Zesilování Slunce

Marc Baldo ve své potemnělé laboratoři na MIT svítí ultrafialovou lampou na 10centimetrový čtverec skla. Povrchy skla pokryl barvivy, která pod světlem slabě svítí oranžově. Přesto se nepotažené okraje skla lesknou jasněji – čtyři úhledné tenké proužky luminiscenční oranžové.

Marc Baldo pózuje s kolekcí skleněných tabulí potažených organickými barvivy vyzařujícími světlo. Barviva absorbují světlo a vrací je do skla, které ho vede k okrajům tabulí. Baldo používá zařízení ke koncentraci slunečního světla, čímž je solární energie levnější.

Tabule skla je nový druh solárního koncentrátoru, zařízení, které shromažďuje rozptýlené světlo a zaměřuje ho na relativně malý solární článek. Solární články, vícevrstvá elektronická zařízení vyrobená z vysoce rafinovaného křemíku, jsou drahé na výrobu, a čím jsou větší, tím více stojí. Solární koncentrátory mohou snížit celkové náklady na solární energii tím, že umožňují používat mnohem menší články. Ale koncentrátory jsou obvykle vyrobeny ze zakřivených zrcadel nebo čoček, které jsou objemné a vyžadují nákladné mechanické systémy, které jim pomáhají sledovat slunce.

Tento příběh byl součástí našeho vydání ze září 2008

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Na rozdíl od zrcadel a čoček v konvenčních solárních koncentrátorech fungují skleněné tabule Baldo jako vlnovody, které usměrňují světlo stejným způsobem, jakým optické kabely přenášejí optické signály na velké vzdálenosti. Barviva pokrývající povrchy skla absorbují sluneční světlo; různá barviva mohou být použita k absorpci různých vlnových délek světla. Poté barviva vydávají světlo zpět do skla, které jej vede k okrajům. Pásky solárních článků připevněné k okrajům absorbují světlo a generují elektřinu. Čím větší je povrch skla ve srovnání s tloušťkou okrajů, tím více je světlo koncentrováno a do určité míry tím nižší jsou náklady na energii.

Baldo, docent elektrotechniky, publikoval své poznatky nedávno v Věda . Na jejich základě navrhuje, že jeho solární koncentrátory by mohly být dostatečně velké na to, aby elektřina, kterou pomáhají vyrábět, konkurovala elektřině z fosilních paliv. Opravdu, říká Baldo, panely vybavené koncentrátory by mohly být nejlevnější solární technologií.

Multimédia

• Podívejte se, jak solární koncentrátor funguje.

Tajná složka
Proces výroby Baldových solárních koncentrátorů začíná v chodbě v jiné laboratoři. Postdoktorandský výzkumník Shalom Goffri vezme ze skříně několik lahviček naplněných barevnými prášky na barviva a odměří prášky do malých lahviček. Některá barviva byla vyvinuta pro použití v autolacích; jiné byly použity v organických diodách vyzařujících světlo. Oba typy barviv vydrží na slunci roky, což je kvalita nezbytná pro solární koncentrátory. Jakmile Goffri odměří prášky, přidá do každého rozpouštědlo, aby vytvořil tekutý inkoust.

Další kroky probíhají uvnitř zapečetěné krabice, aby Goffri nevdechoval rozpouštědla použitá k výrobě barviva. Sáhne do krabice pomocí silných černých rukavic namontovaných na její skleněné přední straně a opatrně míchá různé inkousty. Určení správné kombinace inkoustů vyřešilo zásadní problém, na který výzkumníci u tohoto typu solárního koncentrátoru narazili. Pokud je skleněná tabule potažena barvivem, které absorbuje sluneční světlo v, řekněme, zelené až modré oblasti slunečního spektra a vyzařuje světlo stejné vlnové délky, bude emitované světlo rychle reabsorbováno barvivem a jen málo z něj někdy dosáhne okraje skla. Problém omezil velikost těchto solárních koncentrátorů, protože čím dále musí světlo cestovat k okrajům, tím méně světla se dostane.

Použitím určitých kombinací barviv rozptýlených s jinými molekulami absorbujícími světlo vyrábí Baldo povlaky, které absorbují jednu barvu, ale vyzařují jinou. Vyzařované světlo není rychle zpětně absorbováno povlaky, takže se ho více dostane k okrajům skleněné tabule.

Povlaky, které Goffri vyrábí, absorbují ultrafialové záření prostřednictvím zeleného světla a vyzařují oranžové světlo. Jakmile Goffri připraví finální směs, nalije malé množství na 10 centimetrů široký skleněný čtverec – největší, který se vejde do zařízení, které otáčí sklem rychlostí 2 000 otáček za minutu, aby se inkoust rovnoměrně rozprostřel. Během minuty nebo dvou se rozpouštědlo odpaří a proces je ukončen. Solární koncentrátor s povlakem oranžové barvy je kompletní.

prototyp
Pro výrobu elektřiny Goffri spojuje solární koncentrátor se solárními články. Vyrábí to, čemu se říká tandemový solární modul, typ solárního panelu, který využívá dva různé druhy článků k zachycení většího množství energie ve slunečním světle, než by dokázal jediný druh. Různé vlnové délky slunečního světla mají různá množství energie; ultrafialové světlo má nejvíce a infračervené nejméně. Solární články jsou optimalizovány pro konkrétní barvy. Jeden určený k přeměně infračerveného světla například na elektřinu přemění většinu energie v modrém světle na odpadní teplo. Stejně tak červené světlo projde solárním článkem optimalizovaným pro vysokoenergetické modré světlo, aniž by bylo absorbováno. V ideálním případě by se solární články pro různé vlnové délky používaly v kombinaci k zachycení největšího množství slunečního světla, ale tento přístup je často příliš drahý na to, aby byl praktický.

Koncentrátory Baldo nabízejí levný způsob, jak kombinovat solární články optimalizované pro různé vlnové délky světla: různé barevné povlaky lze spárovat s různými typy solárních článků ve stejném zařízení. Při výrobě prototypu Goffri vezme typ solárního článku, který se dobře hodí pro vysokoenergetické barvy, a přilepí jej na vnitřní stranu plastového rámu; potom zasune koncentrátor do rámu tak, aby jeho okraje byly zarovnány s buňkami. Koncentrátor zachycuje ultrafialové, modré a zelené světlo a vydává oranžové světlo, které buňky přeměňují na elektřinu. Světlo s nižší energií, z červeného a infračerveného konce spektra, prochází solárním koncentrátorem do další vrstvy. V prototypu je další vrstvou konvenční křemíkový solární článek plné velikosti, který není spárován se solárním koncentrátorem.

Prototyp, říká Baldo, dokáže přeměnit téměř dvakrát více energie ze slunečního záření na elektřinu než konvenční článek, za předpokladu, že koncentrátor má plochu zhruba 30 centimetrů čtverečních. To znamená 30procentní snížení nákladů na solární elektřinu.

V budoucnu mohou být úspory nákladů mnohem vyšší, domnívá se Baldo. Nepoužívá koncentrátor pro infračervené světlo, protože zatím neexistují žádná dobrá barviva pro zachycení těchto vlnových délek. Je si ale jistý, že taková barviva lze vyvinout. Když k tomu dojde, bude moci přidat druhý koncentrátor za malé dodatečné náklady a nahradit plnohodnotný křemíkový solární článek menšími, levnějšími články připojenými k okrajům koncentrátorů. Pokud náklady na fotovoltaiku v příštích několika letech podle očekávání poklesnou, mohlo by toto nastavení učinit solární energii zhruba tak levnou jako elektřinu z uhlí, říká.

V laboratoři je třeba vykonat více práce, jako je zlepšení rozsahu barev, které mohou koncentrátory absorbovat, což umožní přizpůsobit je konkrétním výřezům spektra. Ale Baldo říká, že je čas začít přesouvat technologii z laboratoře na trh. Se svými kolegy založil společnost Covalent Solar, která začíná shánět peníze. Společnost se sídlem v Cambridge, MA, plánuje mít své první produkty – pravděpodobně tandemové solární moduly – dostupné do tří let.

Kevin Bullis je Recenze technologie energetický redaktor.

skrýt