태양에 집중하기

Oct 21, 2023

에드 브라운

Nina Vaidya 교수는 특정 발전량에 필요한 광전지 재료의 양을 줄이기 위해 모든 각도에서 태양을 광전지에 수동적으로 집중시킬 수 있는 새로운 종류의 집광기인 Axially Graded Index Lens(AGILE)를 개발했습니다.

기술 개요:가장 먼저 내 관심을 끌었던 것은 어렸을 때 아버지와 함께 공원에서 나뭇잎을 태우는 돋보기를 보던 어린 시절의 추억이었는데, 정말 재미있었다.

니나 바이디야 교수: 우리 작업에 대한 스탠포드 뉴스 기사의 작가인 Laura Castañón은 우리 프로젝트를 전달하는 방법을 제안했습니다. 과학자로서 우리는 대중에게 다가갈 수 있는 방식으로 아이디어를 표현하는 것을 목표로 합니다. 하루 종일 실험실이나 다른 엔지니어 및 과학자와의 회의에서 우리는 특정한 방식으로 이야기하고 주제별 전문 용어를 사용합니다. Stanford 뉴스 기사는 최근 원고를 보고하면서 AGILE(Axially Graded Index Lens) 기술과 그 영향을 설명하는 데 도움이 되었습니다.

기술 개요:이 프로젝트를 하게 된 계기는 무엇인가요?

바이디아: 그건 좋은 질문이야. 처음 일을 시작했을 때, 특히 청정 에너지와 지속 가능성 분야의 과학 연구로 돌아가고 싶었기 때문에 유럽에서 비즈니스 컨설팅 업무를 하다 박사 학위를 받기 위해 스탠포드로 옮겼습니다. 스탠포드에서의 첫 학기에 Olav Solgaard 교수의 '마이크로 및 나노 광학 장치 설계' 수업이 또렷이 기억납니다. 그는 우리에게 광학, 포토닉스, MEMS(MicroElectroMechanical Systems)와 관련된 새로운 아이디어에 대한 개별 보고서를 작성해 달라고 요청했습니다.

Olav는 어느 시점에서 모든 각도에서 모든 빛을 받아 광원 쪽으로 이동하지 않고 동일한 지점에 초점을 맞출 수 있는 광학 장치를 설계하는 것이 가능한지 물었고 그는 경사 지수 광학에 대해 언급했습니다.

그래서 생각이 들었습니다. 그래서 더 많은 논의와 시뮬레이션을 거쳐 디자인을 생각해 냈습니다. 그 개별 프로젝트 보고서는 Olav를 박사 고문으로 삼아 나의 박사 프로젝트가 되었습니다. 그런 다음 두 개의 특허, 프로토타입 및 두 개의 후속 논문이 나왔습니다.

기술 개요:그 질문을 던지는 것은 단지 그의 이론적인 생각이었을까요?

바이디아: 그렇습니다. 우리는 소스를 추적할 필요가 없는 이상적인 집광 장치를 설계하려는 불가능한 이론적 꿈에서 시작했습니다. 그런 다음 우리 아이디어의 타당성 조사와 문헌 검색, 시뮬레이션, 이론 및 설계 최적화와의 비교 작업을 수행했습니다. 실제 재료를 사용하여 이 아이디어를 실제 장치로 만드는 것은 불가능하다고 말하는 사람들이 있었습니다. 하지만 저는 가능하다고 생각했습니다. Olav는 나에게 다양한 광학 재료, 새로운 제조 기술을 연구하고 이 미지의 공간을 탐험하기 위한 장비를 구축할 수 있는 연구 자유와 격려를 주었습니다.

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시행착오를 거치며 많은 이론가와 실험가, 광학 재료, 렌즈를 판매하는 회사, 다양한 태양광 회사와 대화를 나눴습니다. 나는 이론적인 경사 지수와 일치하도록 폴리머, 나노 입자, 나노 다공성 등을 사용하여 실험실에서 일부 재료를 만들려고 노력했습니다. 마지막으로, 논문에서 설명한 대로 다양한 유형의 유리와 폴리머를 사용했습니다. 그 중 일부는 Ohara Glass Corporation에서 맞춤 제작한 것이며 일부는 Norland Products Inc.의 광학 등급 UV 경화성 폴리머입니다. 가장 중요한 점은 벌크 재료의 굴절률을 낮은 것에서 높은 것으로 등급화하고 싶었다는 것입니다. 그러나 필요한 굴절률 차이의 범위는 매우 큽니다.

유리 광섬유 케이블과 같은 것의 등급은 약 1.45에서 1.5까지이며, 이는 통신에는 잘 작동하지만 우리 응용 프로그램에는 거의 사용되지 않습니다. 제가 원했던 것은 공기의 굴절률(약 1.0)에서 약 3.5의 광전지 재료까지 가는 것이었습니다. 엄청난 양입니다. 뿐만 아니라 저는 햇빛의 전체 광대역 스펙트럼을 사용할 수 있기를 원했습니다. 이렇게 넓은 범위의 지수를 가지면서도 태양 스펙트럼 전반에 걸쳐 매우 투명하고 호환 가능한 열팽창 계수와 견고성을 갖춘 재료로 AGILE을 만들고 싶었습니다. 다양한 레이어가 함께 유지되어 등급화된 인덱스 모양을 만들 수 있습니다.