【尖端科技】藝術與科技的結合:仿紙雕的太陽能電池

■太陽能板為了希望取得最好的效率,總希望太陽光能垂直照射,也因此常在板底下裝設追蹤裝置,讓太陽能板能跟向日葵一樣隨時朝向太陽,但密西根大學藝術與設計學院竟然想出一個與眾不同的點子。

(圖片出處:DOI: 10.1038/ncomms9092)
(圖片出處:DOI: 10.1038/ncomms9092)

撰文|方程毅

一般來說太陽能板能夠產生最大效率都是在光線垂直照射的情形下,但太陽光從早到晚、一年四季的照射角度不同,如果太陽能板都固定不動,發電效率就會大打折扣,也因此許多太陽能板會在基座裝設機械式追蹤裝置,讓太陽能板可以隨著照射角度不同而傾斜,這種裝置可以提升40%發電效率。但是這樣的追蹤裝置卻提高了發電成本,若不在一整片空曠的地方大量鋪設,事實上是不符成本的,尤其在美國有85%太陽能板是裝設在建築物的屋頂上,要在建築物屋頂上加裝這種裝置讓本來就已經需要補貼才符合成本的太陽能電池更沒有經濟誘因。

密西根大學材料系及電機系便與一位藝術與設計學院的藝術家兼講師Matthew Shlian合作,設計出一種與紙雕類似的太陽能電池結構,讓太陽能電池能隨時面向太陽而有極佳的發電效率。這種剪紙藝術稱為kirigami,簡單來說是將一張紙摺疊後切割或剪裁,最後展開成不同的圖案。這項研究採用是最簡單的結構(如圖所示),也就是在太陽能電池上割開若干切口,然後兩邊同時拉伸就可以讓受光面傾斜不同角度,藉由控制拉伸力量就可以控制形變量及受光的角度。這個研究所使用的元件是聚醯亞胺(Kapton)為基材的砷化鎵(GaAs)薄膜太陽能電池,好處就是可以忍受一定程度的形變,若是太陽能電池彈性不佳可能一拉就斷,便無法像紙雕一樣被拉伸。這個極具創意的研究被發表在2015年《自然‧通訊》(Nature Communications)期刊上。

仿紙雕形狀太陽能電池示意圖 (圖片出處:DOI: 10.1038/ncomms9092)
仿紙雕形狀太陽能電池示意圖 (圖片出處:DOI: 10.1038/ncomms9092)

紙雕形狀的太陽能電池因為可以適時調整面光角度,因此發光效率優於固定在原地無法調整角度的太陽能板,但仍舊比直接利用機械基座調整角度的太陽能板差。根據計算,利用機械基座的發光效率比固定式多40%,而紙雕式也不遑多讓,可以達到36%的增益。雖然效率略輸給機械基座,但裝設的成本比機械基座低的多,因此還是很有發展性,不僅如此,紙雕結構在太陽低角度照射的時候更具優勢,因為若是一整面太陽能板要讓早上6點的太陽垂直入射,就必須讓整面太陽能板立起來幾乎垂直於地面,所以整個基座也必須要架高,但是紙雕結構卻可以親易地藉由拉伸讓表面接近垂直,而且因為每一片太陽能電池都被割成一小區一小區,因此也不用刻意架高,裝在屋頂上也美觀許多。除了裝設方便之外,紙雕因為拉伸扭曲的角度並沒有牽扯到太複雜的運算,簡單利用幾個數學式就可以算出,控制紙雕太陽能電池形變的就只有兩邊拉伸的力量而已,結構設計上也不會很複雜。研究進行的過程中,他們嘗試過不同的紙雕結構,但最後發現最簡單的切割反而效率是最好的。

執行研究計畫的Max Shtein教授表示:「我們認為這具有極大的潛力,同時我們也積極追求實際性的運用。」「這個結構未來可以顯著減少太陽能電池的成本。」

在一篇科學或工程類的研究論文中看到藝術背景的人參與是一件非常稀有的事。這種紙雕結構純工程背景的研究人員可能一輩子都想不出來,事實上這篇研究論文既沒有提出什麼複雜的新觀念、數學計算也相對簡單、製程技術也不是高難度,能夠登上這麼頂尖的研究期刊無非就是因為點子新穎。因此當我們在思考如何解決問題的時候,不妨 thinking out of the box,嘗試跨領域的合作,或許會有許多意想不到的收穫喔!

原始論文與圖片出處:Lamoureux, Aaron, Kyusang Lee, Matthew Shlian, Stephen R. Forrest, and Max Shtein. "Dynamic kirigami structures for integrated solar tracking." Nature communications 6 (2015).

 參考資料:

  1. Inspired by art, lightweight solar cells track the sun
  2. University of Michigan. "Inspired by art, lightweight solar cells track the sun." ScienceDaily.  (accessed September 15, 2015).

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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