Forscher an der Stanford University haben mit AGILE (Axially Graded Index Lens) ein Gerät entwickelt, das kleinere, billigere und effizientere Solarmodule ermöglicht. Das passive Gerät funktioniert wie ein Vergrößerungsglas und fokussiert Sonnenstrahlen auf einen kleineren, helleren Punkt. Mit AGILE soll die Herstellung besserer Solarkonzentratoren realisierbar sein.

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Logo Stanford UniversityForscher der Stanford University haben mit 3D-Druck das AGILE-Gerät (Agile= Axially Graded Index Lens) entwickelt, um die Energieerfassungsfähigkeiten von Solaranlagen zu steigern und die Notwendigkeit mechanisierter Nachführsysteme zu beseitigen. Das Gerät hat die Form einer spitzenlosen umgekehrten Pyramide und fängt über 90 % des Lichts ein, dem es ausgesetzt ist und bündelt es so, dass seine Helligkeit verdreifacht wird. Solaranlagen folgen der Sonne über dem Himmel. AGILE fängt Licht passiv aus jedem Winkel ein, wodurch Solarmodule kleiner, billiger und effizienter werden. Ihre Arbeit haben die Forscher in einem Artikel mit dem Titel „3D printed optics with nanometer scale surface roughness“ veröffentlicht.

Die Entwicklerin des Geräts, Nina Vaidya, sagte:

„Wir wollten etwas schaffen, das Licht aufnimmt und es auf die gleiche Position konzentriert, selbst wenn die Quelle die Richtung ändert. Es ist ein vollständig passives System – es benötigt keine Energie, um die Quelle zu verfolgen, oder hat bewegliche Teile. Ohne optische Fokussierung, die Positionen verschiebt, oder Tracking-Systeme, wird das Konzentrieren von Licht viel einfacher.“

Günstigere und effizientere Alternative

Die Sonneneinstrahlung vieler Photovoltaikanlagen hängt davon ab, dass sie direkt der Sonne zugewandt sind, weshalb sie auch mit Solartrackern ausgestattet sind. Die Systeme drehen sich in einer einachsigen Anordnung in einer einzigen Richtung hin und her. Zweiachsige Tracker verwenden einen Spiegel, um Sonnenlicht auf einen stationären Empfänger umzulenken, damit das Sonnenlicht auf einen stationären Empfänger gelenkt und die Belichtung des Lichtpanels maximiert wird.

Aktive Systeme bewegen sich parallel zur Sonne und erzeugen mehr Energie als stationäre Alternativen, sind jedoch teuer und kompliziert zu bauen. Das Gerät der Forscher aus Stanford besteht aus einem Material, das Streulicht passiv auf einen Brennpunkt konzentriert. Es funktioniert wie ein Vergrößerungsglas und fokussiert Sonnenstrahlen auf einen kleineren, helleren Punkt. Statt sich mit der Sonne zu bewegen, lenkt es Strahlen aus allen Winkeln zum gleichen Ausgang. Silizium, das sonst zum Einkapseln vorhandener Solarmodule verwendet wird, durch eine Schicht dieser Geräte zu ersetzen, ermöglicht es den Forschern, mehr Energie aus billigeren, kompakten Solarmodulen zu erzeugen.

Vaidyas Doktorvater Olav Solgaard erklärt:

„Die besten Lösungen sind oft die einfachsten Ideen. Ein ideales AGILE hat ganz vorne den gleichen Brechungsindex wie die Luft und wird allmählich höher – das Licht biegt sich in einer perfekt glatten Kurve.“

Verschiedene Stadien der Glaspyramidenherstellung
Heute verwendet das Team eine Methode, bei der die Abscheidung von Glas und Polymer in einem Material möglich ist (im Bild: verschiedene Stadien der Glaspyramidenherstellung)(Bild © Nina Vaidya).

Das richtige Material

Die ersten Prototypen von AGILE-Polymerlinsen entstanden im Jahr 2018 mit einer Kombination aus SLA- und Wachs-3D-Druck. Heute verwendet das Team eine Methode, bei der die Abscheidung von Glas und Polymer in einem Material möglich ist, mit Schichten, die die Richtung eines Lichtstrahls schrittweise statt in einer glatten Kurve ändert. So können Forscher gespiegelte Geräte schaffen, die jedes Licht, das in die falsche Richtung geht, zu ihrem Ausgang zurückwerfen. In Tests konnten Prototypen Licht so kanalisieren, dass es seine Helligkeit verdreifacht. Die Geräte können schließlich an gewöhnlichen Solarmodulen angebracht werden, um Licht einzufangen, das von der Erdatmosphäre, dem Wetter und den Jahreszeiten gestreut wird.

einzelnes AGILE und Rendering mehrere AGILE-Geräte
AGILE soll die Energieerfassungsfähigkeiten von Solaranlagen verbessern (im Bild: einzelnes AGILE und Rendering mehrere AGILE-Geräte)(Bild © Nina Vaidya).

Für Vaidya ist die größte Herausforderung die Frage nach dem richtigen Material bei der Herstellung solcher Geräte. Die Materialien, wie in diesem Fall der Kunststoff und das Glas, müssen miteinander kompatibel sein, da das gesamte Gerät brechen könnte, wenn sich eines als Reaktion auf Wärme unterschiedlich schnell ausdehnt. Die Forscher entdeckten eine Formel, die die Herstellung von Linsen mit Merkmalen im Nanometerbereich möglich macht und ihnen das Potenzial für die Speicherung von Solarmodulen und die Stromversorgung von hintergrundbeleuchteten Displays verleiht.

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