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折叠式太阳能面板无消耗展开

来源:环球科学

面向太阳展开。代表太阳能电池片的聚合体片从紧凑的折叠形态(小图)打开成其表面积10倍的平面盘。该过程是自主发生的,无需能源,只需要升高温度。(图片来源:T. Chen et al., Phys. Rev. Applied)(请观看下面的视频。)

 

一种玩具启发了太阳能电池片的新设计,这种电池可以在航空器上紧凑的折叠起来,并在需要时迅速展开。该结构可以在40秒内使其表面积增加10倍而不需要能源,相反,它利用了一种根据温度变化而形变的聚合体。这一概念也可以用于其他情况,如帐篷、屋顶、顶棚等类似会发生剧烈而快速的形状变化的片状结构。

从折叠成紧凑形状的折纸样式中展开的薄片和膜被称为可展开结构,它们在建筑、生产能源和机器人技术中有着各种潜在的应用。它们存在于自然界中,例如在折叠的昆虫翅膀,以及在叶芽中。人工可展开结构通常是由薄而灵活的板片制成,展开结构可以通过一个能将折叠薄板展开的机械框架来实现。

苏黎世联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology (ETH))的机械工程师Kristina Shea和帕萨迪纳加州理工学院(California Institute of Technology)的Chiara Daraio和他们的同事想要开发一种能够无需能源快速部署的可展开结构。Shea和团队成员中一位ETH研究生Tian Chen,之前通过加入一种形状记忆聚合物而构建的机械结构,能根据温度改变形状。低于一定的过渡温度,材料是刚性的,因此可以在加热时将其弯曲,然后通过冷却"锁定"特定结构。在较高的温度下,材料变软,并将恢复到初始状态。其他研究人员利用这些材料制作出能够根据温度变化自动折叠成盒子、金字塔和其他形状的薄片。

团队制造的设备有一个铰链连接而成的刚性框架。接头采用了工程师Chuck Hoberman设计的一种能够适应结构改变的机械设计。这个设计类似于作为玩具出售的一种霍伯曼球(Hoberman sphere),当关闭时组合成一个紧凑的球体,打开则形成更大的球壳。

然而,这种结构采用了圆形框架而非球形框架,其中包含圆盘状薄片。薄片的折叠原理与“闪光之物”(flasher)的折纸(小组中的一名成员曾运用过)相同,其中平行的折痕使薄片能够折叠成一个有点像玫瑰花瓣图案的紧凑螺旋形。研究人员通过计算优化折叠模式,使之最适合于20个Hoberman的铰链框架,从而实现能高效包装并快速展开的结构。

研究小组用形状记忆聚合物制作了铰链单元和薄片。他们在40°C(高于35°C的转变温度)下将薄板及其铰链框架折叠成紧凑状态,然后通过冷却至室温将其锁定。在40°C的水中加热结构,使其再次打开。这张完全打开的直径79厘米的面板来自一个直径最初只有25厘米的紧凑物体:表面积增加了10倍。并且其展开只用了40秒。Shea说,在太阳能电池应用中,可以在记忆聚合物片上涂光伏材料,这样形状记忆材料也可以设计成具有光伏特性。

Shea说:“在太空中使用时,如果使用形状记忆聚合物在太空相关的温度下进行转换,那么由于太阳辐射的吸收,升温就能触发系统展开。”她说,折叠系统可以一直保持在转换温度以下,直到宇宙飞船处于吸收太阳辐射使其升温的位置。

Shea说像这样的自主可展开结构还有很多其他的应用,例如:“把结构部署在严酷或遥远的环境中,或望远镜阵列中的镜子。”她说,在更小的尺度上,把折纸力学和活性材料结合,该技术可以用于人体内的靶向药物输送。

英国卡迪夫大学(Cardiff Universit)的工程师Massimiliano Gei说:“这项研究可能为航空航天工程的能量收集开辟新的途径。在航空航天工程中,轻量设备对于减轻重量至关重要。” 在科罗拉多大学波尔得分校(the University of Colorado in Boulde)从事太空可展开结构设计的Francisco Lopez Jimenez也认同,通过移除外部能源,这种设计能减少设备质量,以及降低在部署过程中元件失效的可能性。

这项研究发表在《物理评论运用》上。


翻译:王麟涛

审校:郝豪

作者:Philip Ball(一名伦敦自由科学撰稿人)

引入链接:https://physics.aps.org/articles/v12/75#

本文来自:环球科学
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