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能量输出增加2倍,这款3D打印透镜有多神奇

来源:Ringier 发布时间:2022-08-04 552
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光伏系统吸收阳光的能力取决于它们的位置,许多系统都安装了太阳追踪器。

光伏系统吸收阳光的能力取决于它们的位置,许多系统都安装了太阳追踪器。在单轴设置中,这些系统沿单一方向来回旋转,而在使用双轴追踪器时,人们倾向于使用一面镜子将阳光重定向到固定的接收器上,作为一种增加曝光的方法。


这两种系统都与太阳同步运动,产生的能量比固定的太阳能电池板要多,但制造成本也更高。为了更有效地捕获阳光,斯坦福大学的工程师Nina Vaidya使用3D打印技术制造了一种轴向渐变折射率透镜(AGILE),成功将散射光集中在一个焦点上。


这种透镜的形状像一个无顶的倒金字塔,可以捕捉90%以上的光线,并以一种使其亮度提高两倍的方式将光线汇集起来。与现有的太阳能电池板相比,AGILE可以从任何角度被动捕捉光线,这使得电池板更小、更便宜、更高效。它的工作原理就像一个放大镜,将太阳光聚焦到一个更小、更亮的点上,但它不是随着太阳移动,而是将来自各个角度的光线引导到同一个输出点。Vaidya说,用这个透镜取代封装现有太阳能组件的硅,就有可能使太阳能电池板产生更多的能量。


Vaidya解释说:“我们想要创造一种能吸收光线并将其集中在同一位置的东西,即使光源改变了方向。这是一个完全被动的系统——它不需要能量来跟踪源,也不需要任何移动部件。没有移动位置的光学焦点,也不需要跟踪系统,聚光变得简单得多。”


“最好的解决方案往往是最简单的想法,”Vaidya的博士导师Olav Solgaard解释道,“一开始,AGILE具有与空气一样的折射率,然后它逐渐变高——形成一个平滑的曲线,尽管,在实际情况下,你找不到这么理想的AGILE。”


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玻璃金字塔制作的不同阶段:当与太阳能电池进行光学接触时,金字塔在最后一步(右下角)吸收并集中了大部分入射光,呈黑色


敏捷太阳能捕获

为了生产AGILE的原型,Vaidya和她的同事们结合使用了SLA和蜡3D打印技术。然而,该团队后来研究出了一种方法,可以将玻璃和聚合物沉积到渐变折射率材料中,这种材料能够逐步改变光束的方向。


利用这种材料,研究人员成功地制造出了理想的AGILE原型,任何朝向错误方向的光都会被反射回输出方向。在测试过程中,该原型还展示了引导光线的能力,使其亮度提高了两倍。


根据Vaidya的说法,制造这种透镜的主要挑战是找到合适的材料。该团队用于制造原型的塑料和玻璃必须彼此兼容,因为如果其中一种在受热时膨胀的速度与另一种不同,整个透镜就会失效。该团队最终发现了一种配方,可以创造出具有纳米级特征的透镜,提供太阳能电池板存储和背光显示供电的能力。


Vaidya总结道:“能够使用这些新材料、新技术和新概念来创造更好的太阳能聚光器是非常值得的。丰富且经济的清洁能源是应对紧迫的气候和可持续性挑战的重要组成部分,我们需要成熟的工程解决方案。”


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AGILE阵列效果图


推进太阳能储能

目前,大量的研究都集中在具有增强太阳能储存能力的3D打印材料上。今年早些时候,橡树岭国家实验室(ORNL)宣布,其研究团队正在研究金属卤化物钙钛矿用于3D打印高性能太阳能电池的潜力。


初创公司T3DP此前也曾尝试使用其专利技术3D打印钙钛矿基太阳能电池板。该公司以苍蝇眼睛的精确复制品为模型,镀铜的六边形支架据说能够产生2倍于传统太阳能电池板的能量。


在其他地方,该技术也被用于创造除清洁能源生产外的其他应用的太阳能设备。例如,中国和新加坡的研究人员在过去已经有了3D打印太阳能水净化设备,其标准非常高,已经达到了世界卫生组织的标准。

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