Intensyfikacja słońca

W swoim zaciemnionym laboratorium w MIT Marc Baldo świeci lampą ultrafioletową na 10-centymetrowy kwadrat szkła. Pokrył powierzchnie szkła barwnikami, które w świetle świecą lekko pomarańczowo. Jednak niepowleczone krawędzie szkła błyszczą jaśniej – cztery zgrabne, cienkie paski luminescencyjnego pomarańczu.

Marc Baldo pozuje z kolekcją tafli szklanych pokrytych emitującymi światło barwnikami organicznymi. Barwniki pochłaniają światło i ponownie wprowadzają je do szkła, które kieruje je na krawędzie tafli. Baldo wykorzystuje urządzenia do koncentracji światła słonecznego, dzięki czemu energia słoneczna jest tańsza.

Tafla szkła to nowy rodzaj koncentratora słonecznego, urządzenia, które zbiera rozproszone światło i skupia je na stosunkowo małym ogniwie słonecznym. Ogniwa słoneczne, wielowarstwowe urządzenia elektroniczne wykonane z wysoko rafinowanego krzemu, są drogie w produkcji, a im są większe, tym droższe. Koncentratory słoneczne mogą obniżyć całkowity koszt energii słonecznej, umożliwiając stosowanie znacznie mniejszych ogniw. Koncentratory są jednak zazwyczaj wykonane z zakrzywionych luster lub soczewek, które są nieporęczne i wymagają kosztownych systemów mechanicznych, które pomagają śledzić słońce.

Ta historia była częścią naszego wydania z września 2008 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

W przeciwieństwie do luster i soczewek w konwencjonalnych koncentratorach słonecznych, tafle szklane Baldo działają jak falowody, kierując światło w taki sam sposób, w jaki kable światłowodowe przesyłają sygnały optyczne na duże odległości. Barwniki pokrywające powierzchnie szkła pochłaniają światło słoneczne; różne barwniki mogą być używane do pochłaniania różnych długości fal światła. Następnie barwniki ponownie wpuszczają światło do szkła, które kieruje je na krawędzie. Paski ogniw słonecznych przymocowane do krawędzi pochłaniają światło i wytwarzają energię elektryczną. Im większa powierzchnia szkła w porównaniu z grubością krawędzi, tym bardziej skoncentrowane jest światło i do pewnego stopnia mniejsze koszty energii.

Baldo, profesor nadzwyczajny elektrotechniki, opublikował niedawno swoje odkrycia w Nauka . Na ich podstawie przewiduje, że jego koncentratory słoneczne mogłyby być wystarczająco duże, aby energia elektryczna, którą pomagają generować, konkurowała z energią elektryczną z paliw kopalnych. Rzeczywiście, mówi Baldo, panele wyposażone w koncentratory mogą być najtańszą technologią słoneczną.

Multimedia

• Zobacz, jak działa koncentrator solarny.

Sekretny składnik
Proces wytwarzania koncentratorów słonecznych Baldo rozpoczyna się w innym laboratorium. Badacz podoktorancki, Shalom Goffri, bierze z szafki kilka butelek wypełnionych kolorowymi proszkami barwnikowymi i odmierza je do małych fiolek. Niektóre z barwników zostały opracowane do użytku w lakierach samochodowych; inne zostały wykorzystane w organicznych diodach elektroluminescencyjnych. Oba rodzaje barwników mogą utrzymywać się przez lata na słońcu, co jest cechą niezbędną dla koncentratorów słonecznych. Po odmierzeniu proszków Goffri dodaje do każdego rozpuszczalnika, aby uzyskać płynny atrament.

Kolejne kroki odbywają się w szczelnie zamkniętym pudełku, aby Goffri nie wdychał rozpuszczalników użytych do wytworzenia barwnika. Sięga do pudełka w grubych czarnych rękawiczkach osadzonych w szklanym froncie i starannie miesza ze sobą różne atramenty. Określenie właściwej kombinacji atramentów rozwiązało fundamentalny problem, z którym badacze napotkali w tego typu koncentratorach słonecznych. Jeśli tafla szkła jest pokryta barwnikiem, który absorbuje światło słoneczne w, powiedzmy, zakresie od zielonego do niebieskiego widma słonecznego i emituje światło o tej samej długości fali, emitowane światło zostanie szybko ponownie wchłonięte przez barwnik, a niewiele z niego. nigdy nie dotrze do krawędzi szyby. Problem ograniczył rozmiar tych koncentratorów słonecznych, ponieważ im dalej światło musi przebyć do krawędzi, tym mniej światła to zrobi.

Używając pewnych kombinacji barwników przeplatanych innymi cząsteczkami pochłaniającymi światło, Baldo tworzy powłoki, które pochłaniają jeden kolor, ale emitują inny. Emitowane światło nie jest szybko ponownie absorbowane przez powłoki, przez co więcej dociera do krawędzi tafli szkła.

Powłoki, które wykonuje Goffri, pochłaniają ultrafiolet w świetle zielonym i emitują światło pomarańczowe. Gdy Goffri przygotuje ostateczną mieszankę, wylewa niewielką ilość na szklany kwadrat o szerokości 10 centymetrów – największy, który zmieści się w urządzeniu, które obraca szkło z prędkością 2000 obrotów na minutę, aby równomiernie rozprowadzić atrament. W ciągu minuty lub dwóch rozpuszczalnik odparowuje i proces jest zakończony. Koncentrator słoneczny z powłoką z pomarańczowego barwnika jest gotowy.

prototyp
Aby wygenerować energię elektryczną, Goffri łączy koncentrator słoneczny z ogniwami słonecznymi. Tworzy tak zwany tandemowy moduł słoneczny, rodzaj panelu słonecznego, który wykorzystuje dwa różne rodzaje ogniw do przechwytywania większej ilości energii słonecznej niż jeden rodzaj. Różne długości fal światła słonecznego mają różne ilości energii; światło ultrafioletowe ma najwięcej, a podczerwień najmniej. Ogniwa słoneczne są zoptymalizowane pod kątem określonych kolorów. Na przykład jeden zaprojektowany do konwersji światła podczerwonego na energię elektryczną przekształci większość energii w świetle niebieskim na ciepło odpadowe. Podobnie czerwone światło przejdzie przez ogniwo słoneczne zoptymalizowane pod kątem wysokoenergetycznego światła niebieskiego bez pochłaniania. Najlepiej byłoby, gdyby ogniwa słoneczne o różnych długościach fal były używane w połączeniu, aby zebrać jak najwięcej światła słonecznego, ale takie podejście jest często zbyt drogie, aby było praktyczne.

Koncentratory Baldo oferują niedrogi sposób łączenia ogniw słonecznych zoptymalizowanych pod kątem różnych długości fal światła: różne kolorowe powłoki można łączyć z różnymi typami ogniw słonecznych w tym samym urządzeniu. Aby stworzyć prototyp, Goffri bierze rodzaj ogniwa słonecznego dobrze dopasowanego do wysokoenergetycznych kolorów i przykleja je do wnętrza plastikowej ramy; następnie wsuwa koncentrator do ramy tak, aby jego krawędzie pokrywały się z komórkami. Koncentrator wychwytuje światło ultrafioletowe, niebieskie i zielone i emituje pomarańczowe światło, które komórki zamieniają na energię elektryczną. Światło o niższej energii, z końca widma czerwonego i podczerwonego, przechodzi przez koncentrator słoneczny do następnej warstwy. W prototypie następną warstwą jest pełnowymiarowe, konwencjonalne krzemowe ogniwo słoneczne, które nie jest połączone z koncentratorem słonecznym.

Prototyp, mówi Baldo, może przetwarzać prawie dwa razy więcej energii ze światła słonecznego na energię elektryczną niż konwencjonalne ogniwo, pod warunkiem, że koncentrator ma około 30 centymetrów kwadratowych. Przekłada się to na 30-procentowy spadek kosztów energii słonecznej.

Baldo uważa, że ​​w przyszłości oszczędności mogą być znacznie większe. Nie używa koncentratora do światła podczerwonego, ponieważ jak dotąd nie istnieją żadne dobre barwniki do uchwycenia tych długości fal. Ale jest przekonany, że takie barwniki można opracować. Kiedy tak się stanie, będzie mógł dodać drugi koncentrator za niewielką dodatkową opłatą i zastąpić pełnowymiarowe krzemowe ogniwo słoneczne mniejszymi, tańszymi ogniwami przymocowanymi do krawędzi koncentratorów. Jeśli koszt fotowoltaiki spadnie w ciągu najbliższych kilku lat, zgodnie z oczekiwaniami, taka konfiguracja może sprawić, że energia słoneczna będzie mniej więcej tak tania jak energia elektryczna z węgla, mówi.

W laboratorium jest jeszcze więcej do zrobienia, na przykład poprawienie zakresu kolorów, które mogą absorbować koncentratory, co pozwoli na dopasowanie ich do określonych wycinków widma. Ale Baldo mówi, że nadszedł czas, aby przenieść technologię z laboratorium na rynek. Wraz z kolegami założył firmę o nazwie Covalent Solar, która zaczyna zbierać pieniądze. Firma z siedzibą w Cambridge w stanie Massachusetts planuje wprowadzić swoje pierwsze produkty – prawdopodobnie tandemowe moduły słoneczne – w ciągu trzech lat.

Kevin Bullis jest Przegląd technologii redaktor ds. energii.

ukryć