Созданы сферические солнечные элементы, которые отлично поглощают рассеянный солнечный свет и за счет своей формы вырабатывают на 15 – 100% больше электричества, чем обычные ориентированные на свет плоские PV-панели той же площади и из того же материала
Проблема обычных солнечных панелей, генерирующих электричество, заключается не только в физическом ограничении КПД разных материалов, из которых сделана их светопоглощающая поверхность. Чтобы максимально полно осуществлять фотоэлектрическое преобразование плоские панели должны быть строго перпендикулярны источнику света. Ясно, что движение Солнца ежеминутно изменяет это состояние – как в течение дня, так и на протяжении года. Чтобы преодолеть этот недостаток, плоские солнечные панели снабжают трекерами – устройствами слежения за движением солнца по небосводу. Это решает проблему лишь отчасти, так как при рассеянном свете (облачность, неожиданное затенение) эффективность даже панелей с трекерами все равно резко падает.
Другой способ повысить эффективность за счет уменьшения чувствительности к направленности на источник света – нанесение на поверхность панели микроканавок, т. е. создать на поверхности панели гофрированную поверхность размером в несколько нанометров, благодаря множественному отражению от боковой поверхности которых общая чувствительность к направленности на источник света несколько снижается и появляется возможность «захватывать» свет, отраженный с других направлений. По сути – это технология «микроконцентрации» света. Работы в этом направлении ведутся уже не один год. Однако помимо удорожания технологии PV-преобразования есть эксплуатационные трудности. Микроканавки охотно и плотно забиваются микрочастицами пыли, заливать их светопрозрачной смолой с другой оптической плотностью – тоже резко снижать общий КПД фотоэлектрического преобразования. Накрывать панели с нано-гофрой стеклом, пусть даже высокопрозрачным, – тоже не вариант, поскольку помимо неоправданного увеличения стоимости панелей наклонный свет будет отражаться от покровной поверхности не хуже, чем от непокрытой гладкой поверхности панели. Кроме того, «нано-гофра» все равно требует если не полной перпендикулярности, то хоть какой-то направленности в сторону источника света.
Рис. 1. Сферические микролинзы на поверхности PV-панели для концентрации прямого и поглощения рассеянного света
Чтобы преодолеть этот недостаток, также уже давно велись работы по созданию «насечки» на поверхности панелей в виде микроскопических сферических или полусферических выступов или впадин. Или другой способ – нанесение на поверхность панели слоя из сферических микролинз, рис. 1, имитирующих капли, что способствует как концентрации прямого, так и «захвату» бокового света. Но экономически выгодного и эксплуатационно надежного решения получить пока не удалось.
9 июня 2020 издание Spectrum опубликовало статью «Сферические солнечные элементы поглощают рассеянный солнечный свет», где сообщалось, что команда из Саудовской Аравии из Университета технологий имени короля Абдаллы (KAUST) создала сферический солнечный элемент довольно большого размера, активно поглощающий рассеянный солнечный свет, см. рис. 2. Это решение стало развитием их исследований микрогофрированных и микросферических технологий. Причем использовались обычные монокристаллические кремниевые солнечные элементы, на которые в настоящее время приходится почти 90% мирового производства солнечной энергии.
Рис. 2. Сферический солнечный элемент на основе монокристаллического кремния, разработанный с использованием гофрированной архитектуры. Фото: Назек Эль-Атаб / KAUST
Решение было подсказано самой природой. «Расположение и форма глаз домашней мухи увеличивают их угловое поле зрения так, что они могут видеть примерно 270 градусов вокруг них в горизонтальном поле», – поясняет Назек Эль-Атаб, исследователь и разработчик микросистем из KAUST. «Точно так же сферическая архитектура увеличивает «угловое поле зрения» солнечного элемента, что означает, что он может собирать солнечный свет с разных направлений». То есть, чтобы эффективно захватывать свет, не нужно создавать именно микроконструкции. Можно повторить выгодную «фасеточную» геометрию в намного большем масштабе.
Прототип сферического солнечного элемента, разработанный саудовскими исследователями, представляет собой шарик размером с мячик для настольного тенниса, покрытый пластинками из монокристаллического кремния. Выбор именно такого PV-материала оправдывался тем, что он сейчас имеет наибольшее применение в PV-отрасли. Лабораторные эксперименты с искусственным источником света уже показали, что «солнечная сфера» может выдавать на 15–100% большей выходной мощности по сравнению с плоским солнечным элементом с такой же общей площадью поверхности. Эффективность зависит от степени отражения света от поверхностей «фоновых» материалов и окружающих предметов, отражающих солнечный свет в область расположения солнечного преобразователя.
Так, испытания с направленным светом от лампы, имитирующей солнечное излучение, показали, что сферический солнечный элемент сразу обеспечивает выходную мощность на 24% больше, чем обычный плоский солнечный элемент с той же площадью поверхности. Еще больше это преимущество проявилось (+39 %) после того, как оба типа солнечных элементов начали нагреваться и отчего несколько снизилась энергоэффективность их фотоэлектрического преобразования – признак того, что сферическая форма может иметь некоторые преимущества в рассеивании избыточного тепла.
Сферический солнечный элемент также вырабатывал на 60% больше выходной мощности, чем его плоский аналог, когда под искусственной крышей оба они могли собирать только рассеянный свет, а не получать свет от прямого облучения. Исследования с разными фонами, отражение от которых помогало рассеянному свету попадать на сферический или плоский элемент, показали, что в некоторых случаях сферический солнечный элемент был по выходной мощности на 100% эффективнее плоского в совершенно одинаковых условиях общей освещенности.
Исследователи продолжат свою работу. Дальнейшие эксперименты будут направлены на получение более универсальной геометрии, способной эффективно поглощать рассеянный или ненаправленный свет, покрывающей любые формы. Научные эксперты из других исследовательских центров, не связанных с KAUST, например, из Массачусетского технологического института, США, отмечают высокую перспективность данного решения для технологии BIPV и тот факт, что оно не зависит от материала фотоэлектрических ячеек или способа PV-преобразования. По их мнению, данное исследование вселяет надежду, что подобная технология в дальнейшем станет эффективным решением для «соляризации», например, сферических строений и геокупольных конструкций, установка обычных плоских солнечных панелей на которые сейчас считается нецелесообразной, так как одновременно в зоне максимальной прямой освещенности Солнцем оказывается очень малая часть их поверхности.
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 3 751
интересно наблюдать за тем, как развиваются технологии! посмотрим, что будет дальше
У меня под Одессой был объект, где я поставил панели полукругом с отрицательной кривизной. 12 панелей. Центр - почти строго на Юг. В первый год генерация была на 30% (даже чуть больше чем 30меньше расчётной. на второй год - меньше на 20%. Это 10-12 годы (2010 - 2012). Проблема в таком расположении такова, что утро и вечер чаще бывают облачными чем полдень. Очень тяжело более - менее точно посчитать генерацию в этом случае. Потому и эффективность доказать заказчику - сложно. В общем - предлагаю с такой идеей - не заморачиваться.