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剪纸”太阳能板,跟着太阳转

返回列表 来源: 发布日期: 2020.04.17 浏览次数:

密歇根大学的研究人员将日本剪纸艺术应用到太阳能电池板的设计中,让后者能够追踪阳光。一块扁平的太阳能板在拉伸后,能变成波浪状的相连带状物。太阳能电池的弯曲角度取决于拉伸的力度。这是一种追踪阳光的简便方法。

如果太阳能电池能跟着太阳转,那么它们就能多收集40%的太阳能。但是传统的机动跟踪装置比较笨重,不适合屋顶的斜坡,也不适合太阳能汽车。

密歇根大学的研究人员将日本剪纸艺术应用到太阳能电池板的设计中,让后者能够追踪阳光。一块扁平的太阳能板在拉伸后,能变成波浪状的相连带状物。太阳能电池的弯曲角度取决于拉伸的力度。这是一种追踪阳光的简便方法。图片来源:Aaron Lamoureux

现在,来自日本的古老剪纸艺术为美国密歇根大学的科研人员带来了灵感。他们发明出了一种能够追踪阳光的太阳能电池。


这篇文章发表在《自然•通讯》期刊上。文章的第一作者,来自材料科学与工程学院的研究生Aaron Lamoureux说道:“我们的设计能做到像普通追踪型太阳能电池那样追踪阳光,并且我们的太阳能电池板非常扁平。”


根据美国能源部的一项统计,美国民用屋顶太阳能电池板占所有太阳能板安装量的百分之八十五。然而如果要这些美国家庭安装传统的跟踪型太阳能电池板,那么就必须要对他们的屋顶进行大费周章的加固。


由密西根大学的工程师和艺术家组成的团队设计出了一种太阳能电池板,这种太阳能电池板是由一排排小太阳能板构成的。每个小太阳能板都能够随着阳光变形并改变朝向,做到尽量让表面垂直于阳光。


材料科学与工程学院的副教授Max Shtein是这样评价这种太阳能电池板的:“从一个安装这种太阳能电池板的人的角度看,我们的设计的美学在于不需要对屋顶进行改造。”真正被改造的地方是太阳能电池板内部的微结构——整块太阳能板分化成了一小片一小片的太阳能板,而每片小太阳能板都能够跟踪阳光。


太阳能电池研究人员正在研究增加太阳能板对太阳曝光面积的方法。当太阳能板相对阳光呈某个角度时,它的面积看上去就比较小。在阳光斜射时,通过让小太阳能板表面弯曲并分散开来的方式,太阳能板整体的吸收率就能有效提高。


为了测试这种想法是否可行,工程师们与剪纸艺术家Matthew Shlian合作。Shlian是艺术设计学院的讲师。Shlian向Lamoureux和Shtein展示了如何用绘图切割机制作出图中的那种造型。Lamoureux接着用二氧化碳激光器在航天材料聚酰亚胺上切割出了更精细的图样。


虽然这个团队尝试过一些更加复杂的设计,但是他们发现最简单的图样反而效果最好。上面被划上一道一道横条的聚酰亚胺材料能够被拉成一张“网”。而这些互相连结的聚酰亚胺“带”能够随着“网”的拉伸情况进行相应的弯曲,以便与阳光达到最佳的交叉角度。


电气工程学院的Kyusang Lee与Lamoureux合作制造了专为这种图样定制的太阳能板。他们将太阳能板粘到未切割的聚酰亚胺材料上,太阳能板之间预留出切割的空间。接着,Lamoureux就用激光器切割出上述的图样。


带有最佳图样设计的太阳能板无法在密歇根大学制造,因为那样的太阳能板又细又长,无法嵌入原型机。因此研究人员又考虑了别的方案。



优化后的设计能够被方便地拉长,让小太阳能板能够极度扭曲又不至于变得太窄。根据他们夏至时在亚利桑那州进行的太阳能发电模拟试验,优化后的设计和传统的单轴追踪型太阳能板效率相当,比固定型的太阳能板高出36%。Shtein说,相同条件下,传统的单轴追踪型太阳能板比固定型的效率高40%,然而前者比后者重10倍多,无法承受大风天气。


“我们认为新设计的潜力巨大,我们正在将它投入实际的应用中去。它最终能降低太阳能的成本。”

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