Ingenieure, die versuchen, Sonnenenergie für den Durchschnittsnutzer erschwinglicher zu machen, hatten lange Zeit ein Rätsel. Sonnenkollektoren nehmen viel mehr Energie auf, wenn sie sich verschieben können, um der Bewegung der Sonne über den Himmel zu folgen. Die zum Bewegen der Paneele erforderlichen Vorrichtungen sind jedoch teuer und im Allgemeinen zu schwer, um sie auf geneigten Dächern zu verwenden.
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Forscher der University of Michigan haben sich jetzt Kirigami, die japanische Kunst des Papierschneidens, geliehen, um eine neue Art von Tracking-Panel herzustellen. Flache Kunststoffplatten aus Solarzellen werden mit einem Laser mit kleinen Schnitten geritzt. Beim Ziehen drehen sich die Blätter in drei Dimensionen auf und bieten erhöhte Oberflächen in Richtung der Sonne.
„Hier haben wir ein Substrat, das wirklich dünn ist. Es ist leicht und muss nicht mit großen Stützen oder Maschinen gekippt werden “, sagt Max Shtein, Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der Universität. "Alles was du tun musst, ist es irgendwie zu dehnen."
Die Kirigami-Solarzellen sind das Ergebnis einer Zusammenarbeit zwischen Shteins Team und dem Papierkünstler Matthew Shlian. Shlian, der für seine futuristisch anmutenden Skulpturen aus geometrisch gefaltetem, gefaltetem und in Scheiben geschnittenem Papier bekannt ist, war vor einigen Jahren in Shteins Labor eingetroffen und hatte nach Wissenschaftlern gesucht, mit denen er arbeiten konnte. Er und Shtein verstanden sich sofort. Sie trafen sich regelmäßig und versuchten herauszufinden, wie Shlians Fachwissen bei der Manipulation flacher Oberflächen in einem von Shteins Projekten genutzt werden könnte. Dann, eines Tages, zeigte Shlian Shtein ein Formular, mit dem er gearbeitet hatte, wo ein Papier mit kleinen Schlitzen geschnitten ist. Als Shtein an den Enden zog, dehnte es sich zu einem dreidimensionalen Netz aus.
"Ich dachte, ah ha, Bingo!", Erinnert sich Shtein. Dies wäre perfekt für ein Solarpanel.
Das Team führte eine Simulation mit den Kirigami-Panels durch, die auf den Bedingungen während der Sommersonnenwende in Arizona basierte. Die Simulation ergab, dass das Kirigami-Panel fast genauso gut funktioniert wie ein herkömmliches mechanisch angetriebenes Tracking-Solarpanel und 36 Prozent effizienter als ein stationäres Panel ist. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht .
Die Kirigami-Tafeln sind Jahre von der Nutzung durch die Verbraucher entfernt - Shtein hofft, mehr Mittel für die Förderung des Projekts zu erhalten. Möglicherweise sind sie jedoch billiger als herkömmliche Paneele. Während die Kosten für Solarmodule im Laufe der Jahre drastisch gesunken sind (laut einem Bericht der International Renewable Energy Agency um 75 Prozent seit 2009), sind die Installationskosten weiterhin hartnäckig hoch. Die Kirigami-Platten wären wahrscheinlich einfacher zu installieren und erfordern weniger schweres Gerät.
Das Projekt befindet sich noch in der Konzeptphase; Das Team hat noch keinen funktionierenden Prototyp des Panels erstellt. Weitere Tests werden erforderlich sein, um festzustellen, ob die dünnen, flexiblen Solarbleche langlebig genug sind, um über einen Zeitraum von Jahren täglich in neue Positionen gezogen zu werden. Wenn das Team eine Platte bauen will, die 25 Jahre halten kann, müssen die Bleche nach Schätzung von Shtein etwa 25.000 Bewegungen aushalten.
"Kann es das tun?", Fragt Shtein. "Wir haben es nicht so oft getestet."
Es ist auch noch nicht klar, welcher Mechanismus zum Dehnen der Panels verwendet wird, obwohl er wahrscheinlich viel leichter als herkömmliche Tracker ist.
Das gleiche Kirigami-Muster, das auf den Sonnenkollektoren verwendet wird, könnte weit über die Solarenergie hinaus Anwendung finden, sagt Shtein. Es ist möglich, dass das Muster in Kameras und in der Luft- und Raumfahrtindustrie sowie in der Automobilindustrie nützlich sein könnte, obwohl Shtein sagt, dass es ihm nicht erlaubt ist, viele Details anzugeben.
Origami, Kirigamis bekanntester Cousin, wurde für viele wissenschaftliche und technische Anwendungen eingesetzt, von Herzstents über Luft- und Raumfahrtspiegel bis hin zu Auto-Airbags. Kirigami selbst wurde kürzlich von Cornell-Forschern verwendet, um winzige, biegbare Transistoren herzustellen. Aus Graphen (ein Atom dicke Kohlenstoffschichten) geschnitten, könnten die Transistoren zur Herstellung von Nanomaschinen für eine beliebige Anzahl von Zwecken verwendet werden.
