Le concentrateur optique pourrait aider les panneaux solaires à capter plus de lumière, même par temps nuageux, sans suivre le soleil

Le concentrateur optique pourrait aider les panneaux solaires à capter plus de lumière, même par temps nuageux, sans suivre le soleil

Nina Vaidya mesurant les performances expérimentales de concentrateurs optiques sous un simulateur solaire qui agit comme un soleil artificiel. 1 crédit

Des chercheurs ont imaginé, conçu et testé un dispositif à lentille élégant capable de recueillir efficacement la lumière sous tous les angles et de la concentrer à une position de sortie fixe. Ces optiques à gradient d’indice ont également des applications dans des domaines tels que la gestion de la lumière dans l’éclairage à semi-conducteurs, les coupleurs laser et la technologie d’affichage pour améliorer le couplage et la résolution.

Même avec les progrès impressionnants et continus des technologies solaires, la question demeure : comment pouvons-nous collecter efficacement l’énergie de la lumière solaire provenant d’angles variables du lever au coucher du soleil ?

Les panneaux solaires fonctionnent mieux lorsque la lumière du soleil les frappe directement. Pour capter autant d’énergie que possible, de nombreux panneaux solaires tournent activement vers le soleil lorsqu’il se déplace dans le ciel. Cela les rend plus efficaces, mais aussi plus coûteux et compliqués à construire et à entretenir qu’un système stationnaire.

Ces systèmes actifs pourraient ne plus être nécessaires à l’avenir. À l’Université de Stanford, la chercheuse en ingénierie Nina Vaidya a conçu un appareil élégant capable de recueillir et de concentrer efficacement la lumière qui tombe dessus, quels que soient l’angle et la fréquence de cette lumière. Un article décrivant les performances du système et la théorie sous-jacente est l’article de couverture du numéro de juillet de Microsystèmes & Nanoingénierierédigé par Vaidya et son directeur de thèse Olav Solgaard, professeur de génie électrique à Stanford.

“C’est un système complètement passif – il n’a pas besoin d’énergie pour suivre la source ou avoir des pièces mobiles”, a déclaré Vaidya, qui est maintenant professeur adjoint à l’Université de Southampton, au Royaume-Uni. “Sans mise au point optique qui déplace les positions ou besoin de systèmes de suivi, la concentration de la lumière devient beaucoup plus simple.”

L’appareil, que les chercheurs appellent AGILE – un acronyme pour Axially Graded Index Lens – est d’une simplicité trompeuse. Cela ressemble à une pyramide à l’envers avec la pointe coupée. La lumière pénètre dans le dessus carré pouvant être carrelé sous n’importe quel angle et est canalisée vers le bas pour créer un point plus lumineux à la sortie.

Dans leurs prototypes, les chercheurs ont pu capter plus de 90 % de la lumière qui frappe la surface et créer des taches à la sortie trois fois plus lumineuses que la lumière entrante. Installés dans une couche au-dessus des cellules solaires, ils pourraient rendre les panneaux solaires plus efficaces et capter non seulement la lumière directe du soleil, mais également la lumière diffuse qui a été diffusée par l’atmosphère, les conditions météorologiques et les saisons de la Terre.

Une couche supérieure d’AGILE pourrait remplacer l’encapsulation existante qui protège les panneaux solaires, supprimer le besoin de suivre le soleil, créer de l’espace pour le refroidissement et les circuits entre les pyramides rétrécies des appareils individuels et, plus important encore, réduire la quantité de cellules solaires. nécessaire pour produire de l’énergie et donc réduire les coûts. Et les utilisations ne se limitent pas aux installations solaires terrestres : si elle est appliquée à des panneaux solaires envoyés dans l’espace, une couche AGILE pourrait à la fois concentrer la lumière sans suivi solaire et fournir la protection nécessaire contre les radiations.

Le concentrateur optique pourrait aider les panneaux solaires à capter plus de lumière, même par temps nuageux, sans suivre le soleil

Concept AGILE (Axially Graded Index LEns) et vision du système de réseau de concentrateurs. un Représentation de l’action de concentration optique, b unité répétitive d’AGILE, c des réseaux de concentrateurs avec anti-reflet et encapsulation intégrés, pas besoin de suivre la source, et des cellules PV spatialement séparées qui présentent les avantages d’une utilisation réduite de matériaux PV, d’où un coût inférieur avec de l’espace pour le refroidissement et les circuits. Le crédit: Microsystèmes & Nanoingénierie (2022). DOI : 10.1038/s41378-022-00377-z

Imaginer le parfait AGILE

Le principe de base derrière AGILE est similaire à l’utilisation d’une loupe pour brûler des taches sur les feuilles par une journée ensoleillée. La lentille de la loupe concentre les rayons du soleil en un point plus petit et plus lumineux. Mais avec une loupe, le point focal se déplace comme le fait le soleil. Vaidya et Solgaard ont trouvé un moyen de créer une lentille qui capte les rayons sous tous les angles mais concentre toujours la lumière à la même position de sortie.

“Nous voulions créer quelque chose qui capte la lumière et la concentre à la même position, même lorsque la source change de direction”, a déclaré Vaidya. “Nous ne voulons pas avoir à déplacer notre détecteur ou notre cellule solaire ou à déplacer le système pour faire face à la source.”

Vaidya et Solgaard ont déterminé qu’en théorie, il serait possible de collecter et de concentrer la lumière diffusée à l’aide d’un matériau d’ingénierie qui augmente progressivement l’indice de réfraction – une propriété qui décrit la rapidité avec laquelle la lumière se déplace à travers un matériau – provoquant la courbure et la courbure de la lumière vers une focale indiquer. À la surface du matériau, la lumière se plierait à peine. Au moment où il atteindrait l’autre côté, il serait presque vertical et focalisé.

“Les meilleures solutions sont souvent les idées les plus simples. Un AGILE idéal a, tout à l’avant, le même indice de réfraction que l’air et il augmente progressivement – la lumière se courbe en une courbe parfaitement lisse”, a déclaré Solgaard. “Mais dans une situation pratique, vous n’allez pas avoir cet AGILE idéal.”

De la théorie à la réalité

Pour les prototypes, les chercheurs ont superposé différents verres et polymères qui plient la lumière à différents degrés, créant ce que l’on appelle un matériau à indice gradué. Les couches modifient la direction de la lumière par étapes au lieu d’une courbe lisse, ce que les chercheurs ont trouvé être une bonne approximation de l’AGILE idéal. Les côtés des prototypes sont en miroir, de sorte que toute lumière allant dans la mauvaise direction est renvoyée vers la sortie.

L’un des plus grands défis a été de trouver et de créer les bons matériaux, dit Vaidya. Les couches de matériau du prototype AGILE laissent passer un large spectre de lumière, du proche ultraviolet à l’infrarouge, et plient cette lumière de plus en plus vers la sortie avec une large gamme d’indices de réfraction, ce qui n’est pas vu dans la nature ou l’optique actuelle. industrie. Ces matériaux utilisés devaient également être compatibles les uns avec les autres – si un verre se dilatait en réponse à la chaleur à un rythme différent d’un autre, l’ensemble du dispositif pouvait se fissurer – et suffisamment robustes pour être usinés en forme et rester durables.

“C’est l’une de ces aventures d’ingénierie ‘moonshot’, allant de la théorie aux vrais prototypes”, a déclaré Vaidya. “Il existe de nombreux articles théoriques et de bonnes idées, mais il est difficile de les concrétiser avec de vrais designs et de vrais matériaux repoussant les limites de ce qui était considéré comme impossible auparavant.”

Après avoir exploré de nombreux matériaux, créé de nouvelles techniques de fabrication et testé plusieurs prototypes, les chercheurs sont tombés sur des conceptions AGILE qui ont bien fonctionné en utilisant des polymères et des verres disponibles dans le commerce. AGILE a également été fabriqué à l’aide de l’impression 3D dans les travaux antérieurs des auteurs qui ont créé des lentilles polymères légères et flexibles avec une rugosité de surface à l’échelle nanométrique. Vaidya espère que les conceptions AGILE pourront être utilisées dans l’industrie solaire et dans d’autres domaines également. AGILE a plusieurs applications potentielles dans des domaines tels que le couplage laser, les technologies d’affichage et l’éclairage, tels que l’éclairage à semi-conducteurs, qui est plus économe en énergie que les anciennes méthodes d’éclairage.

“Utiliser nos efforts et nos connaissances pour créer des systèmes d’ingénierie significatifs a été ma force motrice, même lorsque certains essais n’ont pas fonctionné”, a déclaré Vaidya. “Pouvoir utiliser ces nouveaux matériaux, ces nouvelles techniques de fabrication et ce nouveau concept AGILE pour créer de meilleurs concentrateurs solaires a été très gratifiant. Une énergie propre abondante et abordable est un élément essentiel pour relever les défis urgents en matière de climat et de durabilité, et nous besoin de catalyser des solutions d’ingénierie pour en faire une réalité.”


Un ingénieur découvre une puissance puissante dans une petite invention d’énergie solaire


Plus d’information:
Nina Vaidya et al, Optique à indice gradué par immersion : théorie, conception et prototypes, Microsystèmes & Nanoingénierie (2022). DOI : 10.1038/s41378-022-00377-z

Fourni par l’Université de Stanford

Citation: Un concentrateur optique pourrait aider les panneaux solaires à capter plus de lumière, même par temps nuageux, sans suivre le soleil (2022, 27 juin) récupéré le 27 juin 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-06-optical-solar- tableaux-capture-cloudy.html

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