Focaliser le Soleil

Oct 21, 2023

Ed Brown

La professeure Nina Vaidya a mis au point un nouveau type de concentrateur optique - lentille à indice axialement gradué (AGILE) - qui peut focaliser passivement le soleil sur une cellule photovoltaïque sous n'importe quel angle afin de réduire la quantité de matériau photovoltaïque nécessaire pour une quantité donnée de production d'énergie.

Briefs techniques :Ce qui a d'abord attiré mon attention, ce sont les souvenirs de mon enfance avec mon père dans le parc et une loupe brûlant des feuilles - c'était très amusant.

Professeur Nina Vaidya : L'auteur de l'article de presse de Stanford sur notre travail, Laura Castañón, a suggéré cette façon de communiquer notre projet. En tant que scientifiques, nous visons à articuler des idées d'une manière qui puisse atteindre le public. Toute la journée, dans le laboratoire ou lors de réunions avec d'autres ingénieurs et scientifiques, nous parlons d'une certaine manière et utilisons un jargon spécifique à un sujet. L'article de presse de Stanford m'a aidé à expliquer notre technologie AGILE (Axially Graded Index Lens) et son impact, tout en rendant compte de notre récent manuscrit.

Briefs techniques :Qu'est-ce qui vous a amené à ce projet ?

Vaidya : C'est une bonne question. Lorsque j'ai commencé, j'ai quitté un poste de consultant en entreprise en Europe pour mon doctorat à Stanford, car j'avais hâte de revenir à la recherche scientifique, en particulier dans le domaine de l'énergie propre et de la durabilité. Au cours de mon premier trimestre à Stanford, je me souviens très bien du cours de « conception de dispositifs micro et nano optiques » du professeur Olav Solgaard. Il nous a demandé de faire un reportage individuel sur une nouvelle idée liée à l'optique, à la photonique ou aux systèmes microélectromécaniques (MEMS).

Olav, à un moment donné, a demandé s'il était possible de concevoir un dispositif optique capable de prendre toute la lumière sous tous les angles et de la focaliser au même point sans la déplacer vers la source - et il a mentionné l'optique à gradient d'indice.

Cela m'a fait réfléchir; donc, après plus de discussions et de simulations, j'ai proposé un design. Ce rapport de projet individuel est ensuite devenu mon projet de doctorat avec Olav comme directeur de thèse. Puis vinrent deux brevets, des prototypes et deux articles ultérieurs.

Briefs techniques :Était-ce juste une idée théorique de sa part – de poser cette question ?

Vaidya : Oui, nous sommes partis de ce rêve théorique impossible pour concevoir un concentrateur optique idéal qui n'a pas besoin de suivre la source. Ensuite, j'ai travaillé sur l'étude de faisabilité de notre idée et la comparaison avec les recherches bibliographiques, les simulations, la théorie et l'optimisation de la conception. Il y avait des gens à qui j'ai parlé qui m'ont dit que faire de cette idée un véritable appareil avec de vrais matériaux ne pouvait pas être fait - mais je pensais que c'était possible. Olav m'a donné la liberté de recherche et m'a encouragé à rechercher divers matériaux optiques, de nouvelles techniques de fabrication et à construire des équipements pour explorer cet espace inconnu.

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Il a fallu des essais et des erreurs et des discussions avec de nombreux théoriciens et expérimentateurs, des entreprises vendant des matériaux optiques, des lentilles et diverses sociétés solaires. J'ai même essayé de fabriquer des matériaux en laboratoire avec des polymères, des nanoparticules, de la nanoporosité et des choses comme ça, pour correspondre à l'indice de gradient théorique. Enfin, comme je l'ai décrit dans notre article, j'ai utilisé différents types de verres et de polymères. Certains d'entre eux sont fabriqués sur mesure par Ohara Glass Corporation, et certains sont des polymères durcissables aux UV de qualité optique de Norland Products Inc. L'essentiel était que nous voulions classer l'indice de réfraction de faible à élevé dans un matériau en vrac. Mais la plage de différence d'indice de réfraction nécessaire est très large.

Quelque chose comme un câble à fibre optique en verre est classé d'environ 1,45 à 1,5, ce qui fonctionne bien pour les communications mais est très peu pour notre application. Ce que je voulais, c'était aller de l'indice de réfraction de l'air, qui est d'environ 1,0, au matériau photovoltaïque, autour de 3,5 — c'est énorme. Et non seulement cela, je voulais pouvoir utiliser tout le spectre large bande de la lumière du soleil - rendre AGILE avec des matériaux qui ont cette large gamme d'indices mais qui sont également très transparents sur tout le spectre solaire, avec des coefficients de dilatation thermique compatibles et une robustesse pour que tout les différentes couches peuvent rester ensemble pour créer la forme d'index gradué.

La lumière du soleil va d'environ 250 nanomètres à 1300 nanomètres - de l'ultraviolet (courtes longueurs d'onde) à presque l'infrarouge. Il existe très peu de matériaux qui ont des indices de réfraction bas et élevés mais qui sont également transparents et qui ont de faibles pertes sur ce spectre solaire. Il existe tout un domaine de la physique appliquée et des métamatériaux, ce qui est excellent pour la théorie et la recherche, mais beaucoup d'idées et de prototypes ne fonctionnent que dans une longueur d'onde à bande étroite spécifique pour des applications spécifiques.

J'ai donc fabriqué non seulement les couches de matériaux d'indice faible à élevé, mais également de nouvelles techniques de fabrication et de nouveaux équipements pour fabriquer, coller, façonner et tester les prototypes. Nous avons nommé notre appareil AGILE (Axially Graded Index Lens).

Briefs techniques :Qu'est-ce qui a permis de couvrir ces longueurs d'onde ?

Vaidya : J'ai fait une recherche approfondie de matériel. J'ai acheté des verres et des polymères auprès de différentes entreprises et je les ai testés pour mesurer leur transmission de la lumière et leur indice de réfraction sur tout le spectre solaire - en caractérisant essentiellement divers matériaux, puis en les faisant correspondre pour les utiliser comme couches dans AGILE.

Ainsi, je savais, par exemple, que ma première couche avait besoin d'un indice de réfraction très bas mais devait aussi être robuste à l'environnement, j'ai recherché chaque couche avec ces critères. Un autre problème est que certains matériaux sont fragiles ou ont des propriétés mécaniques très différentes. Par exemple, ils peuvent avoir des coefficients de dilatation thermique très différents. Donc, cela ne pourrait pas fonctionner car ils doivent tous être complètement collés les uns sur les autres avec des interfaces parfaites, sans air au milieu ni particules/poussière. Et ils doivent être usinés ensemble et pouvoir chauffer/refroidir ensemble.

Donc, c'étaient mes contraintes - c'était un énorme processus de recherche et de caractérisation de matériaux.

Briefs techniques :Comment as-tu collé les couches ?

Vaidya : En l'usinant essentiellement d'une manière similaire au polissage du verre, mais à un niveau beaucoup plus élevé, avec l'aide de la cristallerie de Stanford. Nous voulions que les surfaces soient lisses presque au nanomètre afin de pouvoir les lier les unes aux autres avec une liaison anodique. Pour la liaison anodique, j'ai construit un équipement capable de chauffer le joint et de le faire passer de l'électricité dans la salle blanche flexible de Stanford.

Avec les polymères, c'était plus facile, car lorsque vous commencez avec un liquide, il y a un certain mélange aux interfaces - cela devient plus l'indice de gradient idéal que l'indice gradué, et c'est encore mieux en termes de performances. Mais bien sûr, le verre est plus robuste en termes de résistance à l'environnement. J'ai même fait AGILE en utilisant l'impression 3D et les polymères optiques comme publié dans un article précédent. Cela ouvre la porte à des optiques de précision imprimées en 3D ultralégères et flexibles de différentes formes, adaptées à des applications personnalisées, qui sont aussi efficaces que les appareils fabriqués traditionnellement en métal ou en verre.

Il existe donc des avantages et des inconvénients ainsi que des matériaux et des conceptions spécifiques à l'application. J'ai également fait beaucoup de recherches sur les matériaux pour l'aérospatiale et construit des prototypes d'énergie solaire spatiale à Caltech depuis les travaux AGILE à Stanford.

Briefs techniques : Je suis perplexe quant à maintenant cela peut réellement fonctionner. Lorsque je brûlais des feuilles sèches avec ma loupe, je devais toujours changer l'angle du verre au fur et à mesure que la journée avançait. Donc, je ne peux pas imaginer comment votre appareil peut maintenir le même point focal lorsque le soleil se déplace dans le ciel.

Vaidya : Excellente question. Si vous avez une loupe et ensuite le soleil, vous savez que la tache sur la feuille ou votre main bougera comme le fait le soleil. Imaginez maintenant qu'au lieu de cette lentille, vous avez un matériau avec un indice de réfraction gradué, alors nous parlons maintenant de métamatériau - un matériau conçu d'une manière qui ne se trouve pas naturellement. Ce n'est pas un matériau homogène comme une lentille en verre traditionnelle. Maintenant, nous avons des médias auxquels nous n'avons pas vraiment l'habitude de penser - cela passe d'un indice bas à un indice élevé progressivement sur toute la hauteur de l'AGILE, d'une plus grande ouverture à une plus petite ouverture, avec des parois latérales réfléchissantes. Et à cause de cet indice de gradient, la lumière ralentit et se courbe en raison de la réfraction au lieu de se déplacer en lignes droites.

La lumière entre dans notre entonnoir, puis commence à tourner vers la normale. La lumière ne va plus en ligne droite car elle est réfractée à cause du gradient d'indice. Parce que le gradient d'indice change progressivement - dans le cas théorique, la lumière se courbe parfaitement - il se reflète sur les parois latérales de sorte qu'il est toujours renvoyé à l'intérieur et ne s'échappe pas du concentrateur AGILE. De cette façon, nous pouvons collecter la lumière sous tous les angles sans suivi solaire et pouvons même collecter la lumière diffusée par la couverture nuageuse et l'atmosphère.

Briefs techniques :Ainsi, lorsque la position du soleil change, comment se fait-il que la lumière se reflète au même point parce que le soleil entre dans votre entonnoir sous des angles différents ?

Vaidya :La première image de notre article peut aider à clarifier son fonctionnement.

Puisque l'ouverture est juste de l'air, le gradient d'indice passe d'un indice de un à l'entrée à un indice élevé à la cellule PV. Les deux choses importantes sont que l'indice change progressivement et que les murs soient réfléchissants. Donc, même si la lumière entre à un angle assez aigu, disons au lever ou au coucher du soleil, elle entrera, se pliera vers la normale et entrera directement, ou si elle est près du bord de l'ouverture, elle se pliera, réfléchira, puis pliez à nouveau - concentrant toute la lumière sur la plus petite ouverture de sortie de la cellule solaire. Ainsi, même à des angles très aigus, la mise au point sera à la même position.

Briefs techniques : Je pense que je comprends. Alors, ai-je raison de dire que la surface extérieure de cette structure est un miroir, et que le verre est à l'intérieur ?

Vaidya :Oui, cependant, si nous le concevons d'une manière spécifique, nous pouvons avoir une réflexion interne totale sur les parois latérales, de sorte que la réflexion métallique ne serait pas nécessaire - mais cela ne fonctionne pas dans toutes les conceptions AGILE.

Briefs techniques :Ce type de conception a-t-il été utilisé ailleurs?

Vaidya : Non, en fait nous avons un brevet sur AGILE. Nous avons rigoureusement examiné l'ensemble de l'art antérieur.

J'ai également élaboré l'équation de conception généralisée d'AGILE pour expliquer comment différents concentrateurs AGILE peuvent être fabriqués. Ainsi, par exemple, la hauteur ou le facteur de concentration - sa géométrie - et la plage d'indices de réfraction peuvent tous être modifiés et réglés, en fonction de l'application. Et j'ai fait plusieurs analyses théoriques et simulations pour pouvoir brancher les chiffres — une sorte de guide de conception mathématique généralisé pour les applications utilisant AGILE.

Une application différente de l'énergie solaire est l'éclairage à semi-conducteurs, par exemple les LED. Vous pouvez placer un AGILE au-dessus d'une LED, pour accomplir l'inverse du concentrateur solaire. Au lieu de collecter la lumière, nous voulons émettre efficacement la lumière de la LED dans la pièce. Cela fonctionnerait parce que le système optique est réversible. C'est un dispositif optique passif — il n'utilise pas d'énergie ou comporte des pièces mobiles, ce qui en fait une solution simple et robuste.

Briefs techniques :Quelles sont certaines des applications et l'impact potentiel de votre technologie AGILE ?

Vaidya :La technologie a plusieurs applications : le couplage laser, les véhicules aériens solaires, l'éclairage à semi-conducteurs économe en énergie, par exemple, les LED et les écrans, pourraient tous utiliser la capacité d'AGILE à focaliser la lumière de manière passive.

Dans la crise énergétique et climatique d'aujourd'hui, le potentiel d'AGILE pour rendre les panneaux solaires plus efficaces et moins chers sera son utilisation la plus percutante. Pouvoir utiliser ce nouveau concept AGILE pour créer de meilleurs prototypes de concentrateurs solaires a été une aventure d'ingénierie significative. Nous devons catalyser des solutions d'ingénierie pour faire de l'énergie propre et d'un avenir durable une réalité.

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de septembre 2022 de Tech Briefs Magazine.

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