Постепенно солнечные батареи становятся важнейшим источником возобновляемой энергии, однако их потенциал еще не исчерпан. Инженеры Стэнфорда разработали линзу пирамидообразной формы, которая может фокусировать солнечный свет под любым углом, позволяя фотоэлектрическому элементу аккумулировать энергию от восхода до заката.

Новая пассивная технология может собирать солнечный свет, падающий на нее под любым углом, и изгибать его в сторону солнечного элемента, расположенного непосредственно под ним. Depositphotos

Как известно, большинство солнечных фотоэлементов лучше всего работают под прямыми лучами солнца, а потому способны вырабатывать энергию всего несколько часов в день. Другие увеличивают время своей работы, активно перемещаясь в соответствии с движением Солнца по небосводу, но такие технологии потребляют определенное количество энергии и усложняют механическую часть конструкции.

В новом исследовании команда из Стэнфорда поставила перед собой задачу разработать пассивную технологию, способную собирать солнечный свет, падающий на панель под любым углом, и концентрировать его в направлении солнечного элемента, расположенного под ним. В итоге был разработан массив перевернутых пирамидообразных структур, (получивших название Axially Graded Index Lenses - AGILE), образующих слой, защищающий верхнюю поверхность солнечного элемента.

AGILE - это массив линз в форме перевернутой пирамиды, который концентрирует солнечный свет на поверхности фотоэлектрической батареи. Nina Vaidya

В ходе испытаний прототипы AGILE смогли уловить более 90 процентов света, попадающего на его поверхность, и сфокусировать его таким образом, чтобы он в три раза увеличил свою яркость к тому моменту, когда достигнет элементов солнечной батареи. Команда говорит, что такая технология может повысить эффективность солнечных фотоэлементов, позволяя им собирать рассеянные и отраженные солнечные лучи, а также увеличить их мощность в неблагоприятных погодных условиях.

На первый взгляд AGILE выглядит достаточно просто, однако инженерные решения, лежащие в ее основе, достаточно многогранны. Каждая маленькая пирамида состоит из множества разнообразных стеклянных и полимерных материалов с различными коэффициентами преломления (по сути, каждый слой в разной степени изгибает входящий свет). Верхний слой имеет низкий показатель преломления, что позволяет свету проникать под любым углом, но при этом "каждая ступень вниз" изгибает его еще больше, пока он не сфокусируется на солнечном элементе, нижнего уровня. Боковые стороны конструкции покрыты зеркальной пленкой, которая отражает свет под необходимым углом и направляет его в нужное место.

Художественная репродукция массива AGILE. Nina Vaidya

Благодаря использованию многочисленных компонентов устройство способно улавливать широкий спектр света, от ближнего ультрафиолетового до инфракрасного. Команде также пришлось долго работать над совместимостью материалов (в частности все элементы конструкции при нагревании должны были расширяться с одинаковой скоростью, чтобы избежать разрушения устройства). Однако, даже используя различные материалы, команда продемонстрировала, что технология AGILE может быть успешно напечатана на 3D принтере.

По мнению разработчиков, новая технология позволит значительно увеличить количество мест, пригодных для использования солнечной энергии, сократив как стоимость, так и площадь необходимых территорий. С помощью технологии AGILE можно также модернизировать солнечные элементы для космических аппаратов.

Материалы работы были опубликованы в научном сборнике Microsystems & Nanoengineering

Источники: Стэнфордский университет, журнал Microsystems & Nanoengineering.
(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/)