Quelle: cosmosmagazine.com
Verschiedene Stadien der Glaspyramidenherstellung mit abgestuftem Index: Bei optischem Kontakt mit einer Solarzelle absorbiert und konzentriert die Pyramide im letzten Schritt (untere rechte Ecke) den größten Teil des einfallenden Lichts und erscheint dunkel. Bildnachweis: Nina Vaidya
Sonnenkollektoren werden eine wichtige Rolle in der zukünftigen nachhaltigen Energieerzeugung spielen, aber sie funktionieren am besten, wenn das Sonnenlicht direkt auf sie trifft. Dies kann ein Problem sein, wenn das Sonnenlicht durch eine Wolkendecke gestreut wird oder wenn die Sonne den ganzen Tag über darüber geht.
Viele Solaranlagen drehen sich aktiv zur Sonne, um so viel Energie wie möglich einzufangen. Das macht sie teurer und komplizierter zu bauen und zu warten als solche, die stationär bleiben.
Aber bewegtSolarplattenin Zukunft möglicherweise nicht mehr erforderlich, da ein Ingenieurforscher ein Gerät entwickelt hat, das 90 Prozent des einfallenden Lichts einfangen kann – unabhängig von seinem Winkel oder seiner Frequenz – und es so bündeln kann, dass es dreimal heller ist.
DasForschungwurde in Microsystems & Nanoengineering veröffentlicht.
„Es ist ein vollständig passives System – es benötigt keine Energie, um die Quelle zu verfolgen, oder hat bewegliche Teile“, sagt Erstautorin Dr. Nina Vaidya, die die Forschung als Doktorandin an der Standford University, USA, abgeschlossen hat und jetzt Assistentin ist Professor für Astronautik und Raumfahrttechnik an der University of Southampton, UK.
„Ohne einen optischen Fokus, der Positionen verschiebt, oder die Notwendigkeit von Tracking-Systemen wird das Konzentrieren von Licht viel einfacher.“
AGILE – Linse mit axial abgestuftem Index
Das Gerät heißt AGILE, was für Axial Gradientenindexlinse steht, und es sieht aus wie eine umgedrehte Glaspyramide mit abgeschnittener Spitze.
Es funktioniert ein bisschen wie ein wie aLupekann das Sonnenlicht an einem sonnigen Tag auf einen kleineren, helleren Punkt fokussieren. Der Brennpunkt einer Lupe bewegt sich jedoch mit der Sonne, was nicht hilfreich ist, wenn Sie das Sonnenlicht den ganzen Tag über auf einen bestimmten Bereich einer Photovoltaikzelle konzentrieren möchten.
Bei AGILE tritt Licht aus allen Winkeln in die breite, quadratische Oberseite ein und wird nach unten geleitet, um sich an der gleichen Position unten zu konzentrieren – wodurch ein hellerer Fleck an der schmalen Basis entsteht, die auf einer Photovoltaikzelle sitzt.
„Wir wollten etwas schaffen, das Licht aufnimmt und es auf die gleiche Position konzentriert, selbst wenn die Quelle die Richtung ändert“, erklärt Vaidya. „Wir wollen unseren Detektor oder unsere Solarzelle nicht ständig bewegen oder das System so bewegen, dass es der Quelle zugewandt ist.
Seniorautor Olav Solgaard, Professor für Elektrotechnik an der Stanford University und Vaidyas Doktorvater, sagt: „Ein ideales AGILE hat ganz vorne den gleichen Brechungsindex wie die Luft und wird allmählich höher – das Licht wird perfekt gebeugt glatte Kurve.
"Aber in einer praktischen Situation werden Sie dieses ideale AGILE nicht haben."
Stattdessen besteht der Prototyp AGILE aus einem sogenannten Graded-Index-Material, das aus verschiedenen Schichten von Gläsern und Polymeren besteht, die das Licht unterschiedlich stark brechen. Diese Schichten ändern die Richtung des einfallenden Lichts schrittweise, bis es fast senkrecht zum Ausgang einfällt.
AGILE von der Theorie in die Realität umsetzen
Eine der größten Herausforderungen bei der Erstellung des AGILE-Prototyps war das Finden und Erstellen der richtigen kommerziell erhältlichen Materialien, die ein breites Lichtspektrum einlassen, durchlassen und zunehmend zum Ausgang hin lenken können – und das alles, während sie miteinander kompatibel sind .
Wenn sich beispielsweise ein Glas als Reaktion auf Wärme anders ausdehnt als ein anderes, könnte das gesamte Gerät brechen. Die Materialien mussten auch robust genug sein, um in Form gebracht zu werden und langlebig zu bleiben.
Die Seiten der Prototypen sind ebenfalls verspiegelt, um Licht, das in die falsche Richtung geht, zurück zur Basis zu reflektieren.
Diese AGILE-Geräte könnten in einer Schicht darüber installiert werdenSolarzellen, die die vorhandene Kapselung ersetzt, die Solaranlagen schützt, und würde sogar mehr Platz für Kühlung und Schaltkreise schaffen, die zwischen den sich verengenden Pyramiden der einzelnen Geräte verlaufen.
„Es war sehr lohnend, diese neuen Materialien, diese neuen Herstellungstechniken und dieses neue AGILE-Konzept zur Herstellung besserer Solarkonzentratoren verwenden zu können“, schließt Vaidya.
„Umfassende und erschwingliche saubere Energie ist ein wesentlicher Bestandteil der Bewältigung der dringenden Klima- und Nachhaltigkeitsherausforderungen, und wir müssen technische Lösungen katalysieren, um dies Wirklichkeit werden zu lassen.“
