211service.com
Tańszy koncentrator słoneczny
Nicolas Morgan trzyma kwadratowy kawałek przezroczystego, formowanego akrylu o grubości około centymetra i świeci latarką bezpośrednio na jego płaską powierzchnię. Zielona wiązka wchodzi w akryl i ugina się w kierunku środka kwadratu. Morgan powtarza ten proces w różnych punktach powierzchni i za każdym razem wiązka kieruje się w stronę środka.
Światło przewodnie : Precyzyjna optyka Morgan Solar – częściowo akrylowa, a częściowo szklana – jest formowana w taki sposób, że światło jest uwięzione i odbija się w kierunku jego środka. Optyka ze szkła wtórnego skupia światło do 1000 słońc i kieruje je do maleńkiego ogniwa słonecznego o wysokiej wydajności. Niskoprofilowa konstrukcja obiecuje obniżyć koszty produkcji i transportu.
Akrylowy komponent – zwany Light-Guide Solar Optic (LSO) – to nowy typ koncentratora słonecznego, który może znacznie obniżyć koszty wytwarzania energii elektrycznej ze słońca. W przeciwieństwie do istniejących projektów, nie ma potrzeby stosowania luster, złożonej optyki ani chemikaliów do chwytania światła i manipulowania nim. To czysta optyka geometryczna, mówi Morgan, dyrektor ds. rozwoju biznesu w Morgan Solar z siedzibą w Toronto.
Koncentratory słoneczne pojawiły się w ostatnich latach jako sposób na zwiększenie ilości światła słonecznego uderzającego w ogniwa słoneczne, które są najdroższą częścią paneli słonecznych. Aby energia słoneczna była bardziej przystępna cenowo, inżynierowie starali się zużywać mniej materiału na ogniwa słoneczne, skupiając światło słoneczne na znacznie mniejszych przestrzeniach.
Ale to podejście ma swoje własne wyzwania. Większość koncentratorów to złożone systemy, które wykorzystują specjalne soczewki, zakrzywione zwierciadła i inne elementy optyczne o niezerowej ogniskowej. Oznacza to, że musi być wystarczająca odległość – szczelina powietrzna – między ogniwem słonecznym a optyką, aby prawidłowo skupić światło. W rezultacie systemy oparte na koncentratorach są zwykle pakowane w nieporęczne obudowy o wystarczającej głębokości, aby pomieścić ogniskową i chronić wszystkie komponenty podczas transportu. Oznacza to wyższe koszty materiałów i montażu oraz droższą wysyłkę.
Kilka lat temu brat Nicolasa, John Paul Morgan, wpadł na pomysł półprzewodnikowego systemu solarnego koncentratora: płaska, cienka akrylowa optyka, która zatrzymuje światło i kieruje je w kierunku jego środka. W centrum koncentratora Morgan Solar osadzona jest wtórna, okrągła optyka wykonana ze szkła. Z płaskim dnem i wypukłą, lustrzaną górą, optyka odbiera wpadające światło o stężeniu około 50 słońc i wzmacnia je do prawie 1000 słońc, po czym zakrzywia światło pod kątem 90 stopni.
W przeciwieństwie do innych koncentratorów światło nie opuszcza optyki przed uderzeniem w ogniwo słoneczne. Zamiast tego wysokowydajna komórka wielkości kciuka niemowlęcia jest przyklejona bezpośrednio do środkowej dolnej części szklanej optyki, gdzie pochłania skierowane w dół światło. Nie ma szczeliny powietrznej i nie ma szans na wybicie delikatnych elementów z wyrównania.
Chodzi o krytyczną kontrolę kątów, gdy światło wejdzie do pierwszej optyki, wyjaśnia Nicolas Morgan. Projekt wykorzystuje zjawisko zwane całkowitym odbiciem wewnętrznym – kąt, pod którym wiązka światła wewnątrz materiału optycznego odbija się z powrotem w materiale, a nie ucieka.
Sztuczka polega na uformowaniu akrylu w taki sposób, aby zaginał światło w określonym kierunku, gdy wpada ono do pierwszej optyki. Musi zapewnić, że światło utrzyma ten kąt, aby zapobiec ucieczce i skierować je do szklanej optyki w środku. Precyzja jest kluczowa – nie tylko w projektowaniu optyki, ale także w tworzeniu form do ich masowej produkcji.
Firma spodziewa się, że jej pierwsze komercyjne wersje systemu będą składały się z płytek akrylowych o wielkości około ośmiu cali kwadratowych, zawierających wtórną optykę szklaną o średnicy około dwa razy większej od niklu.
Ray LaPierre, profesor fizyki inżynierskiej na Uniwersytecie McMaster w Ontario w Kanadzie i ekspert w dziedzinie wysokowydajnych ogniw słonecznych, po raz pierwszy zobaczył prototyp LSO Morgan Solar w grudniu na kanadyjskiej konferencji słonecznej i odszedł pod wrażeniem. Ich konstrukcja jest z pewnością nowatorska, fizycznie solidna, tania w produkcji i ma duże szanse na zrewolucjonizowanie [technologii] koncentratora, mówi LaPierre.
Ale podobnie jak inne koncentratory fotowoltaiczne, technologia Morgan Solar nadal wymaga systemu śledzenia, aby był skierowany w stronę słońca. Naukowcy z MIT wyeliminowali potrzebę stosowania trackerów, opracowując specjalne powłoki barwnikowe, które mogą pochłaniać rozproszone światło, ale technologia Morgan Solar jest bliższa rynkowi. Nicolas Morgan dodaje, że dzisiejsze urządzenia śledzące są precyzyjne, niezawodne i dodają krańcowy koszt do 44 procent większej mocy. Niektóre decyzje biznesowe i inżynieryjne muszą zostać jeszcze podjęte, ale spodziewa się, że firma będzie w stanie zbudować swój system za mniej niż 1 dolar za wat do 2011 roku – a przy pewnej integracji pionowej, znacznie mniej. Doprowadziłoby to do uzyskania produktu o wydajności bliskiej 30 procentom przy kosztach konkurencyjnych w stosunku do cienkiej folii.
Myślę, że należy kontynuować tę koncepcję, mówi profesor inżynierii Roland Winston, ekspert w dziedzinie optyki nieobrazowej z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Merced. Kwestionuje jednak zastosowanie akrylu jako materiału koncentratora: nie udowodniono, że akryl nadaje się do długotrwałego użytkowania, zwłaszcza przy skoncentrowanym świetle słonecznym.
John Paul Morgan mówi, że to główny powód, dla którego firma używa w swoim systemie zarówno akrylu, jak i szkła. Firma celowo ograniczyła stężenia w części akrylowej do 50 słońc i ma mniejszą szklaną optykę, która zajmuje się ciężkim podnoszeniem. „Chcemy, aby ten system działał przez 25 lat, dlatego staramy się naprawdę nie docenić materiału” – mówi. Gdy udowodnimy, że możemy jeszcze bardziej popchnąć akryl, zmniejszymy szklaną optykę.
Szereg projektów pilotażowych zaplanowanych na rok 2009 będzie testować koncentrator w terenie. Firma spodziewa się, że produkcja komercyjna rozpocznie się w 2010 roku.