Professor arbejder for at maksimere effektiviteten af ​​solar lysrør

Hvis du har set regnbuemønsteret, der danser på overfladen af ​​en cd eller dvd, så har du set diffraktion på arbejde. Skiven fungerer som et diffraktionsgitter, et optisk element, der spreder lys i forskellige farver eller bølgelængder.

Denne opdeling af lys kan forekomme på ethvert periodisk, eller bølgede, overflade. Retningen af ​​disse opdelte lysstråler, og efterfølgende spredning af lys, kan estimeres gennem et almindeligt anvendt sæt af ligninger kaldet den ikke-paraxiale skalardiffraktionsteori. Christi Madsen, professor ved Institut for Elektro- og Computerteknik ved Texas A&M University, tester grænserne for denne grundlæggende teori, så der kan opnås en mere præcis forståelse af spredningstab.

Madsen arbejder på at forbedre de systemer, der genererer solenergi gennem brug af koncentrerende spejle eller linser ved at få lyset mere effektivt til konverteren – uanset om det er fotovoltaisk, som omdanner sollys til elektricitet, eller termisk, som omdanner varme til elektricitet - og reducerer det samlede systemtab.

Hendes forskning om emnet blev offentliggjort i marts-udgaven af ​​tidsskriftet Anvendt optik . Med dette papir, Madsen adresserede, hvor langt væk en grundlæggende diffraktionseffektivitetsberegning kunne være (let over 10%) til at estimere spredningseffektivitet og viste derefter, hvordan man kommer inden for 1-2% nøjagtighed på beregningen.

En optisk fiber er en fleksibel, transparent fiber, der transmitterer lys mellem de to ender. Forestil dig et oplyst legetøj med klar, gennemsigtige fibre, der kan købes for et barn at vinke rundt ved en koncert eller begivenhed. Madsen forklarede, at standard optiske fibre er nyttige til mange virkelige applikationer, som computernetværk og telekommunikation, men de er simpelthen ikke praktiske til at flytte sollys til et andet sted på grund af deres lille størrelse.

På grund af den begrænsede lysstyrke af sollys sammenlignet med lasere, større bølgeledere, eller lysrør, skal bruges til at transportere det koncentrerede sollys fra punkt A til punkt B.

"Lysrør er store versioner af optiske fibre, som bærer lys ekstremt lange afstande med meget lavt tab (f.eks. større end 90 % transmissionseffektivitet over en kilometers afstand), men har et meget lille område, der leder lyset (f.eks. 10 mikron diameter, sammenlignet med 1 millimeter eller større for lysrør), sagde Madsen.

Selvom lysrør er lovende, især når de er lavet af glas, de lider i øjeblikket større tab under transmissionen af ​​lys på grund af spredning ved overfladen, hvilket er et væsentligt teknologisk spørgsmål - en Madsen er fast besluttet på at ændre.

"Et af de dominerende tab forekommer ved overfladen af ​​bølgelederen, sagde Madsen. hvis vi kan få disse spredningstab lave - så lave som i en optisk fiber - kunne vi gå langt med det koncentrerede sollys."

I stedet for at konvertere solcellelys til elektrisk strøm til øjeblikkelig brug, Madsen forestiller sig at fjerne lysenergi til et andet sted optisk ved at koncentrere sollyset og bruge bølgeledere.

Med en kilowatt pr. kvadratmeter fra solen, koncentrationsfaktorer i størrelsesordenen 1, 000 gør det muligt at overføre betydelige mængder solenergi via lysrør til et separat sted og derefter omdannes til termisk eller elektrisk energi. Et eksempel er industriel procesopvarmning, hvor fremstillingsprocesser er fjernt placeret fra solfangerområdet. Lysrør har potentialet til at transportere optisk strøm med højere effektivitet end de varmeoverførselsvæskesystemer, der anvendes i øjeblikket.

Madsens næste skridt vil være at bestemme, hvor tætte målinger på fremstillede lysrør og simuleringer er, hvilket vil give hende en nøjagtig idé om den overfladekvalitet, der kræves for en given lysrørtransmission versus længde.