211service.com
En billigare solenergikoncentrator
Nicolas Morgan håller upp en fyrkantig bit klar, gjuten akryl som är cirka en centimeter tjock och lyser en pennljus direkt på dess plana yta. En grön stråle kommer in i akrylen och böjer sig mot mitten av torget. Morgan upprepar processen vid olika punkter på ytan, och varje gång pilar strålen mot mitten.
Vägledande ljus : Morgan Solars högprecisionsoptik – delvis akryl och delvis glas – är gjuten så att ljus fångas och studsar mot dess mitt. En sekundär glasoptik koncentrerar ljuset till 1 000 solar och leder det till en liten, högeffektiv solcell. Den lågprofilerade designen lovar att minska kostnaderna för tillverkning och transport.
Akrylkomponenten – kallad Light-Guide Solar Optic (LSO) – är en ny typ av solenergikoncentrator som avsevärt kan sänka kostnaden för att generera el från solen. Till skillnad från befintliga konstruktioner finns det inget behov av speglar, komplex optik eller kemikalier för att fånga och manipulera ljuset. Det är ren geometrisk optik, säger Morgan, chef för affärsutveckling på Toronto-baserade Morgan Solar.
Solkoncentratorer har dykt upp de senaste åren som ett sätt att intensifiera mängden solljus som träffar solceller, som är den dyraste delen av solpaneler. För att göra solenergi mer överkomligt har ingenjörer försökt använda mindre solcellsmaterial genom att koncentrera solljus till mycket mindre utrymmen.
Men detta tillvägagångssätt har sina egna utmaningar. De flesta koncentratorer tenderar att vara komplexa system som använder speciella linser, böjda speglar och andra optiska komponenter med en brännvidd som inte är noll. Det betyder att det måste finnas tillräckligt med avstånd – ett luftgap – mellan solcellen och optiken för att korrekt fokusera ljuset. Som ett resultat är koncentratorbaserade system vanligtvis förpackade i skrymmande kapslingar, med tillräckligt djup för att rymma brännvidden och skydda alla komponenter under frakt. Det innebär högre material- och monteringskostnader och dyrare frakt.
För ett par år sedan kom Nicolas bror John Paul Morgan på idén om ett solenergikoncentratorsystem i fast tillstånd: en platt, tunn akryloptik som fångar ljus och styr det mot dess centrum. Inbäddad i mitten av Morgan Solars koncentrator finns en sekundär, rund optik gjord av glas. Med en platt botten och konvex, spegelvänd topp, tar optiken emot den inkommande strålen av ljus i en koncentration av cirka 50 solar och förstärker den till nästan 1 000 solar innan den böjer ljuset genom en 90-graders vinkel.
Till skillnad från andra koncentratorer lämnar inte ljuset optiken innan det träffar en solcell. Istället binds en högeffektiv cell ungefär lika stor som ett spädbarns tumnagel direkt till mittbotten av glasoptiken, där den absorberar det nedåtböjda ljuset. Det finns inget luftgap och det finns ingen chans att ömtåliga komponenter slås ur linje.
Det handlar om att kritiskt kontrollera vinklarna när ljuset kommer in i den första optiken, förklarar Nicolas Morgan. Designen drar fördel av ett fenomen som kallas total intern reflektion - vinkeln vid vilken en ljusstråle inuti ett optiskt material kommer att reflekteras tillbaka in i materialet istället för att fly.
Tricket är att forma akrylen så att den böjer ljuset i en viss riktning när det kommer in i den första optiken. Den måste försäkra sig om att ljuset bibehåller den vinkeln för att förhindra att det försvinner och styra det till glasoptiken i mitten. Precision är avgörande - inte bara i designen av optiken, utan också för att skapa formarna för att massproducera dem.
Företaget förväntar sig att dess första kommersiella versioner av systemet kommer att bestå av akrylskivor cirka åtta kvadrattum stora som innehåller en sekundär glasoptik som är ungefär dubbelt så stor som ett nickel.
Ray LaPierre, professor i teknisk fysik vid McMaster University i Ontario, Kanada, och expert på högeffektiva solceller, såg först Morgan Solars LSO-prototyp i december på en kanadensisk solkonferens och gick därifrån imponerad. Deras design är verkligen ny, är fysiskt sund, kan tillverkas billigt och har en god chans att revolutionera koncentratortekniken, säger LaPierre.
Men precis som andra PV-koncentratorer kräver Morgan Solars teknologi fortfarande ett spårningssystem för att hålla den vänd mot solen. Forskare vid MIT har eliminerat behovet av spårare genom att utveckla speciella färgbeläggningar som kan absorbera diffust ljus, men Morgan Solars teknologi är närmare marknaden. Nicolas Morgan tillägger att trackers idag är exakta, pålitliga och lägger till marginalkostnad för 44 procent mer kraft. Vissa affärs- och tekniska beslut måste fortfarande fattas, men han förväntar sig att företaget kommer att kunna bygga sitt system för mindre än $1 per watt till 2011 – och med viss vertikal integration, betydligt mindre. Detta skulle leda till en produkt nära 30 procent effektiv till kostnader som är konkurrenskraftiga med tunnfilm.
Jag tycker att konceptet bör eftersträvas, säger ingenjörsprofessor Roland Winston, expert på icke-avbildande optik vid University of California, Merced. Han ifrågasätter dock användningen av akryl som koncentratormaterial: Akryl har inte bevisats för långtidsanvändning, särskilt under koncentrerat solljus.
John Paul Morgan säger att det är den främsta anledningen till att företaget använder både akryl och glas i sitt system. Företaget har avsiktligt begränsat koncentrationerna i akryldelen till 50 solar och har den mindre glasoptiken som gör det tunga lyftet. Vi vill att det här systemet ska hålla i 25 år, så vi försöker verkligen understryka materialet, säger han. När vi har bevisat att vi kan driva akrylen ytterligare, kommer vi att krympa glasoptiken.
Ett antal pilotprojekt som planeras för 2009 kommer att testa anrikningsverket i fält. Företaget räknar med att kommersiell produktion kommer att börja någon gång under 2010.