太陽の焦点を合わせる

Oct 21, 2023

エド・ブラウン

Nina Vaidya 教授は、新しい種類の集光器である軸方向傾斜屈折率レンズ (AGILE) を開発しました。これは、任意の角度から受動的に太陽を太陽電池に集光して、一定量の発電に必要な太陽電池材料の量を削減できます。

技術概要:最初に私の注意を引いたのは、幼い頃、父親と一緒に公園で虫眼鏡で葉っぱを燃やしていた時の思い出でした。それはとても楽しかったです。

ニーナ・ヴァイディア教授:私たちの取り組みについてスタンフォード大学のニュース記事を書いたローラ・カスタニョンは、私たちのプロジェクトを伝えるこの方法を提案してくれました。 私たちは科学者として、一般の人々に届く方法でアイデアを明確にすることを目指しています。 一日中、研究室や他のエンジニアや科学者との会議では、私たちは特定の方法で話し、主題固有の専門用語を使用します。 スタンフォードのニュース記事は、最近の原稿を報告する際に、当社の Axially Graded Index Lens (AGILE) テクノロジーとその影響を説明するのに役立ちました。

技術概要:このプロジェクトに至ったきっかけは何ですか？

ヴァイディヤ:それは良い質問です。 私が仕事を始めた当初、特にクリーン エネルギーと持続可能性に関する科学研究に戻りたいと考え、ヨーロッパでのビジネス コンサルティングの仕事から博士号取得のためにスタンフォード大学に移りました。 スタンフォード大学での最初の四半期、オラフ・ソルガード教授の「マイクロおよびナノ光学デバイス設計」の授業をはっきりと覚えています。 彼は、光学、フォトニクス、または微小電気機械システム (MEMS) に関連した新しいアイデアについて個別にレポートを作成するよう私たちに依頼しました。

オラフ氏はある時、あらゆる角度からすべての光を取り込み、光を光源に近づけることなく同じ点に焦点を合わせることができる光学デバイスを設計することが可能かどうかを尋ね、屈折率分布型光学素子について言及しました。

それが私に考えさせました。 そこで、さらなる議論とシミュレーションを経て、デザインを思いつきました。 その後、その個別のプロジェクト レポートが私の博士課程プロジェクトとなり、Olav が私の博士課程アドバイザーとなりました。 その後、2 件の特許、プロトタイプ、そしてその後 2 件の論文が発行されました。

技術概要:この質問をするということは、彼の単なる理論的な考えだったのでしょうか?

ヴァイディヤ:はい、私たちは光源を追跡する必要のない理想的な光集光器を設計するという不可能な理論上の夢からスタートしました。 次に、私たちのアイデアの実現可能性の調査と、文献検索、シミュレーション、理論、設計の最適化との比較に取り組みました。 私が話をした人の中には、このアイデアを実際の素材を使って実際のデバイスとして実現することは不可能だと言われた人もいましたが、私はそれができると思いました。 オラフは私に研究の自由を与え、さまざまな光学材料や新しい製造技術を研究し、この未知の空間を探索するための装置を構築するよう奨励してくれました。

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それには試行錯誤が必要で、多くの理論家や実験者、光学材料やレンズを販売する会社、さまざまな太陽光発電会社と話をしました。 理論的な勾配指数に一致させるために、ポリマー、ナノ粒子、ナノ多孔性などを使用していくつかの材料を研究室で作成しようとしたこともありました。 最後に、論文で説明したように、さまざまな種類のガラスとポリマーを使用しました。 それらの一部は Ohara Glass Corporation によってカスタムメイドされ、一部は Norland Products Inc. の光学グレードの UV 硬化性ポリマーです。主なことは、バルク材料で屈折率を低から高までグレード化したいということでした。 ただし、必要な屈折率差の範囲は非常に広いです。

ガラス光ファイバー ケーブルのようなものは、グレードが約 1.45 ～ 1.5 で、通信には十分に機能しますが、アプリケーションには非常に適していません。 私が望んでいたのは、空気の屈折率が約 1.0 から、太陽光発電材料の屈折率が約 3.5 にまで到達することでした。これは非常に大きなことです。 それだけでなく、私は太陽光の広帯域スペクトル全体を利用できるようにしたいと考えていました。これほど広範囲の指数を持ちながらも、太陽スペクトル全体にわたって透明性が高く、互換性のある熱膨張係数と堅牢性を備えた材料でアジャイルを作成したいと考えていました。異なる層が一緒に留まり、グレーデッド インデックス形状を作成できます。

太陽光の波長は約 250 ナノメートルから 1300 ナノメートル、紫外線 (短波長) からほぼ赤外線までです。 低い屈折率と高い屈折率を持ちながらも透明で、この太陽スペクトル全体にわたって損失が低い材料はほとんどありません。 理論や研究には最適な応用物理学とメタマテリアルの分野全体が存在しますが、多くのアイデアやプロトタイプは、特定のアプリケーションの特定の狭帯域波長でのみ機能します。

そこで、低屈折率から高屈折率までの材料層だけでなく、プロトタイプを作成、接着、成形、テストするための新しい製造技術と装置も作成しました。 私たちはこのデバイスを AGILE (Axially Graded Index Lens) と名付けました。

技術概要:なぜこれらの波長をカバーできるようになったのでしょうか?

ヴァイディヤ:徹底的に資料を調べてみました。 私はさまざまな会社からガラスとポリマーを購入し、それらをテストして太陽スペクトル全体にわたる光透過率と屈折率を測定しました。これは基本的にさまざまな材料の特性を評価し、次にそれらをアジャイルのレイヤーとして使用するために適合させました。

したがって、たとえば、最初の層には非常に低い屈折率が必要だが、環境に対して堅牢である必要があることはわかっていたので、これらの基準で各層を検索しました。 もう 1 つの問題は、一部の材料が壊れやすかったり、機械的特性が大きく異なっていたりすることです。 たとえば、熱膨張係数が大きく異なる場合があります。 つまり、中間に空気や粒子/塵が存在せず、完璧な界面ですべてが互いに完全に接着されている必要があるため、これは機能しません。 また、これらは一緒に加工され、一緒に加熱/冷却できる必要があります。

つまり、これらが私の制約でした。それは膨大な材料検索と特性評価のプロセスでした。

技術概要:どうやって層を接着したのですか？

ヴァイディヤ:基本的にはガラス研磨と同様の方法で加工しますが、スタンフォードのクリスタルショップの協力を得て、より高いレベルで加工します。 陽極接合で相互に接合できるように、表面をほぼナノメートルの滑らかにする必要がありました。 陽極接合のために、スタンフォードのフレキシブル クリーンルームで接合部を加熱し、電気を流すことができる装置を構築しました。

ポリマーの場合は、液体から始めると界面である程度の混合が生じるため、より簡単でした。これは、グレーデッド インデックスよりも理想的なグラジエント インデックスになり、パフォーマンスの点ではさらに優れています。 しかし、もちろん、環境に対する耐久性という点ではガラスの方が堅牢です。 以前の論文で公開したように、3D プリンティングと光学ポリマーを使用して AGILE も作成しました。 これにより、カスタム アプリケーションに合わせて調整された、さまざまな形状の超軽量設計、柔軟な 3D プリント精密光学部品への扉が開かれ、従来の金属やガラスを使用して製造されたデバイスと同じくらい効率的です。

したがって、長所と短所、および用途固有の材料と設計が存在します。 また、スタンフォード大学での AGILE の研究以来、航空宇宙向けの材料研究も数多く行っており、カリフォルニア工科大学で宇宙太陽光発電のプロトタイプを構築しました。

技術概要:今、それが実際に機能するのかどうか、私は困惑しています。 虫眼鏡で枯れ葉を燃やしていたときは、日が経つにつれて常に眼鏡の角度を変えなければなりませんでした。 したがって、太陽が空を横切って移動するときに、デバイスがどのようにして同じ焦点を保持できるのか想像できません。

ヴァイディヤ:素晴らしい質問です。 虫眼鏡を持ってから太陽を見た場合、葉や手の上のスポットが太陽と同じように動くことがわかります。 さて、そのレンズの代わりに、段階的な屈折率を持つ材料があると想像してください。そこで、ここでメタマテリアルについて話します。これは、自然には存在しない方法で設計された材料です。 従来のガラスレンズのような均質な素材ではありません。 さて、私たちが実際に考えることに慣れていないメディアがあります。これは、反射性の側壁を備えた AGILE の高さ方向に、より大きな開口部からより小さな開口部へと徐々に低い屈折率から高い屈折率に変化します。 そして、その屈折率の勾配により、光は直線で進むのではなく、屈折により速度が低下し、曲がります。

光は漏斗に入り、通常の方向に向きを変え始めます。 光は屈折率分布により屈折するため、もはや直進しません。 屈折率勾配は徐々に変化するため (理論上の場合、光は完全に曲がります)、側壁で反射するため、常に内側に跳ね返され、AGILE コンセントレーターの外に漏れることはありません。 このようにして、太陽を追跡することなくあらゆる角度から光を集めることができ、雲や大気から拡散した光も集めることができます。

技術概要:では、太陽の位置が変化すると、太陽がさまざまな角度から漏斗に入ってくるため、光はどのようにして同じ点に反射するのでしょうか?

ヴァイディヤ:論文の最初の画像は、その仕組みを明確にするのに役立ちます。

開口部は単なる空気であるため、勾配指数は入力での 1 の指数から PV セルでの高い指数まで変化します。 重要な点は、インデックスが徐々に変化することと、壁が反射することです。 したがって、日の出や日没など、非常に鋭角で光が入ってきたとしても、光は法線方向に曲がって直接入ってくるか、開口部の端に近い場合は曲がって反射します。そして再び曲げて、太陽電池のより小さな出力開口部にすべての光を集中させます。 したがって、非常に鋭角な角度であっても、焦点は同じ位置にあります。

技術概要:分かったと思います。 では、この構造の外面は鏡で、その内側にガラスがあるということでよろしいでしょうか。

ヴァイディヤ:はい、ただし、特定の方法で設計すると、側壁で内部全反射が発生するため、金属反射は必要なくなりますが、すべての AGILE 設計で機能するわけではありません。

技術概要:この種のデザインは他の場所でも使用されていますか?

ヴァイディヤ:いいえ、実際、私たちは AGILE に関する特許を取得しています。 私たちはすべての先行技術を厳密に調査しました。

また、さまざまな AGILE コンセントレーターをどのように作成できるかを示すために、AGILE の一般化された設計方程式も考案しました。 したがって、たとえば、高さまたは集中係数、つまりその形状、および屈折率の範囲はすべて、用途に応じて変更および調整できます。 そして、数値を当てはめることができるように、いくつかの理論的な分析とシミュレーションを行ってきました。これは、AGILE を使用するアプリケーションのための一般化された数学的設計ガイドのようなものです。

太陽光とは異なる用途は、LED などの固体照明です。 LED の上に AGILE を配置すると、太陽光集光器の逆を実現できます。 光を集めるのではなく、LEDから効率よく光を室内に放射したい。 光学系が可逆的であるため、これは機能します。 これは受動的な光学デバイスであり、エネルギーを使用せず、可動部品もないため、シンプルで堅牢なソリューションになります。

技術概要:AGILE テクノロジーの応用例と潜在的な影響は何ですか?

ヴァイディヤ:この技術にはいくつかの用途があります。レーザーカップリング、太陽光発電機、LED やディスプレイなどの省エネソリッドステート照明はすべて、光を受動的に集束させる AGILE の機能を利用できます。

今日のエネルギーと緊急の気候危機において、太陽電池アレイをより効率的かつ安価にするアジャイルの可能性は、最も影響力のある用途となるでしょう。 この新しい AGILE コンセプトを使用して、より優れた太陽光集光器のプロトタイプを作成できることは、有意義なエンジニアリングの冒険でした。 クリーン エネルギーと持続可能な未来を現実にするために、エンジニアリング ソリューションを促進する必要があります。

この記事は、Tech Briefs Magazine の 2022 年 9 月号に初めて掲載されました。

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