Aštuntąjį mokslo populiarinimo konkurso darbą gavome iš VU Fizikos fakulteto I kurso studento Džiugo Litvino. Jis rašo apie Saulės energijos inovacijas. Skaitykite tekstą žemiau, o tada pagalvokite, gal patys norite sudalyvauti? Laiko tam dar yra.

Saulės energijos inovacijos: nuo stogų čerpių-baterijų iki „kirigami“ kosmose

Džiugas Litvinas

Pastaruoju metu pasaulyje vis stiprėjantys klimato kaitos atgarsiai ragina žmoniją imtis veiksmų ją mažinti. Pasiekėme tašką, kad 2015 metų pabaigoje Paryžiuje vykusioje Jungtinių Tautų klimato kaitos konferencijoje didžiausios pasaulio šalys užsibrėžė tikslą neleisti globaliai temperatūrai pakilti labiau nei 1,5 C ^o. Tai iš esmės būtų daroma mažinant išmetamų į atmosferą teršalų kiekį. [1]

Didžiausią neigiamą poveikį turi per didelė anglies dioksido CO₂ dujų koncentracija. O jas išmeta kiekvienas gyvas organizmas, bet kuri transporto priemonė su vidaus degimo varikliu, pramonė, žemės ūkis, tačiau daugiausia – šiluminės jėgainės, deginančios iškastinį kurą. [2] Matyt, logiška pašalinti patį didžiausią veiksnį ir vystyti tik gamtos neteršiančias energijos rūšis.

Jei jau prabilome apie atsinaujinančią energetiką, norėčiau išskirti vieną jos šaką: Saulės energiją. Per parą visas Žemės paviršius gauna tokį energijos kiekį iš Saulės spindulių, kiek sueikvoja visa žmonija per metus! Ši energijos rūšis sėkmingai plėtojama atogrąžų, pusiaujo regionuose, kur didžiąją metų dalį giedra, nors elektra panaudojant Saulę gaminama ir arčiau ašigalių. (Paveikslėlis 1) Šiuo metu labiausiai paplitę fotovoltiniai saulės elementai (juos paveikus šviesa, sukuriama elektros srovė elemento viduje) ir parabolinės formos veidrodžiai, sutelkiantys spindulius į vieną objektą, tarkime, garo variklio vandens talpyklą, kurioje vanduo sušilęs užverda ir sukdamas turbiną gamina elektrą.

Vis dėlto, saulės energetikai diegti nebūtina stambių plotų dykumose. Keletą saulės elementų savo kieme gali įsirengti bet kuris žmogus. Dar geriau, jei padengtume visus stogus saulės baterijomis, kaip siūlo kompanija „Tesla“ siūlydama čerpes-baterijas. [3] Jei jau taip, tai kodėl gi neišgrindus gatvės saulės elementų trinkelėmis? Tą, jūsų žiniai, 2016 metų pabaigoje padarė vienas Normandijos miestelis Tourouvre-au-Perche 1 km kelio atkarpai. (Paveikslėlis 2) Bendras jo plotas lygus apie 2600 m², o pagaminamos elektros turėtų pakakti viso 3400 gyventojų miestelio apšvietimui. [4] Regis, ribų vaizduotei tikrai nėra.

Turbūt visi žinome, jog Saulei kasdien judant dangaus skliautu, jos spindulių užklupti daiktai meta skirtingo ilgio šešėlius, taigi kinta spindulių kritimo kampas į Žemės paviršių. Saulės šviesos energiją naudojančios saulės baterijos pagamina daugiausiai elektros, kada spinduliai į juos krenta statmenai. Tai paaiškina vienas iš fotometrijos – optikos šakos, nagrinėjančios šviesos energijos matavimo būdus – dėsnis: paviršiaus apšvieta L lygi šviesos srauto Φ santykiui su paviršiaus plotu S, padaugintam iš srauto kritimo į paviršių kampo φ kosinuso, arba

Turint šį dėsnį omenyje, norėtųsi, kad, pavyzdžiui, ant namo stogo užkelti saulės elementai visada gautų kuo statmeniau į juos krentančius Saulės spindulius, nes tada θ = 0 ir cos θ įgyja didžiausią savo reikšmę – vienetą. Geriausia tą pasiekti sekant artimiausios mums žvaigždės judėjimą horizontu visą dieną. Tam įvairūs Saulės elektrinių parkai naudoja užprogramuojamus motorus, kurie ištisą parą laiko milžiniškas lėkštes atsuktas statmenai šviesos spindulių sklidimo krypčiai. Bandymais nustatyta, kad tokios jėgainės pagamina nuo 20 iki 40% daugiau energijos. Tačiau čia iškyla tam tikra problemėlė: sekimo mechanizmai yra itin sunkūs, stambūs, dreba esant didesniam vėjui, be to, greitai neatperka savo pačių kainos. Tad jų negalima įtaisyti ant namų stogų ar prie zondų, skraidinamų į kosmosą. Pastariesiems kiekvienas papildomas gramas ir milimetras sparčiai didina paleidimo sąnaudas. Tad kaip išspręsti šią bėdą?

Pasirodo, tam yra atrastas iš pirmo žvilgsnio nesusijęs būdas: kirigami. Šis japoniškas popieriaus lankstymo bei karpymo menas, siekiant išgauti įvairias erdvines formas, pasitelkiamas kuriant lengvai sulankstomų ir ištempiamų saulės elementų dizainą.

Pažvelgus į tradicinius origami lankstinius, juos retai kada suglamžytume, jei mėgintume įdėti tarp knygos puslapių, o pačią knygą užversti. Kitaip tariant, origami galima „suploti“. Be šios, lankstiniai turi daugiau matematinių savybių, pavyzdžiui, Maekawa teorema: kiekvienoje plokštumos lankstinio viršūnėje iškilių (kalnų) bei įdubusių (slėnių) lenkimo linijų skaičiai skiriasi per 2. Tad viršūnėje, kur susikerta kelios lenkimo linijos, galėtų būti 3 kalnai ir 1 slėnis, bet ne 2 slėniai ir 2 kalnai. Ypač naudingas buvo japonų astrofiziko Koryo Miura sukurtas žemėlapio lankstinys: Miura-ori (Paveikslėlis 3). Jo specialus lygiagretainių raštas leidžia vienu judesiu išilgai lapo įstrižainės lengvai sulankstyti arba vėl išskleisti visą žemėlapį. Profesoriui Miura rūpėjo sukurti tokį prie palydovų tvirtinamų saulės baterijų dizainą, kad jas būtų nesudėtinga išskleisti kosmose su paprasčiausiu sustumiamu strypu, be jokios žmonių pagalbos. [5]

Brigham Young universiteto studentai kartu su NASA bei įmone Lang Origami sukūrė kiek kitokį dizainą kosminių zondų „sparnams“ (Paveikslėlis 4).

Gana neseniai – 2015 metais – grupė JAV įsikūrusio Mičigano universiteto inžinierių atliko išsamius tyrimus su plonais juostiniais kirigami formos saulės elementais, tikrinant šviesos spindulių sekimo našumą. Fotovoltiniams elementams naudotas kristalinės struktūros galio arsenidas (GaAs). Komandai pavyko sutelkti sekimą iki ±1^o ribų! Bandymų sistema taip pat išliko neyranti net ir po 300 ciklų. [6]

Taigi, šiandien esantį klimato kaitos iššūkį dera spręsti pakeičiant aplinką nuodijančias šilumines jėgaines švaria Saulės energija. Tuo labiau dėl to, kad šioje srityje tiek pažengta žmonių sumanumo dėka. Turbūt ateityje įvairių šalių mokslininkai dar labiau patobulins jau esančias technologijas.

Šaltiniai

1. Jungtinės Tautos, „JT klimato kaitos konferencija Paryžiuje, 2015 11 30 – 12 12,“ įtraukta Tarptautinis aukščiausiojo lygio susitikimas, Paris, 2015.
2. United States Environmental Protection Agency, „Global Greenhouse Gas Emissions Data,“ United States Environmental Protection Agency, 9 August 2016. [Tinkle]. Available: https://www.epa.gov/ghgemissions/global-greenhouse-gas-emissions-data. [Kreiptasi 25 December 2016].
3. „Tesla,“ Tesla Motors, 2016. [Tinkle]. Available: https://www.tesla.com/solar. [Kreiptasi 23 December 2016].
4. K. Willsher, „World’s first solar panel road opens in Normandy village,“ The Guardian, 22 December 2016.
5. T. Hull, „The Conversation,“ The Conversation UK, 06 January 2015. [Tinkle]. Available: http://theconversation.com/origami-mathematics-in-creasing-33968. [Kreiptasi 23 December 2016].
6. K. L. M. S. S. R. F. M. S. Aaron Lamoureux, „Dynamic kirigami structures for integrated solar tracking,“ Nature Communications, nr. 6, 8 September. 2015.