斯坦福大學(xué)研究人員推出新型3D打印太陽(yáng)能電池板，能源利用更高效

導(dǎo)讀：即使太陽(yáng)能電池技術(shù)已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步，但該領(lǐng)域仍存在一定挑戰(zhàn)：我們?nèi)绾斡行У貜娜粘龅饺章洳煌�角度的�?yáng)光中收集能量？當(dāng)陽(yáng)光直接照射太陽(yáng)能電池板時(shí)，它們的效果最好。為了盡可能多地捕獲能量，許多太陽(yáng)能電池陣列在太陽(yáng)穿過天空時(shí)主動(dòng)向太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)。這使得它們比固定系統(tǒng)更高效，但構(gòu)建和維護(hù)也更昂貴和復(fù)雜。

2022年8月6日，南極熊獲悉，加利福尼亞州斯坦福大學(xué)的科學(xué)家們最近開發(fā)了一種用于太陽(yáng)能電池板的新型3D 打印光學(xué)聚光器。這種稱為軸向漸變折射率透鏡 (AGILE) 的金字塔形透鏡裝置由工程研究員 Nina Vaidya 設(shè)計(jì)，能夠增加太陽(yáng)能電池板收集的電力容量，同時(shí)降低其生產(chǎn)成本并使工藝更實(shí)用。

△漸變折射率玻璃金字塔制造的不同階段：當(dāng)與太陽(yáng)能電池進(jìn)行光學(xué)接觸時(shí)，最后一步（右下角）的金字塔吸收并集中大部分入射光并呈現(xiàn)暗色。圖片來源：Nina Vaidya

隨著如今越來越多的人重視地球的生態(tài)問題，對(duì)生態(tài)友好能源的需求比以往任何時(shí)候都要高，那些有興趣改用這種替代品的人已經(jīng)有了各種不同的選擇。例如，太陽(yáng)能可能是最知名的生態(tài)友好型新能源之一，現(xiàn)在已經(jīng)存在了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。盡管它是一個(gè)很好的選擇這一點(diǎn)毋庸置疑，但其技術(shù)仍有很大的改進(jìn)和創(chuàng)新空間。最近，一項(xiàng)可能徹底改變太陽(yáng)能收集方式的新發(fā)明被發(fā)表在《微系統(tǒng)與納米工程》雜志的7月刊上。

在這篇由斯坦福大學(xué)校友和研究員Nina Vaidya及其博士生導(dǎo)師Olav Solgaard教授撰寫的論文中，科學(xué)家們介紹了一種全新的3D打印設(shè)備，它能夠比之前任何其他太陽(yáng)能電池板收集更多的能量。

△這些電池板的形狀像倒置的金字塔。圖片來源：斯坦福大學(xué)

AGILE設(shè)備的工作方式

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池板只有在正確的情況下才能發(fā)揮最大的作用。如你所知，陽(yáng)光是這項(xiàng)技術(shù)的能源來源，必須設(shè)置在光線能夠直接照射到面板平面的準(zhǔn)確方向。由于光線的方向在白天會(huì)發(fā)生變化，許多太陽(yáng)能電池板會(huì)主動(dòng)向太陽(yáng)方向旋轉(zhuǎn)，以便盡可能多地捕捉光線。然而，憑借新推出的設(shè)備，這種冗長(zhǎng)而周密的程序可能很快就會(huì)成為多余的。由于其特殊的結(jié)構(gòu)，這種創(chuàng)新的面板結(jié)構(gòu)能夠捕捉和集中來自任何角度的陽(yáng)光，其形狀像一個(gè)無尖的倒金字塔。這種材料是玻璃和聚合物的組合，使透鏡能夠?qū)�來自不同角度的太�?yáng)能集中在一個(gè)地方，類似于你用放大鏡點(diǎn)燃干草。

△AGILE 設(shè)備的陣列圖。圖片來源：Nina Vaidya

Nina Vaidya解釋說："我們想創(chuàng)造一種裝置，可以吸收光線并將其集中在同一位置，即使是在光源改變方向的情況下。我們不希望必須不斷移動(dòng)我們的探測(cè)器或太陽(yáng)能電池，或移動(dòng)系統(tǒng)以面對(duì)光源。這是一個(gè)完全被動(dòng)的系統(tǒng)--它不需要能量來追蹤光源，也沒有任何移動(dòng)的部件。沒有移動(dòng)位置的光學(xué)焦點(diǎn)或?qū)Ω�蹤系統(tǒng)的需求，聚光變得更加簡(jiǎn)單。"

△工作中的Nina Vaidya

在他們的開發(fā)的設(shè)備原型中，研究人員能夠捕捉到超過 90% 的撞擊表面的光，并在輸出端產(chǎn)生比入射光亮三倍的光點(diǎn)。安裝在太陽(yáng)能電池頂部的一層中，它們可以提高太陽(yáng)能電池板的效率，不僅可以捕捉直射陽(yáng)光，還可以捕捉被地球大氣、天氣和季節(jié)散射的漫射光。AGILE 的頂層可以取代現(xiàn)有的保護(hù)太陽(yáng)能電池陣列的封裝，消除跟蹤太陽(yáng)的需要，為冷卻和電路創(chuàng)造空間以在各個(gè)設(shè)備的狹窄金字塔之間運(yùn)行，最重要的是，減少太陽(yáng)能量產(chǎn)生能量所需的電池面積，從而降低成本。并且用途不限于地面太陽(yáng)能裝置：如果應(yīng)用于被送入太空的太陽(yáng)能陣列，AGILE 層既可以在沒有太陽(yáng)跟蹤的情況下集中光線，又可以提供必要的輻射保護(hù)。

關(guān)于用于創(chuàng)建這種新型面板的確切3D打印技術(shù)，人們所知不多。然而，制造面板的方式是將不同的玻璃和聚合物分層在一起，使光線發(fā)生不同程度的彎曲，最終將光線準(zhǔn)確地聚焦在一個(gè)地方。經(jīng)過漫長(zhǎng)的試錯(cuò)階段以及許多不同原型的生產(chǎn)，Nina Vaidya現(xiàn)在確信她的設(shè)計(jì)將很快成功用于太陽(yáng)能行業(yè)和其他領(lǐng)域。她總結(jié)說："能夠使用這些新材料、這些新的制造技術(shù)和這個(gè)新的AGILE概念來創(chuàng)造更好的太陽(yáng)能聚光器，是非常有益的。豐富的、可負(fù)擔(dān)得起的清潔能源是應(yīng)對(duì)緊迫的氣候和可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)的重要組成部分，我們需要催化工程解決方案，使之成為現(xiàn)實(shí)"。

感興趣的熊友可以在斯坦福大學(xué)的網(wǎng)站上了解更多信息（https://news.stanford.edu/2022/06/27/new-optical-device-help-solar-arrays-focus-light-even-clouds/）。