Intensivering van de zon

In zijn verduisterde lab aan het MIT schijnt Marc Baldo een ultraviolette lamp op een vierkant glas van 10 centimeter. Hij heeft de oppervlakken van het glas bedekt met kleurstoffen die onder het licht zwak oranje gloeien. Toch schijnen de niet-gecoate randen van het glas helderder: vier nette, dunne stroken lichtgevend oranje.

Marc Baldo poseert met een verzameling glasplaten bedekt met lichtgevende organische kleurstoffen. De kleurstoffen absorberen licht en geven het weer terug in het glas, dat het naar de randen van de platen kanaliseert. Baldo gebruikt de apparaten om zonlicht te concentreren, waardoor zonne-energie goedkoper wordt.

De glasplaat is een nieuw soort zonneconcentrator, een apparaat dat diffuus licht opvangt en focust op een relatief kleine zonnecel. Zonnecellen, meerlagige elektronische apparaten gemaakt van zeer verfijnd silicium, zijn duur om te produceren, en hoe groter ze zijn, hoe meer ze kosten. Zonneconcentratoren kunnen de totale kosten van zonne-energie verlagen door het mogelijk te maken om veel kleinere cellen te gebruiken. Maar de concentrators zijn meestal gemaakt van gebogen spiegels of lenzen, die omvangrijk zijn en dure mechanische systemen vereisen die hen helpen de zon te volgen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van september 2008

• Zie de rest van het probleem
• Abonneren

In tegenstelling tot de spiegels en lenzen in conventionele zonneconcentrators, fungeren Baldo's glasplaten als golfgeleiders, die licht op dezelfde manier kanaliseren als glasvezelkabels optische signalen over lange afstanden verzenden. De kleurstoffen die de oppervlakken van het glas bedekken, absorberen zonlicht; verschillende kleurstoffen kunnen worden gebruikt om verschillende golflengten van licht te absorberen. Vervolgens sturen de kleurstoffen het licht weer het glas in, dat het naar de randen kanaliseert. Aan de randen bevestigde zonnecelstrips absorberen het licht en wekken elektriciteit op. Hoe groter het oppervlak van het glas in vergelijking met de dikte van de randen, hoe meer het licht wordt geconcentreerd en, tot op zekere hoogte, hoe lager de stroomkosten.

Baldo, universitair hoofddocent elektrotechniek, publiceerde zijn bevindingen onlangs in: Wetenschap . Op basis daarvan voorspelt hij dat zijn zonneconcentratoren groot genoeg kunnen worden gemaakt om de elektriciteit die ze helpen opwekken te laten concurreren met elektriciteit uit fossiele brandstoffen. Inderdaad, zegt Baldo, panelen die zijn uitgerust met de concentrators zouden de goedkoopste zonnetechnologie kunnen zijn.

Multimedia

• Bekijk hoe de zonneconcentrator werkt.

Geheim ingrediënt
Het proces voor het maken van Baldo's zonneconcentratoren begint in de hal in een ander laboratorium. Een postdoctoraal onderzoeker, Shalom Goffri, haalt verschillende flesjes gevuld met kleurrijke kleurstofpoeders uit een kast en meet de poeders in kleine flesjes. Sommige kleurstoffen zijn ontwikkeld voor gebruik in autolakken; andere zijn gebruikt in organische lichtemitterende diodes. Beide soorten kleurstoffen gaan jarenlang mee in de zon, een kwaliteit die essentieel is voor zonneconcentratoren. Nadat hij de poeders heeft afgemeten, voegt Goffri aan elk een oplosmiddel toe om een ​​vloeibare inkt te maken.

De volgende stappen vinden plaats in een afgesloten doos, zodat Goffri de oplosmiddelen die zijn gebruikt om de kleurstof te maken niet inademt. Hij reikt in de doos, met behulp van dikke zwarte handschoenen die in de glazen voorkant zijn gemonteerd, en mengt zorgvuldig verschillende inkten. Het bepalen van de juiste combinatie van inkten loste een fundamenteel probleem op dat onderzoekers zijn tegengekomen met dit type zonneconcentrator. Als de glasplaat is bedekt met een kleurstof die zonlicht absorbeert in, laten we zeggen, het groen-naar-blauwe bereik van het zonnespectrum en licht van dezelfde golflengte uitstraalt, zal het uitgestraalde licht snel opnieuw worden geabsorbeerd door de kleurstof, en weinig ervan ooit de rand van het glas zal bereiken. Het probleem heeft de grootte van deze zonneconcentratoren beperkt, aangezien hoe verder het licht naar de randen moet reizen, hoe minder licht het zal halen.

Door bepaalde combinaties van kleurstoffen te gebruiken, afgewisseld met andere lichtabsorberende moleculen, maakt Baldo coatings die de ene kleur absorberen maar een andere uitstralen. Het uitgestraalde licht wordt niet snel weer geabsorbeerd door de coatings, waardoor er meer van de randen van de glasplaat bereikt.

De coatings die Goffri maakt, absorberen ultraviolet door groen licht en stralen oranje licht uit. Zodra Goffri het uiteindelijke mengsel heeft bereid, giet hij een kleine hoeveelheid op een 10 centimeter breed glazen vierkant - de grootste die in een apparaat past dat het glas met 2000 omwentelingen per minuut ronddraait om de inkt gelijkmatig te verspreiden. Binnen een minuut of twee is het oplosmiddel verdampt en is het proces voltooid. De zonneconcentrator, met zijn coating van oranje kleurstof, is compleet.

het prototype
Om elektriciteit op te wekken sluit Goffri de zonneconcentrator aan op zonnecellen. Hij maakt een zogenaamde tandem-zonnemodule, een type zonnepaneel dat twee verschillende soorten cellen gebruikt om meer van de energie in zonlicht op te vangen dan een enkele soort zou kunnen. Verschillende golflengten van zonlicht hebben verschillende hoeveelheden energie; ultraviolet licht heeft het meeste en infrarood het minste. Zonnecellen zijn geoptimaliseerd voor bepaalde kleuren. Een die is ontworpen om bijvoorbeeld infrarood licht om te zetten in elektriciteit, zal de meeste energie in blauw licht omzetten in afvalwarmte. Evenzo zal rood licht door een zonnecel gaan die is geoptimaliseerd voor hoogenergetisch blauw licht zonder te worden geabsorbeerd. Idealiter zouden zonnecellen voor verschillende golflengten in combinatie worden gebruikt om het meeste zonlicht op te vangen, maar deze benadering is vaak te duur om praktisch te zijn.

De concentrators van Baldo bieden een goedkope manier om zonnecellen te combineren die zijn geoptimaliseerd voor verschillende golflengten van licht: verschillende gekleurde coatings kunnen worden gecombineerd met verschillende soorten zonnecellen in hetzelfde apparaat. Om een ​​prototype te maken neemt Goffri een type zonnecel dat goed past bij energierijke kleuren en plakt deze aan de binnenkant van een kunststof frame; dan schuift hij de concentrator in het frame zodat de randen op één lijn liggen met de cellen. De concentrator vangt ultraviolet, blauw en groen licht op en straalt oranje licht uit dat de cellen omzetten in elektriciteit. Het licht met lagere energie, van het rode en infrarode uiteinde van het spectrum, gaat door de zonneconcentrator naar de volgende laag. In het prototype is de volgende laag een conventionele siliciumzonnecel op ware grootte die niet is gekoppeld aan een zonneconcentrator.

Het prototype, zegt Baldo, kan bijna twee keer zoveel energie uit zonlicht omzetten in elektriciteit als een conventionele cel, op voorwaarde dat de concentrator ongeveer 30 vierkante centimeter groot is. Dit vertaalt zich in een daling van 30 procent van de kosten van zonne-elektriciteit.

In de toekomst kunnen de kostenbesparingen nog veel hoger zijn, meent Baldo. Hij gebruikt geen concentrator voor het infraroodlicht, omdat er tot nu toe geen goede kleurstoffen bestaan ​​om die golflengten op te vangen. Maar hij is ervan overtuigd dat dergelijke kleurstoffen kunnen worden ontwikkeld. Als dat gebeurt, kan hij tegen weinig extra kosten een tweede concentrator toevoegen en de siliciumzonnecel op ware grootte vervangen door kleinere, goedkopere cellen die aan de randen van de concentrators zijn bevestigd. Als de kosten van fotovoltaïsche energie de komende jaren dalen, zoals verwacht, zou deze opstelling zonne-energie ongeveer net zo goedkoop kunnen maken als elektriciteit uit steenkool, zegt hij.

Er is meer werk aan de winkel in het laboratorium, zoals het verbeteren van het kleurengamma dat de concentrators kunnen absorberen, waardoor het mogelijk wordt om ze af te stemmen op specifieke delen van het spectrum. Maar Baldo zegt dat het tijd is om de technologie uit het lab en naar de markt te verplaatsen. Hij en zijn collega's hebben een bedrijf opgericht genaamd Covalent Solar, dat geld begint op te halen. Het bedrijf, gevestigd in Cambridge, MA, is van plan om zijn eerste producten – waarschijnlijk tandem-zonnemodules – binnen drie jaar beschikbaar te hebben.

Kevin Bullis is Technologie beoordeling ’s energie-editor.

zich verstoppen