Сферичні сонячні елементи більш ефективні, ніж панелі

Створені сферичні сонячні елементи, які відмінно поглинають розсіяне сонячне світло і за рахунок своєї форми виробляють на 15 – 100% більше електрики, ніж звичайні орієнтовані на світло плоскі PV-панелі тої ж площі і з того ж матеріалу.

Сонячна сфера для вироблення електроенергії.

Проблема звичайних сонячних панелей, що генерують електрику, полягає не тільки в фізичному обмеженні ККД різних матеріалів, з яких зроблена їх світлопоглинаюча поверхня. Щоб максимально повно здійснювати фотоелектричне перетворення плоскі панелі повинні бути строго перпендикулярні до джерела світла. Ясно, що рух Сонця щохвилини змінює цей стан – як протягом дня, так і протягом року. Щоб подолати цей недолік, плоскі сонячні панелі забезпечують трекерами – пристроями стеження за рухом сонця по небосхилу. Це вирішує проблему лише частково, так як при розсіяному світлі (хмарність, несподіване затінення) ефективність навіть панелей з трекером все одно різко падає.

Інший спосіб підвищити ефективність за рахунок зменшення чутливості до спрямованості на джерело світла – нанесення на поверхню панелі мікроканавок, створення на панелі гофрованої поверхні розміром в декілька нанометрів. Завдяки множинному відбиттю від бічної поверхні з’являється можливість «захоплювати» світло, відбите з інших напрямків. По суті – це технологія «мікроконцентрації» світла. Роботи в цьому напрямку ведуться вже не один рік. Однак крім подорожчання технології PV-перетворення є експлуатаційні труднощі. Мікроканавки можуть забиватись мікрочастинками пилу. Заливання їх світлопрозорою смолою з іншою оптичною щільністю – теж різко знижує загальний ККД фотоелектричного перетворення. Накривати панелі з нано-гофрою склом, нехай навіть високопрозрачним, – теж не варіант, оскільки крім невиправданого збільшення вартості панелей похилий світло буде відбиватися від покривної поверхні не гірше, ніж від непокритої гладкої поверхні панелі. Крім того, «нано-гофра» все одно вимагає якщо не повної перпендикулярності, то хоч якоїсь спрямованості в бік джерела світла.

Щоб подолати цей недолік, також вже давно велися роботи по створенню «насічки» на поверхні панелей у вигляді мікроскопічних сферичних або напівсферичних виступів або западин. Або інший спосіб – нанесення на поверхню панелі шару з сферичних мікролінз, що імітують краплі, що сприяє концентрації прямого і «захоплення» бокового світла. Але економічно вигідного і експлуатаційно надійного рішення отримати поки не вдалося.

9 червня 2020 видання Spectrum опублікувало статтю «Сферические сонячні елементи поглинають розсіяне сонячне світло», де повідомлялося, що команда із Саудівської Аравії з Університету технологій імені короля Абдалли (KAUST) створила сферичний сонячний елемент досить великого розміру, активно поглинає розсіяне сонячне світло. Це рішення стало розвитком їх досліджень мікрогофрованих микросферичних технологій. Причому використовувалися звичайні монокристалічні кремнієві сонячні елементи, на які в даний час припадає майже 90% світового виробництва сонячної енергії.

Рішення було підказане самою природою. «Розташування і форма очей домашньої мухи збільшують їх кутове поле зору так, що вони можуть бачити приблизно 270 градусів навколо них в горизонтальному полі», – пояснює Назек Ель-Атабей, дослідник і розробник микросистем з KAUST. «Точно так же сферична архітектура збільшує« кутове поле зору »сонячного елемента, що він може збирати сонячне світло з різних напрямків». Тобто, щоб ефективно захоплювати світло, не потрібно створювати саме мікроконструкції. Можна повторити вигідну «фасеточну» геометрію в набагато більшому масштабі.

Прототип сферичного сонячного елемента, розроблений саудівськими дослідниками, являє собою кульку розміром з м’ячик для настільного тенісу, покритий пластинками з монокристалічного кремнію. Вибір саме такого PV-матеріалу виправдовувався тим, що він зараз має найбільше застосування в PV-галузі. Лабораторні експерименти з штучним джерелом світла вже показали, що «сонячна сфера» може видавати на 15-100% більшою вихідної потужності в порівнянні з плоским сонячним елементом з такою ж загальною площею поверхні. Ефективність залежить від ступеня відбиття світла від поверхонь «фонових» матеріалів і навколишніх предметів, що відображають сонячне світло в область розташування сонячного перетворювача.

Так, випробування з направленим світлом від лампи, що імітує сонячне випромінювання, показали, що сферичний сонячний елемент відразу забезпечує вихідну потужність на 24% більше, ніж звичайний плоский сонячний елемент з тієї ж площею поверхні. Ще більше ця перевага проявилося (+39%) після того, як обидва типи сонячних елементів почали нагріватися і чому дещо знизилася енергоефективність їх фотоелектричного перетворення – ознака того, що сферична форма може мати деякі переваги в розсіюванні надлишкового тепла.

Сферичний сонячний елемент також виробляв на 60% більше вихідної потужності, ніж його плоский аналог, коли під штучним дахом обидва вони могли збирати тільки розсіяне світло, а не отримувати світло від прямого опромінення. Дослідження з різними фонами, відбиття від яких допомагало розсіяному світлу потрапляти на сферичний або плоский елемент, показали, що в деяких випадках сферичний сонячний елемент був по вихідний потужності на 100% ефективніше плоского в абсолютно однакових умовах загальної освітленості.

Дослідники продовжать свою роботу. Подальші експерименти будуть спрямовані на отримання більш універсальною геометрії, здатної ефективно поглинати розсіяне або ненаправлене світло, що покриває будь-які форми. Наукові експерти з інших дослідницьких центрів, які пов’язані з KAUST, наприклад, з Массачусетського технологічного інституту, США, відзначають високу перспективність даного рішення для технології BIPV і той факт, що воно не залежить від матеріалу фотоелектричних осередків або способу PV-перетворення. На їхню думку, дане дослідження вселяє надію, що подібна технологія в подальшому стане ефективним рішенням для «соляризації», наприклад, сферичних будов і геокупольних конструкцій, установка звичайних плоских сонячних панелей на які зараз вважається недоцільною.

По матеріалам видання Air Water Therm

Напишіть відгук