美國康奈爾大學(xué)HelioSkin：可追蹤光線的仿生定制太陽能電池板
太陽能已被證明是一種可靠的可再生能源。大型太陽能電池板，無論是安裝在屋頂還是田野中，都能夠捕獲太陽的重要光線，并將它們轉(zhuǎn)化為電能。這種現(xiàn)象如今并不罕見。然而，有一些人認(rèn)為傳統(tǒng)的太陽能板難看不愿意使用。為了克服這一挑戰(zhàn)，科學(xué)家正在尋找辦法。
△3D打印仿生太陽能電池板原型效果圖
美國康奈爾大學(xué)的研究人員正在利用3D打印開發(fā)HelioSkin，這是一種可貼合的仿生光伏技術(shù)，可以包裹在各種結(jié)構(gòu)和形狀上。
HelioSkin項目背后的團(tuán)隊匯聚了來自多個學(xué)科的研究人員，包括項目負(fù)責(zé)人Jenny Sabin（建筑、藝術(shù)與規(guī)劃學(xué)院的建筑學(xué)教授）、Itai Cohen（藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院的物理學(xué)教授）以及 Adrienne Roeder（綜合植物科學(xué)學(xué)院的植物生物學(xué)系教授）。這個項目的最終目標(biāo)是開發(fā)出更具視覺吸引力，且易于集成的太陽能電池板，這些電池板采用仿生設(shè)計，能夠真正地跟蹤太陽的運動。
Sabin表示：“自然并不追求效率，它更注重彈性。生物學(xué)是長期的過程，時間跨度更大。此外，研究表明，能夠追蹤太陽的植物在光合作用方面具有優(yōu)勢。我們認(rèn)為，這是一種非常有效的思考建筑可持續(xù)性和彈性的方法。”
△從左至右：建筑學(xué)教授Jenny Sabin；研究助理Jeeya Savani；博士后研究員Avilash Singh Yadav；物理學(xué)教授Itai Cohen
可追蹤光線的仿生太陽能電池板項目開發(fā)階段
盡管HelioSkin的長期愿景是利用卷對卷打印技術(shù)，按公里打印出類似折紙的柔性光伏板，并將它包裹在建筑物上，以減少建筑業(yè)對生態(tài)環(huán)境的影響，但在當(dāng)前的開發(fā)階段，團(tuán)隊正專注于較小規(guī)模的項目。他們利用計算設(shè)計和3D打印等數(shù)字制造工藝來創(chuàng)建定制的過濾器和光伏板組件。
Cohen解釋說“我們的基本理念是嘗試以較低成本進(jìn)行2D打印，然后將它變形為三維形狀，使它能夠彎曲并適應(yīng)結(jié)構(gòu)。因為，你不能簡單地用一張普通紙張來包裹物體。它會產(chǎn)生各種褶皺。例如，如果你試圖用紙包裹一個橙子，就會出現(xiàn)很多褶皺。我們創(chuàng)新的方法之一是將紙切割成面板和鉸鏈的圖案，這樣它就能局部拉伸以適應(yīng)這些圓形物體。我們采用的第二種策略是使用織物來制作鉸鏈?？椢镒銐蛉彳洠梢詫崿F(xiàn)類似鉸鏈的彎曲效果。”
△研究人員正在采用3D打印開發(fā)HelioSkin示意圖
目前，該團(tuán)隊正在啟動一項為期三年的試點項目，旨在開發(fā)用于后院的小型太陽能天篷HelioSkin。這一項目得到了美國國家科學(xué)基金會的融合加速器計劃的支持，并計劃在第二年完成全尺寸原型的開發(fā)。隨著試點項目的推進(jìn)，研究小組希望在項目結(jié)束時能夠進(jìn)入太陽能電池板天篷商業(yè)化的早期階段，為戶外電器和照明設(shè)備提供電力。
Roeder補(bǔ)充道：“HelioSkin體現(xiàn)了我們?nèi)绾问固柲芨游?，讓人們真正意識到它的實用性和趣味性。我們的目標(biāo)是使它能夠變形并跟蹤光線，從小型應(yīng)用擴(kuò)展到建筑規(guī)模。”
目前尚不明確增材制造技術(shù)將如何融入最終產(chǎn)品，但可以確定的是，它已經(jīng)在開發(fā)可變形和柔性材料的過程中扮演了關(guān)鍵角色。這些材料集成了光伏特性，并能夠跟蹤光線以實現(xiàn)最佳效率。