Saules pastiprināšana

Savā tumšajā laboratorijā MIT Marks Baldo spīdina ultravioleto lampu uz 10 centimetru stikla kvadrāta. Viņš ir pārklājis stikla virsmas ar krāsām, kas gaismā mirdz vāji oranžā krāsā. Tomēr stikla nepārklātās malas spīd spožāk – četras glītas, plānas luminiscējošas oranžas strēmeles.

Marc Baldo pozē ar stikla lokšņu kolekciju, kas pārklāta ar gaismu izstarojošām organiskām krāsvielām. Krāsvielas absorbē gaismu un nodod to atpakaļ stiklā, kas to novirza uz lokšņu malām. Baldo izmanto ierīces, lai koncentrētu saules gaismu, padarot saules enerģiju lētāku.

Stikla loksne ir jauna veida saules koncentrators, ierīce, kas savāc izkliedēto gaismu un fokusē to uz salīdzinoši mazu saules bateriju. Saules baterijas, daudzslāņu elektroniskās ierīces, kas izgatavotas no ļoti attīrīta silīcija, ir dārgas ražot, un jo lielākas tās ir, jo dārgāk tās maksā. Saules koncentratori var samazināt kopējās saules enerģijas izmaksas, ļaujot izmantot daudz mazākas baterijas. Bet koncentratori parasti ir izgatavoti no izliektiem spoguļiem vai lēcām, kas ir apjomīgi un prasa dārgas mehāniskās sistēmas, kas palīdz izsekot saulei.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2008. gada septembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Atšķirībā no spoguļiem un lēcām parastajos saules koncentratoros, Baldo stikla loksnes darbojas kā viļņvadi, virzot gaismu tāpat kā optisko šķiedru kabeļi pārraida optiskos signālus lielos attālumos. Krāsvielas, kas pārklāj stikla virsmas, absorbē saules gaismu; dažādas krāsvielas var izmantot dažādu gaismas viļņu garumu absorbēšanai. Tad krāsvielas atkal izstaro gaismu stiklā, kas to novirza uz malām. Pie malām piestiprinātās saules bateriju sloksnes absorbē gaismu un ģenerē elektrību. Jo lielāka ir stikla virsma salīdzinājumā ar malu biezumu, jo vairāk tiek koncentrēta gaisma un līdz noteiktam līmenim ir mazākas enerģijas izmaksas.

Baldo, elektrotehnikas asociētais profesors, nesen publicēja savus atklājumus Zinātne . Pamatojoties uz tiem, viņš prognozē, ka viņa saules koncentratorus varētu padarīt pietiekami lielus, lai elektrība, ko tie palīdz saražot, konkurētu ar elektrību no fosilā kurināmā. Patiešām, saka Baldo, paneļi, kas aprīkoti ar koncentratoriem, varētu būt lētākā saules tehnoloģija.

Multivide

• Skatiet, kā darbojas saules koncentrators.

Slepenā sastāvdaļa
Baldo saules koncentratoru izgatavošanas process sākas citā laboratorijā. Pēcdoktorantūras pētnieks Šaloms Gofri no skapja izņem vairākas pudeles, kas pildītas ar krāsainiem krāsvielu pulveriem, un mēra pulverus mazos flakonos. Dažas krāsvielas tika izstrādātas izmantošanai automašīnu krāsās; citi ir izmantoti organiskajās gaismas diodēs. Abu veidu krāsvielas var izturēt gadiem ilgi saulē, un tā ir būtiska kvalitāte saules koncentratoriem. Kad viņš ir izmērījis pulverus, Gofri pievieno katram šķīdinātāju, lai iegūtu šķidru tinti.

Nākamās darbības notiek aizzīmogotā kastē, lai Goffri neieelpotu šķīdinātājus, ko izmanto krāsas pagatavošanai. Viņš sniedzas kastē, izmantojot biezus melnus cimdus, kas uzstādīti tās stikla priekšpusē, un rūpīgi sajauc kopā dažādas tintes. Pareizās tintes kombinācijas noteikšana atrisināja būtisku problēmu, ar kuru pētnieki ir saskārušies ar šāda veida saules koncentratoriem. Ja stikla loksne ir pārklāta ar krāsvielu, kas absorbē saules gaismu, piemēram, saules spektra diapazonā no zaļas līdz zilai un izstaro tāda paša viļņa garuma gaismu, izstarotā gaisma tiks ātri absorbēta krāsvielā, un maz no tās kādreiz sasniegs glāzes malu. Problēma ir ierobežojusi šo saules koncentratoru izmēru, jo jo tālāk gaismai jāpārvietojas līdz malām, jo ​​mazāk gaismas to veidos.

Izmantojot noteiktas krāsvielu kombinācijas, kas mijas ar citām gaismu absorbējošām molekulām, Baldo ražo pārklājumus, kas absorbē vienu krāsu, bet izstaro citu. Izstaroto gaismu pārklājumi ātri neuzsūc, tāpēc vairāk tās sasniedz stikla loksnes malas.

Goffri izgatavotie pārklājumi absorbē ultravioleto starojumu caur zaļo gaismu un izstaro oranžu gaismu. Kad Gofri ir sagatavojis galīgo maisījumu, viņš izlej nelielu daudzumu uz 10 centimetru plata stikla kvadrāta — vislielākā, kas var ievietoties ierīcē, kas griež stiklu ar ātrumu 2000 apgriezienu minūtē, lai tinte vienmērīgi sadalītos. Vienas vai divu minūšu laikā šķīdinātājs ir iztvaikojis, un process ir pabeigts. Saules koncentrators ar oranžās krāsas pārklājumu ir pabeigts.

Prototips
Lai ražotu elektroenerģiju, Goffri savieno saules koncentratoru ar saules baterijām. Viņš izgatavo tā saukto tandēma saules moduli — saules paneļu veidu, kurā tiek izmantoti divu dažādu veidu elementi, lai saules gaismā uztvertu vairāk enerģijas, nekā tas būtu iespējams. Dažādiem saules gaismas viļņu garumiem ir atšķirīgs enerģijas daudzums; ultravioletajai gaismai ir visvairāk un infrasarkanajai gaismai vismazāk. Saules baterijas ir optimizētas noteiktām krāsām. Piemēram, tas, kas paredzēts infrasarkanās gaismas pārvēršanai elektroenerģijā, lielāko daļu zilās gaismas enerģijas pārvērš siltumenerģijā. Tāpat sarkanā gaisma izies cauri saules baterijai, kas optimizēta augstas enerģijas zilajai gaismai, un tā netiks absorbēta. Ideālā gadījumā saules baterijas dažādiem viļņu garumiem tiktu izmantotas kombinācijā, lai savāktu visvairāk saules gaismas, taču šī pieeja bieži ir pārāk dārga, lai tā būtu praktiska.

Baldo koncentratori piedāvā lētu veidu, kā kombinēt saules baterijas, kas optimizētas dažādiem gaismas viļņu garumiem: dažādu krāsu pārklājumus var savienot pārī ar dažāda veida saules baterijām vienā ierīcē. Lai izveidotu prototipu, Goffri izmanto saules baterijas, kas ir piemērotas augstas enerģijas krāsām, un pielīmē to plastmasas rāmja iekšpusē; tad viņš iebīda koncentratoru rāmī tā, lai tā malas sakrīt ar šūnām. Koncentrators uztver ultravioleto, zilo un zaļo gaismu un izstaro oranžo gaismu, ko šūnas pārvērš elektrībā. Zemākas enerģijas gaisma no spektra sarkanā un infrasarkanā gala iziet cauri saules koncentratoram uz nākamo slāni. Prototipā nākamais slānis ir pilna izmēra parastā silīcija saules baterija, kas nav savienota pārī ar saules koncentratoru.

Baldo saka, ka prototips var pārvērst gandrīz divreiz vairāk saules gaismas enerģijas elektrībā nekā parastā šūna, ja koncentrators ir aptuveni 30 kvadrātcentimetru. Tas nozīmē saules elektroenerģijas izmaksu samazināšanos par 30 procentiem.

Nākotnē izmaksu ietaupījums var būt daudz lielāks, uzskata Baldo. Viņš neizmanto koncentratoru infrasarkanajai gaismai, jo līdz šim nav nevienas labas krāsvielas šo viļņu garumu uztveršanai. Bet viņš ir pārliecināts, ka šādas krāsvielas var izstrādāt. Kad tas notiks, viņš par nelielām papildu izmaksām varēs pievienot otru koncentratoru un nomainīt pilna izmēra silīcija saules bateriju ar mazākām, lētākām baterijām, kas piestiprinātas pie koncentratoru malām. Ja fotoelementu izmaksas nākamajos gados samazināsies, kā paredzēts, šī iestatīšana varētu padarīt saules enerģiju tikpat lētu kā elektrība no oglēm, viņš saka.

Laboratorijā ir jāpaveic vairāk darba, piemēram, jāuzlabo koncentratoru absorbējamo krāsu diapazons, kas ļaus tos pielāgot noteiktām spektra daļām. Taču Baldo saka, ka ir laiks sākt tehnoloģiju izņemšanu no laboratorijas tirgū. Viņš kopā ar kolēģiem ir nodibinājis uzņēmumu Covalent Solar, kas sāk vākt naudu. Uzņēmums, kas atrodas Kembridžā, MA, plāno savus pirmos produktus — iespējams, tandēma saules moduļus — darīt pieejamus trīs gadu laikā.

Kevins Bulliss ir Tehnoloģiju apskats enerģijas redaktors.

paslēpties