Stiprinant saulę

Savo tamsioje laboratorijoje MIT Marcas Baldo šviečia ultravioletine lempa ant 10 centimetrų stiklo kvadrato. Stiklo paviršius jis padengė dažais, kurie šviesoje švyti švelniai oranžine spalva. Tačiau nepadengti stiklo kraštai šviečia ryškiau – keturios tvarkingos, plonos liuminescencinės oranžinės juostelės.

Marcas Baldo pozuoja su stiklo lakštų kolekcija, padengta šviesą skleidžiančiais organiniais dažais. Dažai sugeria šviesą ir grąžina ją į stiklą, kuris nukreipia ją į lakštų kraštus. Baldo prietaisus naudoja saulės šviesai koncentruoti, todėl saulės energija pigėja.

Stiklo lakštas yra naujos rūšies saulės koncentratorius, prietaisas, kuris surenka išsklaidytą šviesą ir sufokusuoja ją į santykinai mažą saulės elementą. Saulės elementus, daugiasluoksnius elektroninius prietaisus, pagamintus iš labai rafinuoto silicio, brangu gaminti, ir kuo jie didesni, tuo brangiau. Saulės koncentratoriai gali sumažinti bendrą saulės energijos kainą, nes suteikia galimybę naudoti daug mažesnius elementus. Tačiau koncentratoriai paprastai yra pagaminti iš lenktų veidrodžių arba lęšių, kurie yra dideli ir reikalauja brangių mechaninių sistemų, padedančių sekti saulę.

Ši istorija buvo mūsų 2008 m. rugsėjo mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Skirtingai nuo įprastų saulės koncentratorių veidrodžių ir lęšių, Baldo stiklo lakštai veikia kaip bangolaidžiai, nukreipiantys šviesą taip pat, kaip šviesolaidiniai kabeliai perduoda optinius signalus dideliais atstumais. Stiklo paviršius dengiantys dažai sugeria saulės šviesą; skirtingi dažai gali būti naudojami skirtingo ilgio šviesai sugerti. Tada dažai vėl skleidžia šviesą į stiklą, kuris nukreipia ją į kraštus. Prie kraštų pritvirtintos saulės elementų juostelės sugeria šviesą ir generuoja elektros energiją. Kuo didesnis stiklo paviršius, lyginant su kraštų storiu, tuo labiau koncentruojama šviesa ir tuo mažesnės energijos sąnaudos.

Baldo, elektros inžinerijos docentas, neseniai paskelbė savo išvadas Mokslas . Remdamasis jais, jis prognozuoja, kad jo saulės koncentratoriai galėtų būti pakankamai dideli, kad jų padedama elektra konkuruotų su elektra iš iškastinio kuro. Iš tiesų, anot Baldo, plokštės su koncentratoriais galėtų būti pigiausia saulės energijos technologija.

Multimedija

• Pažiūrėkite, kaip veikia saulės koncentratorius.

Slaptas ingredientas
Baldo saulės koncentratorių gamybos procesas prasideda kitoje laboratorijoje. Podoktorantas Shalom Goffri iš spintelės paima kelis butelius, užpildytus spalvingais dažų milteliais, ir išmatuoja miltelius į mažus buteliukus. Kai kurie dažai buvo sukurti naudoti automobilių dažams; kiti buvo naudojami organiniuose šviesos dioduose. Abiejų tipų dažai gali išsilaikyti ilgus metus saulėje, o tai būtina saulės energijos koncentratoriams. Išmatavus miltelius, Goffri į kiekvieną įpila tirpiklio, kad susidarytų skystas rašalas.

Kiti veiksmai atliekami sandarioje dėžutėje, kad Goffri neįkvėptų tirpiklių, naudojamų dažams gaminti. Jis pasiekia dėžę, naudodamas storas juodas pirštines, įtaisytas jos stikliniame priekyje, ir atsargiai sumaišo skirtingus rašalus. Nustačius tinkamą rašalo derinį, buvo išspręsta pagrindinė problema, su kuria tyrėjai susidūrė su tokio tipo saulės koncentratoriumi. Jei stiklo lakštas yra padengtas dažais, kurie sugeria saulės šviesą, tarkime, saulės spektro nuo žalios iki mėlynos spalvos diapazone ir skleidžia to paties bangos ilgio šviesą, skleidžiama šviesa bus greitai sugerta dažų, o mažai jos kada nors pasieks stiklo kraštą. Problema apribojo šių saulės koncentratorių dydį, nes kuo toliau šviesa turi keliauti į kraštus, tuo mažiau šviesos.

Naudodamas tam tikrus dažų derinius su kitomis šviesą sugeriančiomis molekulėmis, Baldo gamina dangas, kurios sugeria vieną spalvą, bet skleidžia kitą. Skleidžiamą šviesą dangos greitai nesugeria, todėl daugiau jos pasiekia stiklo lakšto kraštus.

Goffri gaminamos dangos sugeria ultravioletinius spindulius per žalią šviesą ir skleidžia oranžinę šviesą. Kai Goffri paruošia galutinį mišinį, jis užpila nedidelį kiekį ant 10 centimetrų pločio stiklo kvadrato – didžiausio, kuris telpa įrenginyje, kuris sukasi stiklą 2000 apsisukimų per minutę greičiu, kad rašalas tolygiai paskirstytų. Per minutę ar dvi tirpiklis išgaruoja ir procesas baigtas. Saulės koncentratorius, padengtas oranžiniais dažais, yra baigtas.

Prototipas
Norėdami gaminti elektros energiją, Goffri sujungia saulės koncentratorių prie saulės elementų. Jis kuria vadinamąjį tandeminį saulės modulį, saulės skydelio tipą, kuris naudoja dviejų skirtingų tipų elementus, kad gautų daugiau saulės šviesos energijos, nei galėtų viena rūšis. Skirtingo bangos ilgio saulės spinduliai turi skirtingą energijos kiekį; ultravioletinių spindulių turi daugiausia, o infraraudonųjų – mažiausiai. Saulės elementai yra optimizuoti tam tikroms spalvoms. Pavyzdžiui, infraraudonąją šviesą paversti elektra skirta didžiąją dalį mėlynos šviesos energijos pavers panaudota šiluma. Taip pat raudona šviesa praeis pro saulės elementą, optimizuotą didelės energijos mėlynai šviesai, nesugerdama. Idealiu atveju skirtingų bangų ilgių saulės elementai būtų naudojami kartu, kad būtų surinkta daugiausia saulės šviesos, tačiau šis metodas dažnai yra per brangus, kad būtų praktiškas.

Baldo koncentratoriai siūlo nebrangų būdą sujungti saulės elementus, optimizuotus skirtingiems šviesos bangų ilgiams: skirtingų spalvų dangas galima suporuoti su skirtingų tipų saulės elementais tame pačiame įrenginyje. Norėdami sukurti prototipą, Goffri paima saulės elementų tipą, puikiai tinkantį didelės energijos spalvoms, ir priklijuoja juos prie plastikinio rėmo vidinės pusės; tada jis įstumia koncentratorių į rėmą taip, kad jo kraštai sutaptų su ląstelėmis. Koncentratorius fiksuoja ultravioletinę, mėlyną ir žalią šviesą ir skleidžia oranžinę šviesą, kurią ląstelės paverčia elektra. Mažesnės energijos šviesa iš raudonojo ir infraraudonojo spektro galo pereina per saulės koncentratorių į kitą sluoksnį. Prototipe kitas sluoksnis yra viso dydžio, įprastas silicio saulės elementas, kuris nėra suporuotas su saulės koncentratoriumi.

Baldo teigimu, prototipas gali paversti beveik dvigubai daugiau saulės šviesos energijos į elektrą nei įprastas elementas, jei koncentratorius yra maždaug 30 kvadratinių centimetrų. Tai reiškia, kad saulės energijos kaina sumažėja 30 procentų.

Baldo įsitikinimu, ateityje kaštų sutaupymas gali būti daug didesnis. Jis nenaudoja infraraudonųjų spindulių koncentratoriaus, nes kol kas nėra tinkamų dažų tiems bangos ilgiams užfiksuoti. Tačiau jis įsitikinęs, kad tokius dažus galima sukurti. Kai tai atsitiks, jis už nedidelę papildomą kainą galės pridėti antrą koncentratorių ir pakeisti viso dydžio silicio saulės elementą mažesniais, pigesniais elementais, pritvirtintais prie koncentratorių kraštų. Jei per ateinančius kelerius metus fotovoltinės energijos kaina sumažės, kaip tikėtasi, saulės energija gali būti tokia pat pigi, kaip elektra iš anglies, sako jis.

Laboratorijoje reikia nuveikti daugiau, pvz., pagerinti spalvų, kurias gali sugerti koncentratoriai, diapazoną, todėl juos bus galima pritaikyti konkrečioms spektro dalims. Tačiau Baldo sako, kad laikas pradėti perkelti technologiją iš laboratorijos į rinką. Jis su kolegomis įkūrė įmonę „Covalent Solar“, kuri pradeda rinkti pinigus. Bendrovė, įsikūrusi Kembridže, MA, planuoja, kad pirmieji produktai – tikriausiai tandeminiai saulės moduliai – bus prieinami per trejus metus.

Kevinas Bullisas yra Technologijų apžvalga energijos redaktorius.

paslėpti