів, що працюють на пропускання та відбиття сонячного випромінювання. Автори відмічають підвищений інтерес до використання у галузі сонячної енергетики об'ємних голограм, оскільки вони мають високу дифракційну ефективність (до 100 %) а також кутову та хроматичну вибірковість. Професор Мюллер Х. Ф. O. досліджує застосування голографічних оптичних елементів у будівлях для денного освітлення, сонячного затінення та фотоелектричної генерації електроенергії. Плівкові голограми ламінуються між двома захисними пластинами скла. Менуфі К., Чемісана Д., Розелл Дж. I. з університету Ллейди (Іспанія) проводять дослідження життєвого циклу інтегрованої концентраторної фотоелектричної системи (BICPV) для енергозабезпечення будівлі за методологіями EI99 та EPS 2000 (оцінка впливу на навколишнє середовище). Результати демонструють значні екологічні переваги технологій BICPV. Попри те, що фотоелектрична (PV) технологія є однією з життєво важливих тенденцій відновлюваної енергетики, вона породжує деякі екологічні проблеми. Виробництво фотоелектричних елементів супроводжується високим рівнем викидів шкідливих речовин, отже спричиняє великий вплив на навколишнє середовище. Крім того, фотоелектрична промисловість використовує різноманітні хімічні речовини, багато з яких є відносно токсичними для здоров'я людини та навколишнього середовища. Шкідливий вплив може бути також і непрямим (викопне паливо, що споживається під час виробництва). Ринок фотоелектричних технологій BICPV, інтегрованих у будівлі, швидко зростає. Це пов'язано з економією будівельних матеріалів під час будівництва та одночасним зниженням навантаження на навколишнє середовище на етапі експлуатації за рахунок заміни викопного палива.
Пратіп Х. Р. та Баламуруган A. надали широкий огляд голографічних оптичних елементів, які використовуються у сонячних концентраторах.
Як голографічні концентратори певною мірою можуть використовуватися лінійні дифракційні ґратки, дифракційні ґратки зі змінним кроком між дифракційними смугами і, особливо, збиральні зональні пластинки назразок зонних пластинок Френеля а також збиральні асферичні (наприклад, циліндричні) голограми та інші дифракційні елементи, отримані як шляхом інтерференції, так і комп'ютерного синтезу з наступним механічним нарізанням.
Відхиляюча лінійна дифракційна ґратка є регулярною голографічною дифракційною структурою зі сталим кроком між смугами. Вона наноситься на поверхню оптичного хвилеводу з боку падіння сонячних випромінювань і не змінює форму хвилевого фронту падаючого оптичного пучка, проте, змінює напрямок його поширення та здійснює спектральний розподіл випромінювань.