Что нужно для того, чтобы вдвое увеличить КПД солнечной батареи или концентратора, в 17 раз уменьшив общий вес конструкции? Оказывается, для этого потребуется самая малость – обратиться за советом к природе, которая, при соответствующем подходе, всегда готова ответить на любые наши вопросы. Что и сделали британские исследователи, обратившие внимание на некоторые особенности поведения бабочки из семейства Pieridae перед моментом взлета.

О том, как непритязательная бабочка помогла совершить подлинный энергетический прорыв в солнечной энергетике и какие планы у авторов изобретения на ближайшее будущее мы расскажем в нашей статье.

Эффективное использование фотоэлектрической энергии связано с развертыванием широких массивов солнечных панелей. Научные сотрудники университета Эксетера (Великобритания) – энтомолог Ричард Френч-Констант с группой коллег под руководством Тапаса Маллика задались закономерным вопросом: что нужно сделать для того, чтобы увеличить их эффективность не на 2–5%, а самым кардинальным образом, снизив при этом вес конструкции и расширив ее область применения.

Как оказалось, ответ на этот принципиальный вопрос лежал на поверхности, но, как говорится, ждал своего часа и помогла с его разрешением скромная бабочка, известная многим из нас как Белянка обыкновенная. Как заявил по результатам проведенных экспериментов Френч-Констант:

«Наше исследование показало, что непритязательная капустница-белянка является не просто вредителем, угрожающим урожаю, но и настоящим экспертом в области сбора солнечной энергии и использования ее для своих нужд».

Идея

Как известно бабочки, как и прочие насекомые не теплокровны. Соответственно, функционирование систем организма, отвечающих за движение – полет становятся возможным только после предварительного разогрева ответственных групп двигательных мускулов. Поскольку самый доступный в природе естественный источник тепла – солнечные лучи, то способы сбора солнечной энергии, жизненно важной для насекомого можно считать оптимальными.

Почему Pieridae?

Следующим логическим шагом стал поиск кандидата на роль лучшего “оптимизатора солнечной энергии”. Поскольку в группе ученых оказался профессиональный специалист энтомолог, зоной особого внимания стало царство бабочек. И здесь то и обнаружилась интереснейшая деталь: капустница обыкновенная из семейства Pieridae просыпается и появляется в свободном полете значительно раньше других, что особенно заметно в пасмурный день, когда Солнце скрывается за тучами. Возможно в тысячах подобных ситуаций этот факт можно было бы считать чистой случайностью, но только не в случае с группой Маллика – Френч-Константа. Так нужный объект для дальнейших исследований был идентифицирован, и со своим выбором, как показали результаты опытов ученые не ошиблись.

Оставалось главное: найти тот заветный ключик, который позволял Белянке обыкновенной трансформировать максимальное количество солнечной энергии, демонстрируя завидную активность в то время, как остальные представительницы рода спали глубоким сном. Группа физиков, руководимая Малликом высказала предположение, что ответ следует искать в крыльях бабочки, а точнее, в их строении и взаимном расположении.

Результаты

Результаты исследований позволили сделать вывод о том, что пара крыльев бабочки – это сложная взаимосвязанная система, выполняющая не только функцию поддержки возможности полета. Тонким слоем на их поверхности сосредоточены достаточно крупные (в сравнении с размером крыла) ячейки различного назначения и ориентации, наделяющие крыло определенными оптическими свойствами. Другим интересным наблюдением стал тот факт, что такие ячейки в отдельных местах могут располагаться в несколько слоев.

Одна из важнейших целей исследования — необходимость подтвердить предположение, что даже одиночный слой ячеек на поверхности крыла способен обеспечить светоотражающую способность, достаточную для выполнения своей функции. При этом крылья большой Белянки обязательно должны расположиться под таким углом, чтобы количество полезной отражаемой от них энергии необходимой для разогрева мышц бабочки, отвечающих за полет, было максимальным.

Прекрасно иллюстрирует ключевую идею эксперимента диаграмма термического анализа тела бабочки с полностью раскрытыми крыльями и крыльями, раскрытыми под оптимальным углом 17° через 10 и 35 секунд минут экспозиции. Снимки сделаны инфракрасной камерой.

График зависимости температуры от угла наклона крыльев относительно вертикальной оси при экспозиции 10 и 35 сек

Видно, что при угле наклона в 17° температура грудной клетки бабочки увеличилась на 7.3°С больше, нежели при раскрытии крыльев под развернутым углом при той же длительности эксперимента.

Экспериментально подтвердив вышеперечисленные предположения, ученые сумели не только доказать высочайшую эффективность природного механизма накопления полезной энергии, но и теоретически обосновать возможность создания концентраторов для солнечных батарей, способных отражать на фотоэлементы максимальное количество энергии светового потока. Это, в свою очередь, дает возможность преобразовывать и отдавать потребителю на 42,3% — 50% энергии больше, чем в существующих солнечных батареях аналогах. При этом вес полезной конструкции громоздкого концентратора уменьшается в 17 раз, что значительно расширяет возможности применения солнечной панели! Так в основу новой технологии лег принцип сбора полезной энергии, заложенный в крыльях “Большой белой” самой природой.

Результаты экспериментов подтвердили также и то, что достаточным для выполнения своей функции потенциалом располагает и один единственный слой ячеек, обладающих поистине уникальной отражающей способностью.

Альтернатива существующим концентраторам

Несмотря на очевидные достоинства и пользу, существующие концентраторы из линз и зеркал, захватывающих световой поток и перенаправляющих его на поверхность фотоэлектрических пластин продолжают оставаться громоздкими, тяжеловесными конструкциями, что существенно ограничивает их применение. Облегченный вариант конструкции концентратора из пластиковых зеркал со светоотражающей пленкой при нанесении на сложную поверхность часто теряет в отражательной способности. Определенные требования на форму конструкции накладывает и концентратор, изготовленный из полимера. В качестве альтернативы существующим решениям с перечисленными ограничениями группа ученых из Эксетера предложила облегченный вариант концентратора с ячеистым покрытием, аналогичным по своей структуре естественному отражающему слою крыла Белянки.

Максимальная отражающая способность создается не только благодаря оптимальному углу наклона крыльев, но и за счет нано-шариков – т. н. “птериновых бус”, распределенных по структуре крыла строго определенным образом. При их извлечении показатель отражения снижается на 1/3.

Большая белая бабочка, как прототип идеального солнечного концентратора

В эксперименте была использована инфракрасная камера. При угле наклона в 17° температура грудной клетки бабочки увеличилась на 7.3°С больше, нежели при раскрытии крыльев под углом в 90° к вертикали при той же длительности эксперимента.

Для того, чтобы определить, крылья каких бабочек смогут подойти в качестве возможного прототипа пленки для концентратора, Френч-Констант предложил отобрать три бабочки из семейства Pieridae. Максимальный коэффициент отражения был зафиксирован для передних крыльев Большой белой бабочки. При этом характеристики отраженного света оптимально сочетаются с особенностями кристаллической решетки кремния (на всем диапазоне 400–950 нм достигается отражающая способность более 78.9%).

В другом эксперименте крылья Большой белой бабочки были закреплены над фрагментом монокристаллического кремния размером 1см х 1см. Замеры показали, что выделяемая мощность при этом выросла на 42.3% с 16.8 до 23.9 мВт. При этом вес стандартной отражающей пленки, в сравнении с крыльями Большой белой оказался в соотношении 17:1.

Изменение напряжения (в mv) и показателя мощность/вес после “подключения” к схеме крыльев бабочки Большой Белой

Маллик и группа уверены: достигнутый уровень понимания принципов, заложенных в основе рассмотренного природного феномена позволит создать легчаюшую пленку — искусственный аналог крыла Большой Белой с еще более впечатляющими отражающими характеристиками.

Пожелаем им успехов и будем надеяться, что уже в скором времени доступной солнечной электроэнергии в наших домах будет хватать не только на то, чтобы зарядить гаджет, но и на то, чтобы обеспечить жизнедеятельность всей домашней инфраструктуры, а возможно, и поделиться с соседом.)