Harry Cohen Tanugi

Cette minuscule pyramide de verre pourrait rendre les panneaux solaires plus économiques que jamais

Selon un communiqué de presse de l'université, des chercheurs de l'université de Stanford ont mis au point un nouveau concentrateur optique capable de canaliser même la lumière diffuse vers une position fixe, augmentant ainsi la capacité de production d'énergie des panneaux solaires.

Cellules photovoltaïques fonctionnent mieux lorsque la lumière du soleil les frappe directement. Pour tirer le meilleur parti de la lumière solaire disponible pendant la journée, les scientifiques se sont appuyés sur le suivi solaire pour déplacer les panneaux en synchronisation avec le soleil dans sa course dans le ciel. Cependant, l'installation de ces systèmes augmente le coût du déploiement des panneaux solaires, ce qui constitue un obstacle important à leur adoption à grande échelle.

Une solution possible à ce problème serait d'installer une loupe au-dessus des panneaux qui pourrait concentrer la lumière du soleil en un seul point. Mais le Soleil se déplaçant, le point concentré se déplacerait également d'un panneau à l'autre, ce qui compliquerait encore la conception du panneau solaire.

La solution de Stanford au problème

La chercheuse Nina Vaidya, de l'université de Stanford, a conçu un élégant dispositif capable de concentrer la lumière qui tombe sur lui sous n'importe quel angle et à n'importe quelle fréquence, puis de la diriger vers un point unique du panneau.

Le dispositif s'appelle Axially Graded Index Lens (AGILE) mais n'a rien de plus spectaculaire qu'une pyramide de verre en position inversée. "C'est un système complètement passif - il n'a pas besoin d'énergie pour suivre la source ou n'a pas de pièces mobiles", a déclaré Vaidya dans le communiqué de presse. "Sans foyer optique qui déplace les positions ou la nécessité de systèmes de suivi, la concentration de la lumière devient beaucoup plus simple."

En collaboration avec son directeur de thèse, Olav Solgaard, Vaidya a imaginé qu'un matériau technique dont l'indice de réfraction augmente progressivement pourrait courber la lumière entrante et la diriger vers un point unique. Le site indice de réfraction est une mesure de la vitesse à laquelle la lumière traverse un matériau. Dans le dispositif imaginé par Vaidya, la lumière se courbe à peine à la surface, mais au fur et à mesure qu'elle traverse le matériau, le dispositif se courbe jusqu'à devenir presque vertical.

Convertir la théorie en réalité

Les chercheurs ont expérimenté de nombreux matériaux, dont le verre et les polymères, pour fabriquer leur dispositif à indice de réfraction gradué. Les prototypes étaient également dotés de miroirs sur leurs côtés afin que toute lumière qui s'échappait soit renvoyée. L'utilisation d'un mélange de matériaux présentait également l'inconvénient de se dilater différemment sous l'effet de la chaleur, ce qui entraînait des fissures dans le dispositif.

Le communiqué de presse précise que les travaux antérieurs de Vaidya en matière d'impression 3D se sont avérés utiles lorsqu'elle a fabriqué des lentilles polymères présentant une rugosité à l'échelle nanométrique. Grâce à de nouvelles techniques de fabrication, les chercheurs ont pu imprimer AGILE en 3D en utilisant des polymères et des verres disponibles dans le commerce.

Dans les prototypes construits et testés, les chercheurs ont capturé 90 % de la lumière qui frappait la surface d'AGILE et ont créé des spots trois fois plus brillants que la lumière incidente. La lentille fonctionne également avec un large spectre de lumière allant de l'ultraviolet à l'infrarouge, ainsi qu'avec la lumière diffusée en raison des changements de temps ou des conditions atmosphériques.

Une couche d'AGILE installée sur le dessus des panneaux solaires pourrait non seulement contribuer à l'élimination des couches protectrices actuellement utilisées, mais aussi créer de l'espace pour le refroidissement et les circuits entre les pyramides inversées, ajoute le communiqué de presse. La surface nécessaire à la production d'énergie étant réduite, les panneaux solaires pourraient devenir plus petits, ce qui réduirait les coûts de production.

Les panneaux solaires viennent de devenir encore plus intéressants.

Les résultats de la recherche ont été publiés dans le journal Microsystèmes et nano-ingénierie.

Résumé

L'optique d'immersion permet de créer des systèmes avec une concentration et un couplage optiques améliorés en profitant du fait que la luminance de la lumière est proportionnelle au carré de l'indice de réfraction dans un système optique sans perte. Les concentrateurs optiques à gradient d'indice d'immersion, qui n'ont pas besoin de suivre la source, sont décrits en termes de théorie, de simulations et d'expériences. Nous présentons une équation de guide de conception généralisée qui suit la fonction de Pareto et peut être utilisée pour créer diverses optiques à gradient d'immersion en fonction des exigences de l'application en matière de concentration, d'indice de réfraction, de hauteur et d'efficacité. Nous présentons des techniques de fabrication de verre et de polymère pour créer des matériaux à gradient d'indice transparents à large bande avec de grandes plages d'indice de réfraction (rapport d'indice de réfraction).2 de ~2, allant bien au-delà de ce qui est observé dans la nature ou dans l'industrie optique. Les prototypes démontrent une concentration optique de 3x avec une efficacité de plus de 90%. Grâce à des prototypes fonctionnels, nous constatons que les concentrateurs à lentilles à gradient d'indice ont des performances proches de la limite maximale théorique et nous présentons des techniques de fabrication simples, peu coûteuses, flexibles et évolutives pour leur mise en œuvre.



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