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Il concentratore ottico potrebbe aiutare i pannelli solari a catturare più luce, anche in una giornata nuvolosa, senza tracciare il sole

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Nina Vaidya misura le prestazioni sperimentali dei concentratori ottici sotto un simulatore solare che agisce come un sole artificiale. Credito: Nina Vaidya

I ricercatori hanno immaginato, progettato e testato un elegante dispositivo a lente in grado di raccogliere in modo efficiente la luce da tutte le angolazioni e concentrarla in una posizione di uscita fissa. Queste ottiche a indice graduato trovano applicazione anche in aree quali la gestione della luce nell’illuminazione a stato solido, gli accoppiatori laser e la tecnologia di visualizzazione per migliorare l’accoppiamento e la risoluzione.

Anche con gli impressionanti e continui progressi nelle tecnologie solari, la domanda rimane: come possiamo raccogliere in modo efficiente l’energia dalla luce solare proveniente da diverse angolazioni dall’alba al tramonto?

I pannelli solari funzionano meglio quando la luce del sole li colpisce direttamente. Per catturare quanta più energia possibile, molti pannelli solari ruotano attivamente verso il sole mentre si muove attraverso il cielo. Questo li rende più efficienti, ma anche più costosi e complicati da costruire e mantenere rispetto a un sistema stazionario.

Questi sistemi attivi potrebbero non essere necessari in futuro. Alla Stanford University, la ricercatrice di ingegneria Nina Vaidya ha progettato un dispositivo elegante in grado di raccogliere e concentrare in modo efficiente la luce che cade su di esso, indipendentemente dall’angolo e dalla frequenza di quella luce. Un articolo che descrive le prestazioni del sistema e la teoria alla base è la storia di copertina del numero di luglio di Microsistemi e nanoingegneriascritto da Vaidya e dal suo consulente di dottorato Olav Solgaard, professore di ingegneria elettrica a Stanford.

“È un sistema completamente passivo: non ha bisogno di energia per tracciare la fonte o avere parti mobili”, ha affermato Vaidya, che ora è assistente professore all’Università di Southampton, nel Regno Unito. “Senza messa a fuoco ottica che sposta le posizioni o necessità di sistemi di tracciamento, concentrare la luce diventa molto più semplice”.

Il dispositivo, che i ricercatori chiamano AGILE, acronimo di Axially Graded Index Lens, è ingannevolmente semplice. Sembra una piramide capovolta con la punta mozzata. La luce entra nella parte superiore quadrata e piastrellabile da qualsiasi numero di angolazioni e viene incanalata verso il basso per creare un punto più luminoso all’uscita.

Nei loro prototipi, i ricercatori sono stati in grado di catturare oltre il 90% della luce che colpisce la superficie e creare punti in uscita tre volte più luminosi della luce in entrata. Installati in uno strato sopra le celle solari, potrebbero rendere più efficienti i pannelli solari e catturare non solo la luce solare diretta, ma anche la luce diffusa che è stata diffusa dall’atmosfera, dal tempo e dalle stagioni della Terra.

Uno strato superiore di AGILE potrebbe sostituire l’incapsulamento esistente che protegge i pannelli solari, eliminare la necessità di inseguire il sole, creare spazio per il raffreddamento e i circuiti per scorrere tra le piramidi che si restringono dei singoli dispositivi e, soprattutto, ridurre la quantità di celle solari superficie necessaria per produrre energia e quindi ridurre i costi. E gli usi non si limitano alle installazioni solari terrestri: se applicato a pannelli solari inviati nello spazio, uno strato AGILE potrebbe concentrare la luce senza inseguimento solare e fornire la necessaria protezione dalle radiazioni.

Il concentratore ottico potrebbe aiutare i pannelli solari a catturare più luce, anche in una giornata nuvolosa, senza tracciare il sole

Concetto AGILE (Axially Graded Index LEns) e visione del sistema di array di concentratori. ha Descrizione dell’azione di concentrazione ottica, b unità ripetitiva di AGILE, contro array di concentratori con antiriflesso e incapsulamento integrati, nessuna necessità di tracciare la sorgente e celle fotovoltaiche separate nello spazio che presentano i vantaggi di un utilizzo ridotto di materiale fotovoltaico, quindi costi inferiori con spazio per il raffreddamento e i circuiti. Credito: Microsistemi e nanoingegneria (2022). DOI: 10.1038/s41378-022-00377-z

Immaginando l’AGILE perfetta

La premessa di base dietro AGILE è simile all’utilizzo di una lente d’ingrandimento per bruciare i punti sulle foglie in una giornata di sole. La lente della lente d’ingrandimento concentra i raggi del sole in un punto più piccolo e luminoso. Ma con una lente d’ingrandimento, il punto focale si muove come fa il sole. Vaidya e Solgaard hanno trovato un modo per creare una lente che cattura i raggi da tutte le angolazioni ma concentra sempre la luce nella stessa posizione di uscita.

“Volevamo creare qualcosa che assorbisse la luce e la concentrasse nella stessa posizione, anche se la sorgente cambia direzione”, ha affermato Vaidya. “Non vogliamo dover continuare a spostare il nostro rivelatore o cella solare o spostare il sistema per affrontare la sorgente”.

Vaidya e Solgaard hanno determinato che teoricamente sarebbe possibile raccogliere e concentrare la luce diffusa utilizzando un materiale ingegnerizzato che aumenta gradualmente l’indice di rifrazione, una proprietà che descrive la velocità con cui la luce viaggia attraverso un materiale, facendo sì che la luce si pieghi e si incurvi verso una focale punto. Sulla superficie del materiale, la luce non si piegherebbe affatto. Quando avrebbe raggiunto l’altro lato, sarebbe stato quasi verticale e messo a fuoco.

“Le soluzioni migliori sono spesso le idee più semplici. Un AGILE ideale ha, nella parte anteriore, lo stesso indice di rifrazione dell’aria e aumenta gradualmente: la luce si piega in una curva perfettamente liscia”, ha affermato Solgaard. “Ma in una situazione pratica, non avrai quell’AGILE ideale.”

Dalla teoria alla realtà

Per i prototipi, i ricercatori hanno messo insieme diversi vetri e polimeri che piegano la luce a gradi diversi, creando quello che è noto come un materiale a indice graduato. Gli strati cambiano la direzione della luce a passi invece di una curva morbida, che i ricercatori hanno scoperto essere una buona approssimazione dell’AGILE ideale. I lati dei prototipi sono specchiati, quindi qualsiasi luce che va nella direzione sbagliata viene rimbalzata verso l’uscita.

Una delle maggiori sfide è stata trovare e creare i materiali giusti, afferma Vaidya. Gli strati di materiale nel prototipo AGILE lasciano passare un ampio spettro di luce, dal vicino ultravioletto all’infrarosso, e piegano quella luce sempre più verso l’uscita con un’ampia gamma di indici di rifrazione, cosa che non si vede in natura o nell’ottica attuale industrie. Questi materiali utilizzati dovevano anche essere compatibili tra loro: se un vetro si espandeva in risposta al calore a una velocità diversa rispetto a un altro, l’intero dispositivo poteva rompersi e abbastanza robusto da poter essere lavorato a macchina e rimanere durevole.

“È una di queste avventure ingegneristiche ‘al volo’, che va direttamente dalla teoria ai prototipi reali”, ha affermato Vaidya. “Ci sono molti articoli teorici e grandi idee là fuori, ma è difficile trasformarli in realtà con progetti reali e materiali reali che spingono i confini di ciò che prima era ritenuto impossibile”.

Dopo aver esplorato molti materiali, creato nuove tecniche di fabbricazione e testato più prototipi, i ricercatori sono approdati su design AGILE che si comportavano bene utilizzando polimeri e vetri disponibili in commercio. AGILE è stato anche fabbricato utilizzando la stampa 3D nel lavoro precedente degli autori che ha creato lenti polimeriche leggere e flessibili dal design con rugosità superficiale su scala nanometrica. Vaidya spera che i progetti AGILE possano essere utilizzati nell’industria solare e anche in altri settori. AGILE ha diverse potenziali applicazioni in aree come l’accoppiamento laser, le tecnologie di visualizzazione e l’illuminazione, come l’illuminazione a stato solido, che è più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai vecchi metodi di illuminazione.

“L’uso dei nostri sforzi e delle nostre conoscenze per realizzare sistemi ingegneristici significativi è stata la mia forza trainante, anche quando alcune prove non stavano funzionando”, ha affermato Vaidya. “Essere in grado di utilizzare questi nuovi materiali, queste nuove tecniche di fabbricazione e questo nuovo concetto AGILE per creare concentratori solari migliori è stato molto gratificante. L’energia pulita abbondante e conveniente è una parte vitale per affrontare le sfide urgenti del clima e della sostenibilità e noi necessità di catalizzare soluzioni ingegneristiche per renderlo realtà”.


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