هرم زجاجي صغير يمكن أن يجعل الألواح الشمسية أرخص من أي وقت مضى
|
| عدسة مؤشر متدرج محوريا أو AGILE |
هذا يلغي الحاجة إلى تتبع الطاقة الشمسية.
قال بيان صحفي للجامعة إن الباحثين في جامعة ستانفورد قد طوروا مكثفا بصريا جديدا يمكنه توجيه الضوء المنتشر إلى موضع ثابت ، وبالتالي زيادة قدرة توليد الطاقة للألواح الشمسية.
تعمل الخلايا الكهروضوئية بشكل أفضل عندما يسقط عليها ضوء الشمس مباشرة. لتحقيق أقصى استفادة من ضوء الشمس خلال النهار ، اعتمد العلماء على التتبع الشمسي لتحريك الألواح المتزامنة مع الشمس أثناء انتقالها عبر السماء. ومع ذلك ، فإن تثبيت هذه الأنظمة يزيد من تكلفة نشر الألواح الشمسية ، وهو ما يمثل عقبة كبيرة أمام اعتمادها على نطاق واسع.
قد يكون أحد الحلول الممكنة لهذه المشكلة هو تركيب عدسة مكبرة فوق الألواح التي يمكن أن تركز ضوء الشمس على نقطة واحدة. لكن الشمس المنتقلة ستؤدي إلى تحرك البقعة المركزة أيضا عبر الألواح ، مما يعقد تصميم الألواح الشمسية مرة أخرى.
حل ستانفورد للمشكلة
صممت الباحثة نينا فيديا من جامعة ستانفورد جهازا أنيقا يمكنه تركيز الضوء الذي يسقط عليه من أي زاوية وبأي تردد ثم توجيهه إلى نقطة واحدة على اللوحة.
يطلق على الجهاز اسم عدسة مؤشر متدرج محوريا (AGILE) ولكنه لا يبدو أكثر إثارة من هرم زجاجي في وضع مقلوب. قال Vaidya في البيان الصحفي: "إنه نظام سلبي تماما - لا يحتاج إلى طاقة لتتبع المصدر أو لديه أي أجزاء متحركة". "بدون التركيز البصري الذي يحرك المواضع أو الحاجة إلى أنظمة التتبع ، يصبح تركيز الضوء أبسط بكثير."
من خلال العمل مع مشرف الدكتوراه ، أولاف سولجارد ، افترضت Vaidya أن مادة هندسية ذات معامل انكسار متزايد بسلاسة يمكن أن تثني الضوء الوارد وتوجهه إلى نقطة واحدة. مؤشر الانكسار هو قياس مدى سرعة انتقال الضوء عبر المادة. في الجهاز النظري لـ Vaidya ، بالكاد ينحني الضوء عند السطح ، ولكن أثناء مروره ، ينحني الجهاز حتى يصبح عموديا تقريبا.
تحويل النظرية إلى واقع
جرب الباحثون الكثير من المواد ، بما في ذلك الزجاج والبوليمرات ، لجعل أجهزتهم ذات معامل انكسار متدرج. تحتوي النماذج الأولية أيضا على مرايا على جوانبها بحيث يتم إرسال أي ضوء ينجو إلى الوراء مباشرة. كما أن استخدام مزيج من المواد له عيب يتمثل في إمكانية تمددها بشكل مختلف تحت الحرارة ، مما يؤدي إلى حدوث تشققات في الجهاز.
ذكر البيان الصحفي أن عمل Vaidya السابق مع الطباعة ثلاثية الأبعاد كان مفيدا عندما صنعت عدسات بوليمرية ذات خشونة بمقياس نانومتر. باستخدام تقنيات التصنيع الجديدة ، تمكن الباحثون من الطباعة ثلاثية الأبعاد AGILE باستخدام البوليمرات والنظارات المتاحة تجاريا.
في النماذج الأولية التي تم بناؤها واختبارها ، التقط الباحثون 90٪ من الضوء الذي اصطدم بسطح AGILE وخلقوا بقعا كانت أكثر سطوعًا بثلاث مرات من الضوء الساقط. تعمل العدسة أيضا مع مجموعة واسعة من الضوء تتراوح من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء ، وكذلك الضوء المنتشر بسبب التغيرات في الطقس أو الظروف الجوية.
وأضاف البيان الصحفي أن طبقة AGILE المثبتة فوق الألواح الشمسية لا يمكن أن تساعد فقط في إزالة الطبقات الواقية المستخدمة حاليا ولكن أيضا توفر مساحة للتبريد والدوائر بين الأهرامات المقلوبة. مع تقليل مساحة السطح اللازمة لتوليد الطاقة ، يمكن أن تصبح الألواح الشمسية أصغر ، مما يقلل من تكاليف الإنتاج.
أصبحت الألواح الشمسية أكثر إثارة.
نشرت نتائج البحث في مجلة Microsystems and Nanoengineering .
الملخص
تتيح بصريات الغمر إنشاء أنظمة ذات تركيز بصري محسن واقتران من خلال الاستفادة من حقيقة أن إضاءة الضوء تتناسب مع مربع معامل الانكسار في نظام بصري بلا خسارة. يتم وصف المكثفات الضوئية ذات مؤشر الغمر المتدرج ، والتي لا تحتاج إلى تتبع المصدر ، من حيث النظرية والمحاكاة والتجارب. نقدم معادلة دليل تصميم معممة تتبع وظيفة باريتو ويمكن استخدامها لإنشاء بصريات مؤشر متدرج الانغماس وفقا لمتطلبات التطبيق الخاصة بالتركيز ومعامل الانكسار والارتفاع والكفاءة. نقدم تقنيات تصنيع الزجاج والبوليمر لإنشاء مواد ذات مؤشر متدرج شفاف عريض النطاق مع نطاقات كبيرة لمعامل الانكسار (نسبة معامل الانكسار) 2 من ~ 2 ، تتخطى كثيرًا ما نراه في الطبيعة أو صناعة البصريات. تظهر النماذج الأولية تركيزا ضوئيا 3x بكفاءة تزيد عن 90٪. لقد أبلغنا عبر النماذج الأولية الوظيفية أن مكثفات العدسة ذات الفهرس المتدرج تؤدي أداء قريبا من الحد الأقصى النظري ونقدم تقنيات تصنيع بسيطة وغير مكلفة ومرنة التصميم وقابلة للتطوير من أجل تنفيذها.