Ogniwa kirigami

[KopalniaWiedzy.pl 322]

Większość ogniw słonecznych jest montowanych na sztywnych, nieruchomych panelach. Oznacza to, że tylko przez część dnia światło słoneczne pada na nie pod optymalnym kątem. Problemowi można zaradzić montując specjalny system śledzący ruch naszej gwiazdy i odpowiednio dopasowujący nachylenie paneli. Ruchome ogniwa fotowoltaiczne są o 20-40 procent bardziej wydajne niż nieruchome, jednak mechanizm śledzenia i ustawiania paneli jest niezwykle drogi. Dlatego też naukowcy z University of Michigan opracowali niezwykle interesujący sposób na zmianę położenia paneli.

Uczeni sięgnęli po japońską sztukę kirigami. To odmiana origami, która pozwala na nacinanie papieru. Okazało się, że jeśli elastyczne ogniwo słoneczne odpowiednio potniemy, to później w prosty sposób, ciągnąc jego końce w przeciwne strony, możemy zmienić kąt jego nachylenia. Co ważne, nacięcia są wykonane w taki sposób, że po zmianie położenia żaden fragment ogniwa nie znajduje się w cieniu innego. Także wygięcie poszczególnych fragmentów nie wpływa negatywnie na ich wydajność, zapewnia profesor Max Shtein, który opracował nowe ogniwa we współpracy z profesorem Stephenem Forrestem.

Shtein dodaje, że ogniwa kirigami pozwalają na zebranie większej ilości energii, a jednocześnie do ich wyprodukowania wystarczy tyle materiału, co do ogniw nieruchomych. Wydajność ogniw kirigami jest niemal taka sama jak ruchomych paneli z systemami śledzącymi.

 

 

« powrót do artykułu

[Flaku 26]

Co z trwałością takich ponacinanych, wyginanych ogniw?

[Przemek Kobel 65]

Mniej więcej taka, jak tasiemek łączących rozsuwane części niektórych telefonów. Czyli do końca gwarancji.

[Gość Astro]

 

 

jednak mechanizm śledzenia i ustawiania paneli jest niezwykle drogi

 

Ciekawe. Jak na moje wyczucie nie jest potrzebny skomplikowany mechanizm śledzenia. Mechaniczna realizacja podążania za pozornym ruchem Słońca na niebie nie powinna być zbyt skomplikowana. Wystarczy pewna prosta odmiana montażu paralaktycznego z prostym silniczkiem (+ograniczniki końcowe – również czysta elektryka. Niewiele zaawansowanej elektroniki. ). No chyba, że ktoś myśli o systemie, który ma działać w perspektywie tysięcy lat – wiadomo: precesja, takie tam i inne.

[Arlic 4]

Ciekawe. Jak na moje wyczucie nie jest potrzebny skomplikowany mechanizm śledzenia. Mechaniczna realizacja podążania za pozornym ruchem Słońca na niebie nie powinna być zbyt skomplikowana. Wystarczy pewna prosta odmiana montażu paralaktycznego z prostym silniczkiem (+ograniczniki końcowe – również czysta elektryka. Niewiele zaawansowanej elektroniki. ). No chyba, że ktoś myśli o systemie, który ma działać w perspektywie tysięcy lat – wiadomo: precesja, takie tam i inne.

Też się właśnie zastanawiam, bo to w sumie silniczek krokowy + mikro-kontroler z odpowiednio zaprogramowaną prędkością obrotu i mamy zrobione. Jakiś tani mikrokontroler 2$ pewnie by z 50 takich silniczków obsłużył jak nie więcej.

Podejrzewam, że do takiego ogniwa trzeba od razu transformator który by podwyższał napięcie, bo straty z przesyłu były by zbyt duże, przez to waga takiego zestawu jest duża, poza tym może awaryjność takich silniczków krokowych jest bardzo duża.

[Gość Astro]

 

 

może awaryjność takich silniczków krokowych jest bardzo duża

 

Może niekoniecznie, ale moim zdaniem obeszłoby się bez silników krokowych (taniej).

[Afordancja 57]

Oczywiście, że sam system nie jest skomplikowany (nawet jak by miał śledzenie, ale chyba zwyczajowo nie ma, tylko "na sztywno"), po prostu dochodzą "prowadnice" i silniczki, do każdego panelu praktycznie, sprawa sprowadza się do tego, czy dołożenie (np. w Polsce) takiego systemu, skraca czy wydłuża okres zwrotu, bo dochodzi problem obciążenia, czy można w ogóle montować do na dachu wtedy.itd.).

 

@Astro, mógłbyś napisać jak to widzisz? bo mnie zaintrygowałeś.

[Gość Astro]

Afordancja, żaden tam ze mnie konstruktor (spłoniłem się…). Polecam w przeglądarkę (ewentualnie yt) "solar tracking system". Można dodać homemade lub DIY.

Wielką inspiracją (dla mnie, wiejskiego konstruktora) jest obserwacja pracy starego dobrego mechanizmu wycieraczek szyby przedniej.

 

Poważniej. Skoro ogniwo like kirigami ma być "pociągane za sznureczki", to chyba nie będzie czynił tego świstak. Rozumiem, że będzie to w jakiejś obudowie. Tym samym tropem można chyba i podejść do kwestii obrotu sztywnych elementów fotowoltaicznych w obudowie (zamiast kręcić całym ustrojstwem). Rozumiem, że drogie może być coś takiego:

 

Jeszcze bardziej poważnie: może kogoś zastanowiło to, co mnie (w tym celu proszę uważnie obejrzeć animację pod artykułem)?

Weźmy nieruchome płaskie ogniwo o powierzchni S. Jeśli promyczki padają prostopadle, to uzyskiwana energia jest proporcjonalna do S. Jeśli kąt padania wynosi a, to E jest proporcjonalne do S*cos(a) (pomijamy oczywiście atmosferę i takie tam ). Jak wiadomo, kirigami deformuje powierzchnię całkowitą, ale jej nie zwiększa. Gdy pociągniemy za sznureczki to część powierzchni będzie bardziej prostopadła do padającej wiązki, część jednak nie (ba! część znajdzie się w cieniu!). Może ktoś przekona niedowiarków, że w tej sytuacji jest lepiej niż S*cos(a)…

Edycja: Oczywiście czuję, że dla małych kątów może być to nieco lepiej niż S*cos(a), ale zdecydowanie będzie to gorzej niż S (obrót).

Edycja jeszcze raz: pomyślałem sobie właśnie, że problem da się całkiem ładnie opisać analitycznie (przy pomijalnych w kontekście rzeczywistości uproszczeniach) bez jakichś skomplikowanych kombajnów do ray tracingu. Jeśli ktoś ma czas, to może warto to rozwinąć w "matematycznych zagadkach".

Dane i założenia wejściowe:

 – rozmiar X na Y (S=X*Y);

 – "poziomy" wymiar X dzielony jest na N pasków;

 – pasek po wygięciu jest jedną pełną sinusoidką;

 – w pełni oświetlony (brak cienia) jest tylko pierwszy pasek (licząc od Słońca ); proponuję to pominąć.

Podstawowe kwestie do przejścia to:

 – zależność amplitudy sinusoidki od kąta padania; raczej banalne ;

 – widoczna efektywnie powierzchnia sinusoidalnej wstążki; zdecydowanie banalne – wstążka raczej jest nierozciągliwa, więc jej długość to ciągle Y ;

 – na razie dla mnie mniej banalne policzenie części powierzchni zaćmionej przez wcześniejszy pasek. (Edycja: no właśnie już nie ).

Edytowane 13 września 2015 przez Astro

[glaude 40]

Z matymatyki jestem słaby, ale na logikę to "cięte origami" jest lipne. Wydajniej, według mnie, zadziałałaby bateria słonaczne a'la harmonijka z kartki. Jedne paski byłyby ustawione pod kątem (prawie) prostym do słońca- a drugie ("płaskie") pod rozwartym. W trakcie dnia system na obu końcach przemieszczłby się w górę lub dół bez cienia na listwach baterii.

[Jajcenty 314]

A ja myślę, że rozwiązania pasywne są dużo lepsze od aktywnego nadążania za Słońcem. Zamiast ponosić koszty mechaniki (również utrzymania i remontów), należy zwiększyć powierzchnię, nakleić to na walec (lub inną, lepszą hiper/para krzywiznę) wystawić do światła i więcej się tym nie zajmować. Wystarczy raz na kwartał wytrzeć z kurzu. Tak, 1/3 powierzchni będzie stale słabo doświetlona. I co z tego? Można zrobić wyższy walec

[Gość Astro]

Zgadzam się, pasywne są najlepsze, ale podejrzewam, że na Ziemi to jednak połowa cylindra w ogóle nie będzie oświetlona (by nie bawić się w słabe doświetlenie – w cieniu to fotowoltaika chyba tak sobie…). Z wrodzonej oszczędności z jednego walca zrobiłbym dwie połówki, które dawałyby trochę więcej.

 

Nad najlepszym system pasywnym pracują od lat Japończycy. Wystarczy taki talerz wysłać na orbitę, ustawić go prostopadle do Słońca, rozkręcić (coby ten "momęt pendu siem czymał") i zapominamy o wszystkim, a cała stała słoneczna nasza (nie licząc sprawności ogniw).

[Arlic 4]

A ja myślę, że rozwiązania pasywne są dużo lepsze od aktywnego nadążania za Słońcem. Zamiast ponosić koszty mechaniki (również utrzymania i remontów), należy zwiększyć powierzchnię, nakleić to na walec (lub inną, lepszą hiper/para krzywiznę) wystawić do światła i więcej się tym nie zajmować. Wystarczy raz na kwartał wytrzeć z kurzu. Tak, 1/3 powierzchni będzie stale słabo doświetlona. I co z tego? Można zrobić wyższy walec

 

Nie trzeba myć, są materiały samomyjące się pod wpływem UV, którego nie brak w słońcu. Materiały te są używane w panelach jak i szybach w niektórych budynkach.