Die Sonne fokussieren

Oct 21, 2023

Ed Brown

Professor Nina Vaidya hat eine neue Art von optischem Konzentrator entwickelt – die Axially Graded Index Lens (AGILE) –, die die Sonne passiv aus jedem Winkel auf eine Photovoltaikzelle fokussieren kann, um die Menge an Photovoltaikmaterial zu reduzieren, die für eine bestimmte Stromerzeugungsmenge benötigt wird.

Technische Informationen:Das Erste, was meine Aufmerksamkeit erregte, waren Erinnerungen an die Zeit, als ich als kleiner Junge mit meinem Vater im Park war und mit einer Lupe Blätter verbrannte – das hat großen Spaß gemacht.

Professorin Nina Vaidya: Die Autorin des Stanford-Nachrichtenartikels über unsere Arbeit, Laura Castañón, schlug diese Art der Kommunikation unseres Projekts vor. Als Wissenschaftler ist es unser Ziel, Ideen so zu artikulieren, dass sie die Öffentlichkeit erreichen können. Den ganzen Tag über unterhalten wir uns im Labor oder bei Treffen mit anderen Ingenieuren und Wissenschaftlern auf eine bestimmte Art und verwenden fachspezifische Fachsprache. Der Stanford-Nachrichtenartikel hat mir geholfen, unsere AGILE-Technologie (Axially Graded Index Lens) und ihre Auswirkungen zu erklären und gleichzeitig über unser aktuelles Manuskript zu berichten.

Technische Informationen:Was hat Sie zu diesem Projekt geführt?

Vaidya: Das ist eine gute Frage. Als ich anfing, wechselte ich für meine Doktorarbeit von einem Unternehmensberatungsjob in Europa nach Stanford, da ich unbedingt wieder in die wissenschaftliche Forschung zurückkehren wollte, insbesondere in den Bereichen saubere Energie und Nachhaltigkeit. In meinem ersten Quartal in Stanford erinnere ich mich deutlich an den Kurs „Micro and Nano Optical Device Design“ von Professor Olav Solgaard. Er bat uns, einen individuellen Bericht über eine neue Idee im Zusammenhang mit Optik, Photonik oder mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) zu erstellen.

Olav fragte einmal, ob es möglich sei, ein optisches Gerät zu entwerfen, das das gesamte Licht aus allen Winkeln auffangen und auf denselben Punkt fokussieren kann, ohne es in Richtung der Quelle zu bewegen – und er erwähnte die Gradientenindexoptik.

Das hat mich zum Nachdenken gebracht; Nach weiteren Diskussionen und Simulationen entwickelte ich einen Entwurf. Dieser individuelle Projektbericht wurde dann zu meinem Doktoratsprojekt mit Olav als meinem Doktorvater. Dann kamen zwei Patente, Prototypen und zwei spätere Veröffentlichungen.

Technische Informationen:War es nur eine theoretische Idee von ihm, diese Frage zu stellen?

Vaidya: Ja, wir sind von diesem unmöglichen theoretischen Traum ausgegangen und haben einen idealen optischen Konzentrator entwickelt, der die Quelle nicht verfolgen muss. Anschließend habe ich an der Machbarkeitsstudie unserer Idee und dem Vergleich mit Literaturrecherchen, Simulationen, der Theorie und der Designoptimierung gearbeitet. Es gab Leute, mit denen ich gesprochen habe und die mir sagten, dass es nicht möglich sei, aus dieser Idee ein echtes Gerät mit echten Materialien zu machen – aber ich dachte, es wäre möglich. Olav gab mir die Forschungsfreiheit und die Ermutigung, verschiedene optische Materialien und neue Herstellungstechniken zu erforschen und Geräte zu bauen, um diesen unbekannten Raum zu erkunden.

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Es erforderte Versuch und Irrtum und Gespräche mit vielen Theoretikern und Experimentatoren, Unternehmen, die optische Materialien und Linsen verkaufen, und verschiedenen Solarunternehmen. Ich habe sogar versucht, im Labor einige Materialien mit Polymeren, Nanopartikeln, Nanoporosität und dergleichen herzustellen, um dem theoretischen Gradientenindex zu entsprechen. Schließlich habe ich, wie ich in unserer Arbeit beschrieben habe, verschiedene Arten von Gläsern und Polymeren verwendet. Einige davon sind Sonderanfertigungen der Ohara Glass Corporation, andere sind UV-härtbare Polymere in optischer Qualität von Norland Products Inc. Die Hauptsache war, dass wir den Brechungsindex in einem Massenmaterial von niedrig nach hoch abstufen wollten. Der Bereich der benötigten Brechungsindexdifferenz ist jedoch sehr groß.

So etwas wie ein Glasfaserkabel hat eine Abstufung von etwa 1,45 bis 1,5, was für die Kommunikation gut funktioniert, für unsere Anwendung jedoch sehr wenig ist. Ich wollte vom Brechungsindex der Luft, der etwa 1,0 beträgt, bis zum Brechungsindex von Photovoltaikmaterial, etwa 3,5, vordringen – das ist riesig. Und nicht nur das, ich wollte in der Lage sein, das gesamte Breitbandspektrum des Sonnenlichts zu nutzen – AGILE mit Materialien zu schaffen, die diese große Bandbreite an Indizes haben, aber auch über das gesamte Sonnenspektrum hinweg hochtransparent sind, mit kompatiblen Wärmeausdehnungskoeffizienten und Robustheit Die verschiedenen Schichten können zusammen bleiben, um die abgestufte Indexform zu erzeugen.

Sonnenlicht reicht von etwa 250 Nanometer bis 1300 Nanometer – von Ultraviolett (kurze Wellenlängen) bis fast infrarot. Es gibt nur sehr wenige Materialien, die niedrige und hohe Brechungsindizes haben, aber gleichzeitig transparent sind und über dieses Sonnenspektrum geringe Verluste aufweisen. Es gibt ein ganzes Feld der angewandten Physik und Metamaterialien, das sich hervorragend für Theorie und Forschung eignet, aber viele der Ideen und Prototypen sind nur in einer bestimmten Schmalbandwellenlänge für bestimmte Anwendungen funktionsfähig.

Also habe ich nicht nur die Materialschichten von niedrigem bis hohem Index entwickelt, sondern auch neue Fertigungstechniken und Geräte, um die Prototypen herzustellen, zu verbinden, zu formen und zu testen. Wir haben unser Gerät AGILE (Axially Graded Index Lens) genannt.

Technische Informationen:Was hat es ermöglicht, diese Wellenlängen abzudecken?

Vaidya: Ich habe eine umfangreiche Materialsuche durchgeführt. Ich kaufte Gläser und Polymere von verschiedenen Unternehmen und testete sie, um ihre Lichtdurchlässigkeit und ihren Brechungsindex im gesamten Sonnenspektrum zu messen – im Grunde genommen charakterisierte ich verschiedene Materialien und passte sie dann an, um sie als Schichten in AGILE zu verwenden.

Da ich zum Beispiel wusste, dass meine erste Schicht einen sehr niedrigen Brechungsindex brauchte, aber auch robust gegenüber der Umgebung sein musste, durchsuchte ich jede Schicht nach diesen Kriterien. Ein weiteres Problem besteht darin, dass einige Materialien zerbrechlich sind oder sehr unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise können sie sehr unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Das konnte also nicht funktionieren, weil sie alle vollständig übereinander mit perfekten Schnittstellen verbunden sein müssen, ohne Luft in der Mitte oder Partikel/Staub. Und sie müssen gemeinsam bearbeitet werden und gemeinsam heizen/kühlen können.

Das waren also meine Einschränkungen – es war ein riesiger Prozess der Materialsuche und -charakterisierung.

Technische Informationen:Wie hast du die Schichten verbunden?

Vaidya: Durch eine grundsätzliche Bearbeitung, die dem Polieren von Glas ähnelt, jedoch auf einem viel höheren Niveau, mit Hilfe der Kristallwerkstatt in Stanford. Wir wollten, dass die Oberflächen nahezu nanometerglatt sind, damit wir sie durch anodisches Bonden miteinander verbinden können. Für das anodische Bonden habe ich im flexiblen Reinraum in Stanford Geräte gebaut, mit denen ich die Verbindung erhitzen und Strom durch sie leiten kann.

Mit den Polymeren war es einfacher, denn wenn man mit einer Flüssigkeit beginnt, kommt es zu einer gewissen Vermischung an den Grenzflächen – es wird eher der ideale Gradientenindex als der abgestufte Index erreicht, und die Leistung ist sogar noch besser. Aber natürlich ist Glas robuster, wenn es darum geht, der Umwelt standzuhalten. Ich habe AGILE sogar mithilfe von 3D-Druck und optischen Polymeren hergestellt, wie in einem früheren Artikel veröffentlicht. Dies öffnet die Tür zu ultraleichten, designflexiblen 3D-gedruckten Präzisionsoptiken in verschiedenen Formen, die auf individuelle Anwendungen abgestimmt sind und genauso effizient sind wie Geräte, die traditionell aus Metall oder Glas hergestellt werden.

Es gibt also Vor- und Nachteile sowie anwendungsspezifische Materialien und Designs. Seit der AGILE-Arbeit in Stanford habe ich auch viel Materialforschung für die Luft- und Raumfahrt betrieben und am Caltech Prototypen für Weltraum-Solarenergie gebaut.

Technische Informationen: Ich bin rätselhaft, ob es jetzt tatsächlich funktionieren kann. Wenn ich trockene Blätter mit meiner Lupe verbrannte, musste ich im Laufe des Tages immer den Winkel des Glases ändern. Ich kann mir also nicht vorstellen, wie Ihr Gerät den gleichen Brennpunkt halten kann, während die Sonne über den Himmel wandert.

Vaidya: Tolle Frage. Wenn Sie eine Lupe und dann die Sonne haben, wissen Sie, dass sich der Fleck auf dem Blatt oder Ihrer Hand wie die Sonne bewegt. Stellen Sie sich nun vor, Sie hätten anstelle dieser Linse ein Material mit einem abgestuften Brechungsindex, also sprechen wir jetzt von Metamaterial – einem Material, das auf eine Weise hergestellt wurde, die in der Natur nicht vorkommt. Es ist kein homogenes Material wie eine herkömmliche Glaslinse. Jetzt haben wir Medien, an die wir nicht wirklich gewöhnt sind – sie gehen über die Höhe des AGILE allmählich von einem niedrigen Index zu einem hohen Index über, von einer größeren Öffnung zu einer kleineren Öffnung, mit reflektierenden Seitenwänden. Und aufgrund dieses Gradientenindex verlangsamt sich das Licht und krümmt sich aufgrund der Brechung, anstatt sich in geraden Linien auszubreiten.

Das Licht dringt in unseren Trichter ein und beginnt sich dann in Richtung Normal zu drehen. Das Licht verläuft nicht mehr in geraden Linien, da es aufgrund des Gradientenindex gebrochen wird. Da sich der Indexgradient allmählich ändert – im theoretischen Fall ist das Licht perfekt gekrümmt – wird es von den Seitenwänden reflektiert, so dass es stets nach innen zurückgeworfen wird und nicht aus dem AGILE-Konzentrator entweicht. Auf diese Weise können wir Licht aus allen Winkeln ohne Sonnennachführung sammeln und sogar diffuses Licht von der Wolkendecke und der Atmosphäre sammeln.

Technische Informationen:Wenn sich also der Stand der Sonne ändert, wie kommt es dann, dass das Licht zum selben Punkt reflektiert wird, weil die Sonne aus verschiedenen Winkeln in Ihren Trichter eintritt?

Vaidya:Das erste Bild in unserem Artikel kann helfen, die Funktionsweise zu verdeutlichen.

Da es sich bei der Öffnung lediglich um Luft handelt, reicht der Gradientenindex von einem Index von eins am Eingang bis zu einem hohen Index an der PV-Zelle. Die beiden wichtigen Dinge sind, dass sich der Index allmählich ändert und dass die Wände reflektieren. Selbst wenn also das Licht in einem ziemlich spitzen Winkel einfällt, beispielsweise bei Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang, wird es einfallen, sich in Richtung der Normalen biegen und entweder direkt hineingehen, oder, wenn es sich in der Nähe des Randes der Öffnung befindet, wird es gebogen und reflektiert. und dann erneut biegen – das gesamte Licht wird auf die kleinere Ausgangsöffnung der Solarzelle fokussiert. So bleibt der Fokus auch bei sehr spitzen Winkeln an der gleichen Position.

Technische Informationen: Ich denke ich verstehe. Verstehe ich es also richtig, dass die äußere Oberfläche dieser Struktur ein Spiegel ist und dass sich das Glas darin befindet?

Vaidya:Ja, aber wenn wir es auf eine bestimmte Art und Weise entwerfen, können wir eine totale interne Reflexion an den Seitenwänden haben, sodass die metallische Reflexion nicht nötig wäre – aber das funktioniert nicht bei allen AGILE-Designs.

Technische Informationen:Wurde diese Art von Design anderswo verwendet?

Vaidya: Nein, tatsächlich haben wir ein Patent auf AGILE. Wir haben uns den gesamten Stand der Technik genau angesehen.

Ich habe auch die verallgemeinerte Designgleichung von AGILE ausgearbeitet, um zu erfahren, wie verschiedene AGILE-Konzentratoren hergestellt werden können. So können beispielsweise die Höhe oder der Konzentrationsfaktor – also die Geometrie – und der Brechungsindexbereich je nach Anwendung geändert und abgestimmt werden. Und ich habe mehrere theoretische Analysen und Simulationen durchgeführt, um die Zahlen einbauen zu können – eine Art verallgemeinerter mathematischer Entwurfsleitfaden für Anwendungen, die AGILE verwenden.

Eine andere Anwendung als die Solarenergie ist die Festkörperbeleuchtung, zum Beispiel LEDs. Sie könnten einen AGILE auf einer LED platzieren, um das Gegenteil des Solarkonzentrators zu erreichen. Anstatt Licht zu sammeln, wollen wir Licht effizient aus der LED in den Raum abgeben. Das würde funktionieren, weil das optische System reversibel ist. Es handelt sich um ein passives optisches Gerät – es verbraucht keine Energie und verfügt über bewegliche Teile, was es zu einer einfachen und robusten Lösung macht.

Technische Informationen:Was sind einige der Anwendungen und potenziellen Auswirkungen Ihrer AGILE-Technologie?

Vaidya:Die Technologie hat mehrere Anwendungen: Laserkopplung, Solarflugzeuge, energiesparende Festkörperbeleuchtung, zum Beispiel LEDs und Displays, könnten alle die Fähigkeit von AGILE nutzen, Licht passiv zu fokussieren.

In der heutigen Energie- und Klimakrise wird das Potenzial von AGILE, Solaranlagen effektiver und kostengünstiger zu machen, der wirkungsvollste Einsatz sein. Dieses neue AGILE-Konzept zur Entwicklung besserer Solarkonzentrator-Prototypen nutzen zu können, war ein bedeutungsvolles technisches Abenteuer. Wir müssen technische Lösungen vorantreiben, um saubere Energie und eine nachhaltige Zukunft Wirklichkeit werden zu lassen.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Septemberausgabe 2022 des Tech Briefs Magazine.

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