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剪纸艺术启发新型轻便太阳能电池设计灵感

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密歇根大学的研究人员将日本剪纸艺术应用到太阳能电池板的设计中,让后者能够追踪阳光。一块扁平的太阳能板在拉伸后,能变成波浪状的相连带状物。太阳能电池的弯曲角度取决于拉伸的力度。这是一种追踪阳光的简便方法。图片来源:Aaron Lamoureux   密歇根大学的研究人员将日本剪纸艺术应用到太阳能电池板的设计中,让后者能够追踪阳光。一块扁平的太阳能板在拉伸后,能变成波浪状的相连带状物。太阳能电池的弯曲角度取决于拉伸的力度。这是一种追踪阳光的简便方法。图片来源:Aaron Lamoureux 如果太阳能电池能绕着太阳转,那么它们就能多收集40%的能源。但是传统的机动追踪装置比较笨重,不适宜放在斜尖屋顶,或者汽车上。

根据美国能源部的一项报告,美国民用屋顶太阳能电池板占所有太阳能板安装量的85%。但如果要安装传统型的太阳能电池板,那么就必须要在屋顶上大费周章以支撑其电池板厚重的压力。

现在,来自日本的古老剪纸艺术为美国密歇根大学的科研人员带来了灵感。他们发明出了一种能够能追踪阳光又能放置屋顶或汽车上的太阳能电池。这种太阳能电池板是由一排排小太阳能板构成的。每个小太阳能板都能够随着阳光变形并改变朝向,做到尽量让表面垂直于阳光。

该设计的文章发表于《《自然-通讯》 (Nature Communications)。 第一作者,来自材料科学与工程学院的博士生Aaron Lamoureux说道:"我们的设计能做到像普通太阳能电池那样追踪阳光,并且我们的太阳能电池板非常扁平。"

材料科学与工程学院的副教授Max Shtein这样评价这种太阳能电池板的:"从一个安装这种太阳能电池板的人的角度看,我们的设计之美学在于不需要对屋顶进行改造。真正被改造的地方是太阳能电池板内部的微结构——整块太阳能板切分成许多小块, 而每片小太阳能板都能够同时跟踪阳光。"

当太阳能板相对阳光呈某个角度时,它吸收阳光的面积就小了。 通过让太阳能板表面弯曲并分散开来的方式,当阳光斜照时,太阳能板整体的吸收率就能有效的提高。

为了测试这种想法是否可行,工程师们与剪纸艺术家,设计学院讲师Matthew Shlian合作。Shlian向Lamoureux和Shtein展示了如何用绘图切割机制作出图中的那种造型。Lamoureux接着用二氧化碳激光器在航天材料聚酰亚胺上切割出了更精细的图样。

虽然这个团队尝试过一些更加复杂的设计,但是他们发现最简单的图样反而效果最好。上面被划上一道一道横条的聚酰亚胺材料能够被拉成一张"网"。而这些互相连结的聚酰亚胺"带"能够随着"网"的拉伸情况进行相应的弯曲,以便与阳光达到最佳的交叉角度。

电气工程学院的博士生Kyusang Lee与Lamoureux合作制造专为这种图样定制的太阳能板。他们将太阳能板粘到未切割的聚酰亚胺材料上,太阳能板之间预留出切割的空间。接着,Lamoureux就用激光器切割出上述的图样。

带有最佳图样设计的太阳能板无法在密歇根大学制造,因为那样的太阳能板又细又长,无法嵌入校园内的太阳能原型机。因此研究人员又考虑了别的方案。

优化后的设计更容易地伸展,让小太阳能板能够过度扭曲而保持相应宽度。 根据他们夏至时在亚利桑那州进行的太阳能发电模拟试验,优化后的设计与传统的单轴追踪型太阳能板效率相当,比固定型的太阳能板高出36%。Shtein教授说,相同条件下,传统的单轴追踪型太阳能板比固定型的效率高40%,然而前者比后者重10倍之多。"我们认为新设计的潜力巨大,我们正在将它投入实际的应用中去。它最终能降低太阳能的成本。"