Holographische Solar

Die Haupteinschränkung der Solarenergie sind derzeit die Kosten, da das kristalline Silizium, das zur Herstellung der meisten photovoltaischen (PV) Zellen verwendet wird, sehr teuer ist. Ein Ansatz zur Überwindung dieses Kostenfaktors besteht darin, das Sonnenlicht mithilfe von Spiegeln oder Linsen zu bündeln und so die Gesamtfläche an Silizium zu reduzieren, die zur Erzeugung einer bestimmten Strommenge benötigt wird. Herkömmliche Lichtkonzentratoren sind jedoch sperrig und unattraktiv – weniger ideal für den Einsatz auf Vorstadtdächern.

In den Konzentratoren von Prism Solar wechseln sich Reihen von Silizium-Solarzellen mit Reihen transparenter Hologramme ab. (Mit freundlicher Genehmigung von Prism Solar)

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Jetzt Prism Solar Technologies of Stone Ridge, NY, hat ein Proof-of-Concept-Solarmodul entwickelt, das Hologramme verwendet, um das Licht zu konzentrieren, wodurch die Kosten von Solarmodulen möglicherweise um bis zu 75 Prozent gesenkt werden können, wodurch sie mit Strom aus fossilen Brennstoffen wettbewerbsfähig werden.



Die neue Technologie ersetzt unansehnliche Konzentratoren durch glatte, mit Hologrammen laminierte Flachbildschirme. Die Paneele, sagt Rick Lewandowski, Präsident und CEO des Unternehmens, sind eine elegantere Lösung für traditionelle Konzentratoren und können auf Dächern installiert werden – oder sogar in Fenster und Glastüren integriert werden.

Das System benötigt 25 bis 85 Prozent weniger Silizium als ein kristallines Siliziumpanel vergleichbarer Leistung, sagt Lewandowski, weil das Photovoltaik-Material nicht die gesamte Fläche eines Solarpanels bedecken muss. Stattdessen wird das PV-Material in mehreren Reihen angeordnet. Eine Schicht Hologramme – lasererzeugte Muster, die Licht brechen – lenkt Licht in eine Glasschicht, wo es von der Innenseite des Glases reflektiert wird, bis es seinen Weg zu einem der PV-Siliziumstreifen findet. Die Reduzierung des benötigten PV-Materials könnte die Kosten für kristalline Siliziummodule von etwa 4 US-Dollar pro Watt auf 1,50 US-Dollar senken, sagt er.

Das Unternehmen erwartet, weitere 6 Millionen US-Dollar von interessierten Risikokapitalgebern einzuziehen und bis Ende des Jahres mit der Herstellung seiner Module der ersten Generation zu beginnen, die für etwa 2,40 US-Dollar pro Watt verkauft werden. Module der nächsten Generation mit fortschrittlicherer Technologie sollten die Kosten weiter senken.

In ihrer Fähigkeit, Licht zu konzentrieren, sind Hologramme nicht so stark wie herkömmliche Konzentratoren. Sie können die auf die Zellen einfallende Lichtmenge nur um den Faktor 10 vervielfachen, während linsenbasierte Systeme das Licht um den Faktor 100, manche sogar bis zu 1.000 erhöhen können.

Aber traditionelle Konzentratoren sind kompliziert. Da die Linsen oder Spiegel, die das Licht fokussieren, direkt der Sonne zugewandt sein müssen, müssen sie der Sonne mechanisch nachgeführt werden. Sie heizen auch die Solarzellen auf und benötigen daher ein Kühlsystem. Obwohl sie das Licht stärker umlenken als das Hologramm, sind sie daher unhandlich … und nicht so praktisch für Wohnzwecke, sagt George Douglas, Sprecher des National Renewable Energy Laboratory.

Hologramme haben Vorteile, die ihre relativ schwache Konzentrationsfähigkeit wettmachen. Sie können bestimmte Frequenzen auswählen und sie auf Solarzellen fokussieren, die bei diesen Frequenzen am besten funktionieren und das maximal mögliche Licht in Strom umwandeln. Sie können auch so ausgeführt werden, dass sie wärmeerzeugende Frequenzen von den Zellen wegleiten, sodass das System nicht gekühlt werden muss. Auf diese Weise nutzen Sie nur den wirklich wichtigen Teil des Sonnenlichts effizient, sagt Selim Shahriar , Direktor des Labors für Atom- und Photoniktechnologie an der Northwestern University in Evanston, IL.

Außerdem können verschiedene Hologramme in einem Konzentratormodul entworfen werden, um Licht aus verschiedenen Winkeln zu fokussieren – sie benötigen also keine beweglichen Teile, um der Sonne zu folgen.

Das System von Prism Solar vereint diese Vorteile. Um mit anderen heute verfügbaren Solartechnologien wettbewerbsfähig zu sein, muss das Unternehmen jedoch möglicherweise seinen Preis unter 2,40 US-Dollar pro Watt senken, sagt Christo Stojanoff, emeritierter Professor für Ingenieurwissenschaften an der Technischen Universität Aachen in Deutschland.

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CEO Lewandowski sagt, dass die holografischen Module in einigen Jahren etwa 1,50 US-Dollar pro Watt kosten werden, wobei ihre Technologie der zweiten Generation verwendet wird, bei der Solarzellen zwischen zwei Glasscheiben mit Hologrammen eingelegt werden. Zu diesem Preis werden sie mit dem aus fossilen Brennstoffen erzeugten Strom konkurrieren, der jetzt fast dreimal weniger kostet als herkömmlicher Solarstrom, so das in San Francisco ansässige Forschungs- und Beratungsunternehmen Solarbuzz .

Der intensive Glaseinsatz der Module könnte ihre Kosten erhöhen, sagt Douglas. Dennoch könnte eine solche neuartige Idee für einen Konzentrator mit Hologrammen eine lukrative Investition sein, da er weniger Silizium benötigt als Flachmodule und somit Geld spart. Die hohe Nachfrage nach Solarzellen in Deutschland und anderen europäischen Ländern habe inzwischen das Angebot überstiegen, was zu einer Siliziumknappheit und einer Produktionsknappheit in der Photovoltaik-Welt geführt habe, sagt er.

Obwohl es die Idee von holographischen Solarkonzentratoren seit den frühen 1980er Jahren gibt, hat sie laut Professor Stojanoff, der die Technik ausführlich untersucht hat, noch niemand kommerziell entwickelt. Seine Firma Holotec GmbH in Aachen erforscht und produziert holografische Materialien. Auch Northeast Photosciences, ein in Hollis, NH, ansässiges Unternehmen, stand kurz vor der Herstellung, bevor es aus Gründen, die nichts mit der Technologie oder der Finanzierung zu tun hatten, aufgegeben wurde, sagt er.

Wenn alles nach Plan läuft, könnte Prism Solar das erste Unternehmen sein, das holografische Solarkonzentratormodule herstellt und verkauft.

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