enfocando el sol

Oct 21, 2023

Ed Brown

La profesora Nina Vaidya ha desarrollado un nuevo tipo de concentrador óptico, Lente de índice graduado axialmente (AGILE), que puede enfocar pasivamente el sol en una celda fotovoltaica desde cualquier ángulo para reducir la cantidad de material fotovoltaico necesario para una determinada cantidad de generación de energía.

Resúmenes técnicos:Lo primero que me llamó la atención fueron los recuerdos de cuando era un niño pequeño con mi padre en el parque y una lupa quemando hojas, eso fue muy divertido.

Profesora Nina Vaidya: La redactora de la noticia de Stanford sobre nuestro trabajo, Laura Castañón, sugirió esa forma de comunicar nuestro proyecto. Como científicos, nuestro objetivo es articular ideas de manera que puedan llegar al público. Durante todo el día, en el laboratorio o en reuniones con otros ingenieros y científicos, hablamos de cierta manera y usamos una jerga específica del tema. El artículo de noticias de Stanford me ayudó a explicar nuestra tecnología de lentes de índice graduado axialmente (AGILE) y su impacto, mientras informaba sobre nuestro manuscrito reciente.

Resúmenes técnicos:¿Qué te llevó a este proyecto?

Vaidya: Buena pregunta. Cuando comencé, me mudé de un trabajo de consultoría de negocios en Europa a Stanford para obtener mi doctorado porque estaba ansioso por volver a la investigación científica, especialmente en energía limpia y sostenibilidad. En mi primer trimestre en Stanford, recuerdo claramente la clase de 'Diseño de dispositivos ópticos micro y nano' del profesor Olav Solgaard. Nos pidió que hiciéramos un informe individual sobre una nueva idea relacionada con la óptica, la fotónica o los Sistemas MicroElectroMecánicos (MEMS).

Olav, en un momento, preguntó si era posible diseñar un dispositivo óptico que pudiera tomar toda la luz desde todos los ángulos y enfocarla en el mismo punto sin moverla hacia la fuente, y mencionó la óptica de índice de gradiente.

Eso me hizo pensar; Entonces, después de más discusiones y simulaciones, se me ocurrió un diseño. Ese informe de proyecto individual luego se convirtió en mi proyecto de doctorado con Olav como mi asesor de doctorado. Luego vinieron dos patentes, prototipos y dos artículos posteriores.

Resúmenes técnicos:¿Era solo una idea teórica suya hacer esa pregunta?

Vaidya: Sí, partimos de ese sueño teórico imposible para diseñar un concentrador óptico ideal que no necesita rastrear la fuente. Luego trabajé en el estudio de factibilidad de nuestra idea y la comparación con búsquedas bibliográficas, simulaciones, la teoría y la optimización del diseño. Hubo personas con las que hablé que me dijeron que hacer esta idea como un dispositivo real con materiales reales no se puede hacer, pero pensé que se podía. Olav me dio la libertad de investigación y el estímulo para investigar varios materiales ópticos, nuevas técnicas de fabricación y construir equipos para explorar este espacio desconocido.

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Tomó prueba y error y habló con muchos teóricos y experimentadores, compañías que venden materiales ópticos, lentes y varias compañías solares. Incluso traté de hacer algunos materiales en el laboratorio con polímeros, nanopartículas, nanoporosidad y cosas así, para igualar el índice de gradiente teórico. Finalmente, como describí en nuestro artículo, utilicé diferentes tipos de vidrios y polímeros. Algunos de ellos están hechos a medida por Ohara Glass Corporation, y algunos son polímeros curables UV de grado óptico de Norland Products Inc. Lo principal era que queríamos clasificar el índice de refracción de bajo a alto en un material a granel. Pero el rango de la diferencia de índice de refracción necesaria es muy grande.

Algo así como un cable de fibra óptica de vidrio tiene una clasificación de aproximadamente 1,45 a 1,5, lo que funciona bien para las comunicaciones pero es muy poco para nuestra aplicación. Lo que quería era ir desde el índice de refracción del aire, que es de aproximadamente 1,0, hasta el material fotovoltaico, alrededor de 3,5, eso es enorme. Y no solo eso, quería poder usar todo el espectro de banda ancha de la luz solar: hacer AGILE con materiales que tengan esta amplia gama de índices pero que también sean altamente transparentes en todo el espectro solar, con coeficientes de expansión térmica compatibles y robustez, por lo que todo las diferentes capas pueden permanecer juntas para crear la forma del índice graduado.

La luz del sol va desde alrededor de 250 nanómetros a 1300 nanómetros, desde ultravioleta (longitudes de onda cortas) hasta casi infrarrojo. Hay muy pocos materiales que tengan índices de refracción bajos y altos, pero que también sean transparentes y tengan bajas pérdidas en este espectro solar. Existe todo un campo de física aplicada y metamateriales, que es excelente para la teoría y la investigación, pero muchas de las ideas y prototipos solo son funcionales en una longitud de onda de banda estrecha específica para aplicaciones específicas.

Por lo tanto, hice, no solo las capas de material de índice bajo a alto, sino también nuevas técnicas de fabricación y equipos para hacer, unir, dar forma y probar los prototipos. Llamamos a nuestro dispositivo AGILE (Lente de índice graduada axialmente).

Resúmenes técnicos:¿Qué hizo posible cubrir estas longitudes de onda?

Vaidya: Hice una extensa búsqueda de material. Compré vidrios y polímeros de diferentes compañías y los probé para medir su transmisión de luz e índice de refracción en todo el espectro solar, básicamente caracterizando varios materiales y luego combinándolos para usarlos como capas en AGILE.

Entonces, sabía, por ejemplo, que mi primera capa necesitaba un índice de refracción muy bajo pero también tenía que ser resistente al medio ambiente, busqué cada capa con esos criterios. Otro problema es que algunos materiales son frágiles o tienen propiedades mecánicas muy diferentes. Por ejemplo, pueden tener coeficientes de expansión térmica muy diferentes. Entonces, eso no podría funcionar porque todos tienen que estar completamente unidos uno encima del otro con interfaces perfectas, sin aire en el medio o partículas/polvo. Y tienen que mecanizarse juntos y poder calentar/enfriar juntos.

Entonces, esas fueron mis limitaciones: fue un gran proceso de búsqueda y caracterización de materiales.

Resúmenes técnicos:¿Cómo uniste las capas?

Vaidya: Básicamente mecanizándolo de una manera similar al pulido de vidrio, pero a un nivel mucho más alto, con la ayuda del taller de cristal de Stanford. Queríamos que las superficies tuvieran una suavidad casi nanométrica para poder unirlas entre sí con unión anódica. Para la unión anódica, construí equipos para poder calentar la unión y pasar electricidad a través de ella en la sala limpia flexible de Stanford.

Con los polímeros, fue más fácil, porque cuando comienzas con un líquido, hay algo de mezcla en las interfaces: se convierte más en el índice de gradiente ideal que en el índice graduado, y es incluso mejor en términos de rendimiento. Pero, por supuesto, el vidrio es más resistente en términos de resistencia al medio ambiente. Incluso hice AGILE usando impresión 3D y polímeros ópticos como se publicó en un artículo anterior. Esto abre la puerta al diseño ultraligero: ópticas de precisión impresas en 3D flexibles de varias formas, adaptadas a aplicaciones personalizadas, que son tan eficientes como los dispositivos fabricados tradicionalmente con metal o vidrio.

Por lo tanto, existen pros y contras y materiales y diseños específicos de la aplicación. También he estado investigando mucho sobre materiales para la industria aeroespacial y he construido prototipos de energía solar espacial en Caltech desde el trabajo de AGILE en Stanford.

Resúmenes técnicos: Estoy desconcertado en cuanto a que ahora realmente puede funcionar. Cuando estaba quemando hojas secas con mi lupa, siempre tenía que cambiar el ángulo del vidrio a medida que avanzaba el día. Entonces, no puedo imaginar cómo su dispositivo puede mantener el mismo punto focal mientras el sol se mueve por el cielo.

Vaidya: Gran pregunta. Si tienes una lupa y luego el sol, sabes que la mancha en la hoja o tu mano se moverá como lo hace el sol. Ahora imagine que en lugar de esa lente, tiene un material con un índice de refracción graduado, entonces ahora estamos hablando de metamaterial, un material diseñado de una manera que no se encuentra naturalmente. No es un material homogéneo como una lente de vidrio tradicional. Ahora tenemos medios en los que no estamos acostumbrados a pensar: van de un índice bajo a un índice alto gradualmente a lo largo de la altura del AGILE desde una apertura más grande a una apertura más pequeña, con paredes laterales reflectantes. Y debido a ese índice de gradiente, la luz se ralentiza y se curva debido a la refracción en lugar de viajar en línea recta.

La luz entra en nuestro embudo, luego comienza a girar hacia la normalidad. La luz ya no va en línea recta porque se refracta debido al índice de gradiente. Debido a que el gradiente de índice cambia gradualmente (en el caso teórico, la luz se curva perfectamente), se refleja en las paredes laterales para que siempre retroceda hacia el interior y no se escape del concentrador AGILE. De esta manera, podemos recoger la luz desde todos los ángulos sin seguimiento solar e incluso podemos recoger la luz difusa de la capa de nubes y la atmósfera.

Resúmenes técnicos:Entonces, a medida que cambia la posición del sol, ¿cómo es que la luz se refleja en el mismo punto porque el sol ingresa a su embudo desde diferentes ángulos?

Vaidya:La primera imagen de nuestro artículo puede ayudar a aclarar cómo funciona.

Dado que la abertura es solo aire, el índice de gradiente va desde un índice de uno en la entrada hasta un índice alto en la celda fotovoltaica. Las dos cosas importantes son que el índice cambie gradualmente y que las paredes sean reflectantes. Entonces, incluso si la luz entra en un ángulo bastante agudo, digamos al amanecer o al atardecer, entrará, se doblará hacia lo normal y entrará directamente, o si está cerca del borde de la abertura, se doblará, reflejará, y luego doblar nuevamente, enfocando toda la luz en la apertura de salida más pequeña de la celda solar. Entonces, incluso en ángulos muy agudos, el foco estará en la misma posición.

Resúmenes técnicos: Creo entender. Entonces, ¿tengo razón en que la superficie exterior de esta estructura es un espejo y luego el vidrio está dentro de eso?

Vaidya:Sí, sin embargo, si lo diseñamos de una manera específica, podemos tener un reflejo interno total en las paredes laterales, por lo que no sería necesario el reflejo metálico, pero no funciona en todos los diseños AGILE.

Resúmenes técnicos:¿Se ha utilizado este tipo de diseño en otros lugares?

Vaidya: No, de hecho tenemos una patente sobre AGILE. Examinamos rigurosamente todo el estado de la técnica.

También resolví la ecuación de diseño generalizado de AGILE para informar cómo se pueden fabricar diferentes concentradores AGILE. Entonces, por ejemplo, la altura o el factor de concentración, su geometría, y el rango del índice de refracción se pueden cambiar y ajustar, según la aplicación. Y he realizado varios análisis teóricos y simulaciones para poder conectar los números, una especie de guía de diseño matemático generalizado para aplicaciones que usan AGILE.

Una aplicación diferente a la solar es la iluminación de estado sólido, por ejemplo, los LED. Podrías colocar un AGILE encima de un LED, para lograr lo contrario del concentrador solar. En lugar de recolectar luz, queremos emitir luz eficientemente desde el LED hacia la habitación. Eso funcionaría porque el sistema óptico es reversible. Es un dispositivo óptico pasivo: no usa energía ni tiene partes móviles, lo que lo convierte en una solución simple y robusta.

Resúmenes técnicos:¿Cuáles son algunas de las aplicaciones y el impacto potencial de su tecnología AGILE?

Vaidya:La tecnología tiene varias aplicaciones: el acoplamiento láser, los vehículos aéreos solares, la iluminación de estado sólido que ahorra energía, por ejemplo, los LED y las pantallas, podrían utilizar la capacidad de AGILE para enfocar la luz de forma pasiva.

En la crisis energética y climática urgente de hoy, el potencial de AGILE para hacer que los paneles solares sean más efectivos y más baratos será su uso más impactante. Poder utilizar este nuevo concepto AGILE para crear mejores prototipos de concentradores solares ha sido una aventura de ingeniería significativa. Necesitamos catalizar soluciones de ingeniería para hacer realidad la energía limpia y el futuro sostenible.

Este artículo apareció por primera vez en la edición de septiembre de 2022 de la revista Tech Briefs.

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