Исследователи придумали, спроектировали и протестировали элегантное линзовое устройство, способное эффективно собирать свет со всех углов и концентрировать его в фиксированном положении на выходе. Эта оптика с градуированным показателем преломления также находит применение в таких областях, как управление светом в твердотельном освещении, лазерные соединители и технологии отображения для улучшения связи и разрешения.
Даже с учетом впечатляющих и непрерывных достижений в области солнечных технологий остается вопрос: как мы можем эффективно собирать энергию солнечного света, идущего под разными углами от восхода до заката?
Солнечные панели лучше всего работают, когда на них падает прямой солнечный свет. Чтобы собрать как можно больше энергии, многие солнечные батареи активно вращаются к солнцу, когда оно движется по небу. Это делает их более эффективными, но также более дорогими и сложными в создании и обслуживании, чем стационарные системы.
Эти активные системы могут не понадобиться в будущем. Инженер-исследователь из Стэнфордского университета Нина Вайдья разработала элегантное устройство, способное эффективно собирать и концентрировать свет , падающий на него, независимо от угла и частоты этого света. Статья, описывающая производительность системы и лежащую в ее основе теорию, является главной статьей июльского номера журнала Microsystems & Nanoengineering, авторами которого являются Вайдья и ее научный руководитель Олав Солгаард, профессор электротехники в Стэнфорде.
«Это полностью пассивная система — ей не нужна энергия для отслеживания источника или каких-либо движущихся частей», — сказал Вайдья, который сейчас является доцентом Саутгемптонского университета в Великобритании. «Без оптического фокуса, который перемещает позиции, или необходимости в системах слежения, концентрация света становится намного проще».
Устройство, которое исследователи называют AGILE (аббревиатура от Axially Graded Index Lens), обманчиво просто. Это похоже на перевернутую пирамиду с обрубленным концом. Свет входит в квадратную, мозаичную верхнюю часть с любого количества углов и направляется вниз, создавая более яркое пятно на выходе.
В своих прототипах исследователи смогли захватить более 90% света, попадающего на поверхность, и создать на выходе пятна, которые были в три раза ярче входящего света. Установленные слоем поверх солнечных элементов, они могут сделать солнечные батареи более эффективными и улавливать не только прямой солнечный свет, но и рассеянный свет, рассеянный земной атмосферой, погодой и временами года.
Верхний слой AGILE может заменить существующую инкапсуляцию, которая защищает солнечные батареи, устранить необходимость отслеживать солнце, создать пространство для охлаждения и схем для работы между сужающимися пирамидами отдельных устройств и, что наиболее важно, уменьшить количество солнечных элементов. площади, необходимой для производства энергии, и, следовательно, снизить затраты. И использование не ограничивается наземными солнечными установками: если применить его к солнечным батареям, отправляемым в космос, слой AGILE может одновременно концентрировать свет без отслеживания солнца и обеспечивать необходимую защиту от радиации.
Представляя идеальный AGILE
Основная предпосылка AGILE аналогична использованию увеличительного стекла для выжигания пятен на листьях в солнечный день. Линза увеличительного стекла фокусирует солнечные лучи в меньшую и более яркую точку. Но с увеличительным стеклом фокус движется, как солнце. Вайдья и Солгаард нашли способ создать линзу, которая принимает лучи со всех сторон, но всегда концентрирует свет в одном и том же месте.
«Мы хотели создать что-то, что поглощает свет и концентрирует его в одном и том же месте, даже когда источник меняет направление», — сказал Вайдья. «Мы не хотим постоянно перемещать наш детектор или солнечную батарею или перемещать систему лицом к источнику».
Вайдья и Солгаард определили, что теоретически можно было бы собирать и концентрировать рассеянный свет, используя специальный материал, показатель преломления которого плавно увеличивался — свойство, описывающее скорость прохождения света через материал, — заставляя свет искривляться и искривляться в направлении фокуса . точка . На поверхности материала свет практически не изгибался. К тому времени, когда он достигнет другой стороны, он будет почти вертикальным и сфокусированным.
«Лучшие решения часто являются самыми простыми идеями. Идеальный AGILE имеет в самой передней части тот же показатель преломления , что и воздух, и постепенно он становится выше — свет изгибается по идеально гладкой кривой», — сказал Солгаард. «Но в практической ситуации у вас не будет такого идеального AGILE».
От теории к реальности
Для прототипов исследователи объединили различные стекла и полимеры, которые преломляют свет в разной степени, создав так называемый материал с градиентным индексом. Слои изменяют направление света ступенчато, а не по плавной кривой, что, по мнению исследователей, является хорошим приближением к идеальному AGILE. Стороны прототипов зеркальные, поэтому любой свет, идущий в неправильном направлении, отражается обратно к выходу.
По словам Вайдьи, одной из самых больших проблем было найти и создать правильные материалы. Слои материала в прототипе AGILE позволяют свету широкого спектра, от ближнего ультрафиолетового до инфракрасного, проходить через него и все больше преломлять этот свет к выходу с широким диапазоном показателей преломления, чего нет ни в природе, ни в современной оптике. промышленность. Эти используемые материалы также должны были быть совместимы друг с другом — если одно стекло расширялось в ответ на тепло с другой скоростью, чем другое, все устройство могло треснуть — и быть достаточно прочными, чтобы их можно было обработать, чтобы они оставались прочными.
«Это одно из таких «аварийных» инженерных приключений, идущих прямо от теории к реальным прототипам», — сказал Вайдья. «Есть много теоретических работ и отличных идей, но их трудно воплотить в реальность с помощью реальных проектов и реальных материалов, раздвигающих границы того, что раньше считалось невозможным».
Изучив множество материалов, создав новые методы изготовления и протестировав несколько прототипов, исследователи остановились на проектах AGILE, которые хорошо себя зарекомендовали с использованием коммерчески доступных полимеров и стекол. AGILE также был изготовлен с использованием 3D-печати в предыдущей работе авторов, которая создала легкие и гибкие по дизайну полимерные линзы с шероховатостью поверхности нанометрового масштаба. Вайдья надеется, что разработки AGILE можно будет использовать в солнечной промышленности и других областях. У AGILE есть несколько потенциальных применений в таких областях, как лазерная связь, технологии отображения и освещение, например твердотельное освещение, которое более энергоэффективно, чем старые методы освещения.
«Использование наших усилий и знаний для создания значимых инженерных систем было моей движущей силой, даже когда некоторые испытания не увенчались успехом», — сказал Вайдья. «Возможность использовать эти новые материалы, эти новые методы изготовления и эту новую концепцию AGILE для создания лучших солнечных концентраторов была очень полезной. Обильная и доступная чистая энергия является жизненно важной частью решения неотложных проблем климата и устойчивого развития, и мы нужно катализировать инженерные решения, чтобы сделать это реальностью».
Теги: Солнце, энергия
