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Ein optischer Konzentrator könnte uns helfen, uns von der Sonnennachführung für PV-Module zu befreien

Ohne die Notwendigkeit einer Sonnennachführung.

Axial Graded Index Lens oder AGILE Universität Stanford

In einer Pressemitteilung der Universität heißt es, dass Forscher der Stanford University einen neuen optischen Konzentrator entwickelt haben, der sogar diffuses Licht auf eine feste Position lenken kann, wodurch die Stromerzeugungskapazität von Solarmodulen erhöht wird.

Photovoltaikzellen funktionieren am besten, wenn das Sonnenlicht direkt auf sie fällt. Um tagsüber das Beste aus dem verfügbaren Sonnenlicht zu machen, haben sich Wissenschaftler auf die Sonnennachführung verlassen, um die Paneele synchron mit der Sonne zu bewegen, während sie über den Himmel wandert. Die Installation dieser Systeme nimmt jedoch zudie Kosten für den Einsatz von Solarmodulen, was ein erhebliches Hindernis für ihre breite Einführung darstellt.

Eine mögliche Lösung für dieses Problem wäre die Installation eines Vergrößerungsglases über den Modulen, das das Sonnenlicht auf einen einzigen Punkt konzentrieren könnte. Die reisende Sonne würde jedoch dazu führen, dass sich der konzentrierte Punkt auch über die Module bewegt, was das Design des Solarmoduls erneut verkompliziert.

Die Stanford-Lösung des Problems

Die Forscherin Nina Vaidya von der Stanford University hat ein elegantes Gerät entwickelt, das Licht, das aus jedem Winkel und mit jeder Frequenz darauf fällt, konzentrieren und dann auf einen einzigen Punkt auf dem Panel lenken kann.

Das Gerät wird aufgerufenAxial Graded Index Lens AGILE, sieht aber nicht spektakulärer aus als eine Glaspyramide in umgekehrter Position. „Es ist ein vollständig passives System – es benötigt keine Energie, um die Quelle zu verfolgen, oder hat bewegliche Teile“, sagte Vaidyain der Pressemitteilung. „Ohne optische Fokussierung, die Positionen verschiebt, oder die Notwendigkeit von Tracking-Systemen wird das Bündeln von Licht viel einfacher.“

In Zusammenarbeit mit ihrem Doktorvater Olav Solgaard stellte Vaidya die Theorie auf, dass ein technisches Material mit einem gleichmäßig erhöhten Brechungsindex einfallendes Licht beugen und auf einen einzigen Punkt lenken könnte. Die Brechungsindex ist ein Maß dafür, wie schnell Licht durch ein Material wandert. In Vaidyas theoretisiertem Gerät würde sich das Licht an der Oberfläche kaum biegen, aber während es hindurchging, würde sich das Gerät biegen, bis es fast vertikal wurde.

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Umwandlung der Theorie in die Realität

Die Forscher experimentierten mit vielen Materialien, einschließlich Glas und Polymeren, um ihr Gerät mit einem abgestuften Brechungsindex herzustellen. Die Prototypen hatten auch Spiegel an ihren Seiten, damit jegliches Licht, das austreten würde, direkt zurückgeschickt würde. Mit einer MischungMaterialien hatten auch den Nachteil, dass sie sich unter Hitze unterschiedlich ausdehnen konnten, was zu Rissen im Gerät führte.

In der Pressemitteilung heißt es, dass Vaidyas frühere Arbeit mit dem 3D-Druck nützlich war, als sie Polymerlinsen mit Rauheit im Nanometerbereich hergestellt hatte. Mithilfe neuer Herstellungstechniken konnten die Forscher AGILE mit handelsüblichen Polymeren und Gläsern in 3D drucken.

In den gebauten und getesteten Prototypen erfassten die Forscher 90 Prozent des Lichts, das auf die AGILE-Oberfläche traf, und erzeugten Flecken, die dreimal heller waren als das einfallende Licht. Die Linse arbeitet auch mit einem breiten Lichtspektrum, das von Ultraviolett bis Infrarot reicht, sowie Licht, das aufgrund von Wetteränderungen oder atmosphärischen Bedingungen gestreut wird.

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Eine auf Solarmodulen installierte AGILE-Schicht könnte nicht nur beim Entfernen der derzeit verwendeten Schutzschichten helfen, sondern auch Platz für Kühlung und Kreisläufe zwischen den umgekehrten Pyramiden schaffen, fügte die Pressemitteilung hinzu. Mit der erforderlichen Fläche fürStromerzeugung reduziert, die Solarmodule könnten kleiner werden, was die Produktionskosten senkt.

Sonnenkollektoren sind jetzt noch spannender.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlichtMikrosystem- und Nanotechnik.

Zusammenfassung

Immersionsoptiken ermöglichen die Schaffung von Systemen mit verbesserter optischer Konzentration und Kopplung, indem sie sich die Tatsache zunutze machen, dass die Leuchtdichte des Lichts proportional zum Quadrat des Brechungsindex in einem verlustfreien optischen System ist. Optische Konzentratoren mit abgestuftem Immersionsindex, die nicht erforderlich sindB. um die Quelle zu verfolgen, werden in Form von Theorie, Simulationen und Experimenten beschrieben.Wir führen eine verallgemeinerte Entwurfsleitfadengleichung ein, die der Pareto-Funktion folgt und verwendet werden kann, um verschiedene Immersions-Gradientenindexoptiken je nach Anwendungsanforderungen an Konzentration und Brechungsindex zu erstellen, Höhe und Effizienz Wir präsentieren Glas- und Polymerherstellungstechniken zur Herstellung von breitbandigen transparenten Gradientenindexmaterialien mit großen Brechungsindexbereichen Brechungsindexverhältnis2 von ~2, was um ein Vielfaches über das hinausgeht, was in der Natur oder in der Optikindustrie zu sehen ist. Die Prototypen zeigen eine 3-fache optische Konzentration mit über 90 % Effizienz. Wir berichten über funktionale Prototypen, dass Konzentratoren mit Gradientenindexlinsen nahe am theoretischen Maximum arbeitenGrenze und wir stellen einfache, kostengünstige, designflexible und skalierbare Herstellungstechniken für ihre Implementierung vor.

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