Källa: cosmosmagazine.com
Olika steg i tillverkningen av den graderade glaspyramiden: när den är i optisk kontakt med en solcell, absorberar och koncentrerar pyramiden i det sista steget (nedre högra hörnet) det mesta av det infallande ljuset och ser mörk ut. Kredit: Nina Vaidya
Solpaneler kommer att spela en stor roll i framtida hållbar energiproduktion men de fungerar bäst när solljus träffar dem direkt. Detta kan vara ett problem när solljus sprids av molntäcke eller när solen passerar ovanför hela dagen.
Många solpaneler roterar aktivt mot solen för att fånga upp så mycket energi som möjligt. Detta gör dem dyrare och mer komplicerade att bygga och underhålla än de som står stilla.
Men flyttarsolpanelerkanske inte behövs i framtiden, eftersom en ingenjörsforskare har designat en enhet som kan fånga 90 procent av ljuset som faller på den – oavsett dess vinkel eller frekvens – och koncentrera den till att bli tre gånger ljusare.
Deforskninghar publicerats i Microsystems & Nanoengineering.
"Det är ett helt passivt system – det behöver inte energi för att spåra källan eller har några rörliga delar", säger första författaren Dr Nina Vaidya, som avslutade forskningen som doktorand vid Standford University, USA, och nu är assistent. professor i astronautik och rymdfarkoststeknik vid University of Southampton, Storbritannien.
"Utan optiskt fokus som flyttar positioner eller behov av spårningssystem blir det mycket enklare att koncentrera ljus."
AGILE – Axialt graderad indexlins
Enheten heter AGILE, som står för axiellt graderad indexlins, och den ser ut som en upp och nervänd glaspyramid med spetsen avskuren.
Det fungerar lite som ett hurförstoringsglaskan fokusera solljus till en mindre, ljusare punkt på en solig dag. Men ett förstoringsglass brännpunkt rör sig som solen gör, vilket inte är användbart när du vill koncentrera solljus till ett specifikt område av en solcellscell under hela dagen.
Med AGILE kommer ljuset in i den breda, fyrkantiga toppen från alla vinklar och leds ner för att koncentreras i samma position längst ner – vilket skapar en ljusare punkt vid den smala basen som sitter ovanpå en solcellscell.
"Vi ville skapa något som tar in ljus och koncentrerar det i samma position, även när källan ändrar riktning", förklarar Vaidya. "Vi vill inte behöva fortsätta att flytta vår detektor eller solcell, eller flytta systemet mot källan.
Seniorförfattaren Olav Solgaard, professor i elektroteknik vid Stanford och Vaidyas doktorandrådgivare, säger: "En idealisk AGILE har, längst fram, samma brytningsindex som luften och det blir gradvis högre – ljuset böjs i en perfekt slät kurva.
"Men i en praktisk situation kommer du inte att ha den där idealiska AGILE."
Istället är prototypen AGILE gjord av ett så kallat graderat indexmaterial, som består av olika lager av glas och polymerer som böjer ljus i olika grad. Dessa lager ändrar det inkommande ljusets riktning i steg tills det kommer in nästan vertikalt mot utgången.
Att ta AGILE från teori till verklighet
En av de största utmaningarna med att skapa AGILE-prototypen var att hitta och skapa rätt kommersiellt tillgängliga material som kunde släppa in ett brett spektrum av ljus, låta det passera igenom och böja det allt mer mot utgången – allt samtidigt som de är kompatibla med varandra .
Till exempel, om ett glas expanderade som svar på värme i en annan hastighet än ett annat, kan hela enheten spricka. Materialen behövde också vara tillräckligt robusta för att bearbetas till form och förbli hållbara.
Sidorna på prototyperna är också speglade för att studsa allt ljus som går i fel riktning tillbaka mot basen.
Dessa AGILE-enheter kan installeras i ett lager ovanpåsolceller, ersätter den befintliga inkapslingen som skyddar solpaneler, och skulle till och med skapa mer utrymme för kylning och kretsar att köra mellan de avsmalnande pyramiderna i de enskilda enheterna.
"Att kunna använda dessa nya material, dessa nya tillverkningstekniker och detta nya AGILE-koncept för att skapa bättre solenergikoncentratorer har varit mycket givande", avslutar Vaidya.
"Riklig och prisvärd ren energi är en viktig del av att ta itu med de akuta klimat- och hållbarhetsutmaningarna, och vi måste katalysera tekniska lösningar för att göra det till verklighet."
