I přes působivý a neustálý pokrok v oblasti solárních technologií zůstává otázka: Jak můžeme efektivně shromažďovat energii ze slunečního světla, které přichází pod různými úhly od východu do západu slunce? Vědci vymysleli, navrhli a otestovali elegantní čočkové zařízení, které dokáže účinně shromažďovat světlo ze všech úhlů a soustřeďovat ho na pevně daném výstupním místě. Tyto optické prvky s odstupňovaným indexem mají také využití v oblastech, jako je řízení světla v polovodičovém osvětlení, laserové spojky a technologie displejů pro zlepšení spojení a rozlišení.
Solární panely fungují nejlépe, když na ně dopadá přímé sluneční světlo. Aby bylo možné zachytit co nejvíce energie, mnoho solárních panelů se aktivně otáčí směrem ke slunci, když se pohybuje po obloze. Díky tomu jsou účinnější, ale také dražší a složitější na stavbu a údržbu než stacionární systém.
Tyto aktivní systémy nemusí být v budoucnu nutné. Na Stanfordově univerzitě navrhla inženýrka Nina Vaidya elegantní zařízení, které dokáže účinně shromažďovat a soustřeďovat světlo, které na něj dopadá, bez ohledu na úhel a frekvenci tohoto světla. Článek popisující výkonnost tohoto systému a teorii, která za ním stojí, je titulním článkem červencového čísla časopisu Microsystems & Nanoengineering, jehož autory jsou Vaidyaová a její doktorand Olav Solgaard, profesor elektrotechniky na Stanfordu.
„Je to zcela pasivní systém – nepotřebuje energii ke sledování zdroje ani nemá žádné pohyblivé části,“ řekla Vaidyaová, která nyní působí jako odborná asistentka na univerzitě v britském Southamptonu. „Bez optického ohniska, které pohybuje polohami, nebo potřeby sledovacích systémů je soustředění světla mnohem jednodušší.“
Zařízení, které vědci nazývají AGILE – zkratka pro Axially Graded Index Lens – je klamně jednoduché. Vypadá jako obrácený jehlan s odříznutou špičkou. Světlo vstupuje do čtvercového, dlaždicového vrcholu z libovolného počtu úhlů a je směřováno dolů, aby na výstupu vytvořilo jasnější bod.
V prototypech se výzkumníkům podařilo zachytit více než 90 % světla dopadajícího na povrch a na výstupu vytvořit skvrny, které byly třikrát jasnější než přicházející světlo. Instalovány ve vrstvě na solárních článcích by mohly zefektivnit solární pole a zachytit nejen přímé sluneční světlo, ale také rozptýlené světlo, které bylo rozptýleno zemskou atmosférou, počasím a ročními obdobími.
Vrchní vrstva AGILE by mohla nahradit stávající zapouzdření, které chrání solární pole, odstranit nutnost sledovat slunce, vytvořit prostor pro chlazení a obvody, které by mohly probíhat mezi zužujícími se pyramidami jednotlivých zařízení, a především snížit plochu solárních článků potřebnou k výrobě energie – a tím snížit náklady. Využití není omezeno pouze na pozemní solární zařízení: pokud by se vrstva AGILE použila na solární pole vysílaná do vesmíru, mohla by soustředit světlo bez sledování slunečního záření a poskytnout potřebnou ochranu před zářením.
Představa dokonalé vrstvy AGILE
Základní premisa AGILE je podobná tomu, jako kdybyste za slunečného dne pomocí lupy vypalovali skvrny na listech. Čočka lupy soustředí sluneční paprsky do menšího, jasnějšího bodu. U lupy se však ohnisko pohybuje stejně jako slunce. Vaidya a Solgaard našli způsob, jak vytvořit čočku, která přijímá paprsky ze všech úhlů, ale vždy soustředí světlo do stejné výstupní polohy.
„Chtěli jsme vytvořit něco, co přijímá světlo a soustřeďuje ho ve stejné poloze, i když se směr zdroje mění,“ řekl Vaidya. „Nechceme, abychom museli neustále přesouvat detektor nebo solární článek nebo přemisťovat systém tak, aby byl obrácen ke zdroji.“
Vaidya a Solgaard zjistili, že teoreticky by bylo možné shromažďovat a soustřeďovat rozptýlené světlo pomocí upraveného materiálu, u něhož by se plynule zvyšoval index lomu – vlastnost, která popisuje, jak rychle se světlo šíří materiálem -, což by způsobilo, že by se světlo ohnulo a zakřivilo směrem k ohnisku. Na povrchu materiálu by se světlo téměř vůbec neohýbalo. Než dosáhlo druhé strany, bylo téměř svislé a zaostřené.
„Nejlepší řešení jsou často ty nejjednodušší nápady. Ideální AGILE má na samé přední straně stejný index lomu jako vzduch a postupně se zvyšuje – světlo se ohýbá v dokonale hladké křivce,“ řekl Solgaard. „Ale v praktické situaci takový ideální AGILE mít nebudete.“
Od teorie k realitě
Při výrobě prototypů vědci vrstvili různá skla a polymery, které ohýbají světlo v různé míře, čímž vytvořili tzv. materiál s odstupňovaným indexem. Vrstvy mění směr světla po krocích namísto plynulé křivky, což podle výzkumníků představuje dobrou aproximaci ideálního AGILE. Strany prototypů jsou zrcadlově obrácené, takže světlo jdoucí špatným směrem se odráží zpět k výstupu.
Jednou z největších výzev bylo najít a vytvořit správné materiály, říká Vaidya. Vrstvy materiálu v prototypu AGILE propouštějí široké spektrum světla, od téměř ultrafialového až po infračervené, a ohýbají toto světlo stále více směrem k výstupu s širokým rozsahem indexů lomu, což se v přírodě ani v současném optickém průmyslu nevyskytuje. Tyto použité materiály musely být také vzájemně kompatibilní – pokud by se jedno sklo v reakci na teplo rozpínalo jinou rychlostí než jiné, mohlo by celé zařízení prasknout – a dostatečně robustní, aby se daly opracovat do tvaru a zůstaly trvanlivé.
„Je to jedno z těch ‚měsíčních‘ inženýrských dobrodružství, které vede od teorie až k reálným prototypům,“ řekl Vaidya. „Existuje spousta teoretických prací a skvělých nápadů, ale je těžké je proměnit ve skutečnost pomocí skutečných návrhů a skutečných materiálů, které posouvají hranice toho, co bylo dříve považováno za nemožné.“
Po prozkoumání mnoha materiálů, vytvoření nových výrobních technik a testování několika prototypů výzkumníci přistáli na návrzích AGILE, které dobře fungovaly při použití komerčně dostupných polymerů a skel. AGILE byl vyroben také pomocí 3D tisku v předchozí práci autorů, kteří vytvořili lehké a designově flexibilní polymerové čočky s drsností povrchu v nanometrovém měřítku. Vaidya doufá, že návrhy AGILE budou moci být využity v solárním průmyslu a také v dalších oblastech. AGILE má několik potenciálních aplikací v oblastech, jako je laserová vazba, zobrazovací technologie a osvětlení – například polovodičové osvětlení, které je energeticky účinnější než starší způsoby osvětlení.
„Využití našeho úsilí a znalostí k vytvoření smysluplných technických systémů bylo mým hnacím motorem, i když některé pokusy nevyšly,“ řekl Vaidya. „Možnost využít tyto nové materiály, tyto nové výrobní techniky a tento nový koncept AGILE k vytvoření lepších solárních koncentrátorů byla velmi obohacující. Dostatek čisté energie za přijatelné ceny je důležitou součástí řešení naléhavých výzev v oblasti klimatu a udržitelnosti a my musíme katalyzovat technická řešení, aby se to stalo skutečností.“
Zdroje: https://www.nature.com/articles/s41378-022-00377-z
https://news.stanford.edu/2022/06/27/new-optical-device-help-solar-arrays-focus-light-even-clouds/