...

Koncentrator optyczny

9 lipca 2022
Koncentrator optyczny

Naukowcy wymyślili, zaprojektowali i przetestowali eleganckie urządzenie soczewkowe, które może skutecznie zbierać światło pod każdym kątem i koncentrować je w stałej pozycji wyjściowej. Ta optyka ze stopniowanym indeksem ma również zastosowanie w takich obszarach, jak zarządzanie światłem w oświetleniu półprzewodnikowym, technologii laserowej i technologii wyświetlania w celu poprawy sprzężenia i rozdzielczości.

Nawet przy imponujących i ciągłych postępach w technologiach słonecznych, pozostaje pytanie: jak możemy efektywnie zagospodarowywać energię ze światła słonecznego padającego na płaszczyznę pod różnymi kątami, od wschodu do zachodu słońca?

Moduły fotowoltaiczne działają najlepiej, gdy światło słoneczne pada na nie bezpośrednio pod kątem prostym. Aby wychwycić jak najwięcej energii, moduły PV montuje się na trakerach, które aktywnie obracają się w kierunku słońca poruszającego się po niebie. To sprawia, że takie systemy są wydajniejsze, ale także droższe i bardziej skomplikowane w budowie i utrzymaniu niż systemy stacjonarne. Te aktywne systemy mogą nie być konieczne w przyszłości. Na Uniwersytecie Stanforda inżynierka Nina Vaidya zaprojektowała urządzenie, które może skutecznie gromadzić i koncentrować energię, niezależnie od kąta i długości fali padające na nie światło. To całkowicie pasywny system, który nie potrzebuje energii do śledzenia źródła ani nie zawiera żadnych ruchomych części.

Urządzenie, które naukowcy nazywają AGILE – skrót od Axially Graded Index Lens – jest zasadniczo proste. Wygląda jak odwrócona piramida z odciętym wierzchołkiem. Światło z dowolnej liczby kątów pada na kwadratowy blat odwróconej piramidki i jest kierowane w dół, tworząc jaśniejszy punkt na wyjściu. W swoich prototypach naukowcy byli w stanie uchwycić ponad 90% światła padającego na powierzchnię i stworzyć plamy na wyjściu, które były trzy razy jaśniejsze niż światło wpadające. Zainstalowane w warstwie na wierzchu ogniw słonecznych mogłyby zwiększyć wydajność modułów fotowoltaicznych i przechwytywać nie tylko bezpośrednio padające światło słoneczne, lecz także to rozproszone.

Górna warstwa AGILE mogłaby zastąpić istniejącą hermetyzację chroniącą moduły fotowoltaiczne; eliminując potrzebę śledzenia słońca, może stworzyć przestrzeń do chłodzenia i obwodów biegnących między zwężającymi się piramidami. W konsekwencji przy tej samej ilości promieniowania padającego na moduł zwiększa się produkcja energii elektrycznej. Zastosowania nie ograniczają się do naziemnych instalacji słonecznych. Jeśli zastosuje się je do budowy paneli słonecznych wysyłanych w kosmos, warstwa AGILE może zarówno skoncentrować światło bez śledzenia słońca, jak i zapewnić niezbędną ochronę przed promieniowaniem kosmicznym.

Jednym z największych wyzwań było znalezienie i stworzenie odpowiednich materiałów – mówi Vaidya. Warstwy materiału w prototypie AGILE przepuszczają szerokie spektrum światła, od ultrafioletu do podczerwieni, koncentrując je coraz bardziej w kierunku wyjścia z szerokim zakresem współczynników załamania. Tego nie widać w naturze ani w obecnej optyce przemysłowej. Zastosowane materiały musiały być również ze sobą kompatybilne. Jeśli szkło rozszerzało się w odpowiedzi na ciepło w innym tempie niż pozostałe materiały, całe urządzenie mogło pękać. Komponenty materiałowe muszą być wystarczająco wytrzymałe, aby można je było obrabiać do odpowiedniego kształtu, zachowując ich trwałość.

Źródło: Stanford University

Zaprenumeruj Magazyn Fotowoltaika