211service.com
Een goedkopere zonneconcentrator
Nicolas Morgan houdt een vierkant stuk helder, gegoten acryl van ongeveer een centimeter dik omhoog en schijnt met een penlight direct op het platte oppervlak. Een groene straal komt het acryl binnen en buigt naar het midden van het plein. Morgan herhaalt het proces op verschillende punten op het oppervlak en elke keer schiet de straal naar het midden.
Leidend licht : Morgan Solar's uiterst nauwkeurige optiek - deels acryl en deels glas - is zo gevormd dat het licht wordt opgesloten en naar het midden weerkaatst. Een secundaire glasoptiek concentreert het licht tot 1000 zonnen en stuurt het naar een kleine, zeer efficiënte zonnecel. Het onopvallende ontwerp belooft de productie- en transportkosten te verlagen.
De acrylcomponent, een Light-Guide Solar Optic (LSO) genoemd, is een nieuw type zonneconcentrator die de kosten voor het opwekken van elektriciteit uit de zon aanzienlijk zou kunnen verlagen. In tegenstelling tot bestaande ontwerpen zijn er geen spiegels, complexe optica of chemicaliën nodig om het licht op te vangen en te manipuleren. Het is pure geometrische optica, zegt Morgan, directeur bedrijfsontwikkeling bij Morgan Solar uit Toronto.
Zonneconcentratoren zijn de afgelopen jaren opgekomen als een manier om de hoeveelheid zonlicht die op zonnecellen valt, het duurste onderdeel van zonnepanelen, te intensiveren. Om zonne-energie betaalbaarder te maken, hebben ingenieurs geprobeerd minder zonnecelmateriaal te gebruiken door zonlicht te concentreren op veel kleinere ruimtes.
Maar deze aanpak heeft zijn eigen uitdagingen. De meeste concentrators zijn meestal complexe systemen die speciale lenzen, gebogen spiegels en andere optische componenten gebruiken met een brandpuntsafstand die niet nul is. Dit betekent dat er voldoende afstand – een luchtspleet – tussen de zonnecel en de optiek moet zijn om het licht goed te focussen. Als gevolg hiervan worden op concentrator gebaseerde systemen meestal verpakt in omvangrijke behuizingen, met voldoende diepte om de brandpuntsafstand aan te passen en alle componenten tijdens verzending te beschermen. Dit betekent hogere materiaal- en montagekosten en duurdere verzending.
Een paar jaar geleden kwam de broer van Nicolas, John Paul Morgan, op het idee van een solid-state zonneconcentratorsysteem: een platte, dunne acryloptiek die licht vangt en naar het midden leidt. In het midden van de concentrator van Morgan Solar is een secundaire, ronde optiek van glas ingebouwd. Met een platte bodem en een bolle, gespiegelde bovenkant, ontvangt de optiek het binnenkomende spervuur van licht met een concentratie van ongeveer 50 zonnen en versterkt het tot bijna 1.000 zonnen voordat het licht in een hoek van 90 graden wordt gebogen.
In tegenstelling tot andere concentrators verlaat het licht de optiek niet voordat het een zonnecel raakt. In plaats daarvan wordt een zeer efficiënte cel ter grootte van de miniatuur van een baby rechtstreeks aan de middelste onderkant van de glazen optiek gehecht, waar deze het naar beneden gebogen licht absorbeert. Er is geen luchtspleet en er is geen kans dat fragiele componenten uit de lijn raken.
Het draait allemaal om het kritisch controleren van de hoeken zodra het licht de eerste optiek binnenkomt, legt Nicolas Morgan uit. Het ontwerp maakt gebruik van een fenomeen dat totale interne reflectie wordt genoemd - de hoek waaronder een lichtstraal in een optisch materiaal terugkaatst in het materiaal in plaats van te ontsnappen.
De truc is om het acryl zo te vormen dat het het licht in een bepaalde richting buigt wanneer het de eerste optiek binnenkomt. Het moet ervoor zorgen dat het licht die hoek behoudt om te voorkomen dat het ontsnapt en het naar de glasoptiek in het midden leidt. Precisie is cruciaal - niet alleen bij het ontwerp van de optica, maar ook bij het maken van de mallen om ze in massa te produceren.
Het bedrijf verwacht dat de eerste commerciële versies van het systeem zullen bestaan uit acrylwafels van ongeveer 20 vierkante centimeter met een secundaire glasoptiek die ongeveer twee keer zo groot is als een nikkel.
Ray LaPierre, een professor in de technische fysica aan de McMaster University, in Ontario, Canada, en een expert in hoogrenderende zonnecellen, zag het LSO-prototype van Morgan Solar in december voor het eerst op een Canadese zonneconferentie en liep onder de indruk weg. Hun ontwerp is zeker nieuw, is fysiek gezond, kan goedkoop worden vervaardigd en heeft een goede kans om een revolutie teweeg te brengen in de concentrator [technologie], zegt LaPierre.
Maar net als andere PV-concentrators, vereist de technologie van Morgan Solar nog steeds een volgsysteem om het naar de zon gericht te houden. Onderzoekers van het MIT hebben de behoefte aan trackers geëlimineerd door speciale kleurstofcoatings te ontwikkelen die diffuus licht kunnen absorberen, maar de technologie van Morgan Solar staat dichter bij de markt. Nicolas Morgan voegt eraan toe dat trackers tegenwoordig nauwkeurig en betrouwbaar zijn en marginale kosten met zich meebrengen voor 44 procent meer vermogen. Sommige zakelijke en technische beslissingen moeten nog worden genomen, maar hij verwacht dat het bedrijf zijn systeem tegen 2011 voor minder dan $ 1 per watt zal kunnen bouwen - en met enige verticale integratie, aanzienlijk minder. Dit zou leiden tot een product dat bijna 30 procent efficiënt is tegen kosten die concurrerend zijn met dunne film.
Ik denk dat het concept moet worden nagestreefd, zegt technisch professor Roland Winston, een expert in niet-beeldvormende optica aan de Universiteit van Californië, Merced. Hij zet echter vraagtekens bij het gebruik van acryl als concentratormateriaal: acryl is niet bewezen voor langdurig gebruik, vooral niet onder geconcentreerd zonlicht.
John Paul Morgan zegt dat dit de belangrijkste reden is waarom het bedrijf zowel acryl als glas in zijn systeem gebruikt. Het bedrijf heeft opzettelijk de concentraties in het acrylgedeelte beperkt tot 50 zonnen en laat de kleinere glasoptiek het zware werk doen. We willen dat dit systeem 25 jaar meegaat, dus we proberen het materiaal echt te onderstrepen, zegt hij. Zodra we hebben bewezen dat we het acryl verder kunnen duwen, gaan we de glasoptiek krimpen.
Voor 2009 zijn een aantal pilotprojecten gepland om de concentrator in de praktijk te testen. Het bedrijf verwacht dat de commerciële productie ergens in 2010 zal beginnen.