Учёные выявили преимущество 3D-фотовольтаики

Три версии объёмных солнечных панелей. Пояснения в тексте (фото Marco Bernardi et al.).

Специалисты из Массачусетского технологического института показали, что трёхмерные структуры из солнечных ячеек за день могут выработать в два, а то и в двадцать раз больше энергии, чем плоские батареи, занимающие на земле или крыше равную площадь.

Исследователи построили три опытных варианта так называемой трёхмерной фотовольтаики (3DPV). Первая батарея представляет собой открытый сверху куб (фото 1 под заголовком), все наружные и внутренние стороны которого (включая дно) являются фотоэлектрическими преобразователями. Куб сделан из девяти кремниевых солнечных ячеек размером 3 х 3 сантиметра каждая.

Вторая модель – параллепипед удвоенной (против куба) высоты (фото 2). Он собран из 17 солнечных панелей.

Третий вариант пространственной структуры авторы назвали «башней» (фото 3). Она состоит из 34 аналогичных ячеек, сложенных зигзагом. Здесь тоже солнечные батареи находятся и с наружной, и с внутренней стороны стен.

Данные по опыту, проведённому в июне, в солнечную погоду. По горизонтали – время суток, по вертикали – выходная мощность в милливаттах. Показано сравнение плоской панели (тёмно-синяя кривая – уличный эксперимент, голубая — симуляция) и открытого куба (красная линия – эксперимент, оранжевая — симуляция). Общая выработка энергии за день у куба оказалась почти вдвое выше (иллюстрация Marco Bernardi et al.).

Учёные выставляли образцы на крышу института в течение многих дней летом и поздней осенью. Помимо прямых измерений производства энергии было выполнено и численное моделирование.

Так экспериментаторы установили, что скульптуры способны вырабатывать в разы больше электричества, чем неподвижная горизонтальная солнечная панель, под которую отведена та же площадь на участке.

Например, для самого простого куба (из девяти панелек) прогнозируемый рост годовой производительности составляет от 2 до 3,8 раза (превосходство принципа 3D увеличивается ещё и по мере роста географической широты местности).

Для сравнения, добавление к традиционной плоской панели двухосевой системы слежения за солнцем увеличивает её выработку всего в 1,3-1,8 раза.

Разница (число раз) в производительности куба по сравнению с плоской ячейкой с той же площадью основания в зависимости от географической широты (иллюстрация Marco Bernardi et al.).

Важно отметить, что везде речь идёт именно о следе, то есть площади основания, которую занимает установка, а не о суммарной площади фотоэлектрических панелей. Очевидно, развивая структуру вверх, общую поверхность можно существенно нарастить. Но интересно, что в подъёме производительности большую роль сыграли и другие факторы.

Первый из них — многократное отражение света между элементами устройства. Свет этот, в конце концов, поглощается одной из панелей, словно тонет в колодце.

Ранее для захвата возможно большей доли света учёные создавали микротекстуры в толще панелей (микросферы, микроколонны и так далее). Но тот же принцип лабиринта работает и в большем масштабе.

Второй фактор, повествует Technology Review, это улучшенное поглощение лучей солнца, находящегося низко над горизонтом.

Неподвижная плоская солнечная панель выдаёт максимум мощности, только когда смотрит прямо на светило. Утром и вечером она почти бесполезна. А трёхмерная фотовольтаика и в эти часы хорошо перерабатывает солнечный свет.

Данные по опыту, проведённому в ноябре, в разных погодных условиях. По горизонтали (слева направо): плоская панель, куб, параллелепипед и башня. По вертикали отмерено превышение дневной выработки энергии трёхмерными структурами в сравнении с плоской панелью. Синим цветом отмечены параметры при чистом небе, красным – при частичной облачности, чёрным – при сильной облачности (иллюстрация Marco Bernardi et al.).

Аналогично преимущество новой схемы раскрывается в облачную погоду, особенно при сплошной пелене облаков.

Конечно, последние задерживают много света, так что мощность любой батареи существенно падает. Но 3D-панели за счёт ориентации элементов под разными углами и эффекта лабиринта намного лучше обычной ячейки собирают рассеянный свет.

Потому при сильной облачности в выработке электричества башней и одиночной плоской панелью наблюдается 35-кратная разница. Хотя в ясную погоду эта же башня выдаёт за день только в 21-22 раза больше электричества, нежели простая батарея.

Та же мысль насчёт продуктивного сбора энергии в утренние и вечерние часы (а также зимой и летом, без необходимости в повороте самих панелей по горизонтали или вертикали) приходила, к слову, создателям цилиндрических солнечных батарей и солнечного дерева.

По мнению авторов нового проекта, повышенная стоимость таких систем может быть оправдана увеличением суммарной выработки электричества за год с каждого квадратного метра крыши того или иного здания.

(Подробности всех опытов с трёхмерными батареями можно найти в статье на arXiv.org.)



Квантовая эффективность солнечной батареи впервые превысила 100%

16 декабря 2011

Немцы превратят нацистский бункер в солнечную электростанцию

15 ноября 2011

Швейцарцы создали рекордные солнечные ячейки на красителях

14 ноября 2011

Испытан новый метод использования энергии солнца

21 октября 2011

Швейцарцы создали самые эффективные гибкие солнечные батареи

22 сентября 2011
  • Дмитрий Гненный  19 декабря, 18:37
    Что-то мне подсказывает, что эффективность как башни так и куба будет стремиться к эффективности простого квадрата, если рядом будут другие такие же элементы:)
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  19 декабря, 18:44
    Если расстояние между соседями будет подобрано оптимально, там получится не только частичное затенение, но и многократное переотражение. Может оказаться, что оно пересилит и, с учётом того, что суммарная площадь панелек — больше (за счёт вертикальных стенок), общая выработка тоже будет больше.

    Опять же куб и прочие варианты выглядят просто перерасходом материала, пока солнце стоит высоко, но если посмотреть на утро и вечер (солнце низко, причём в разных частях неба), такие «оригами» уже не выглядят глупо.

    Лучше всего, конечно, поставить плоскую панель с мотором, и поворачивать её точно за солнцем. Но такой привод удорожает систему и снижает надёжность.

    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Гненный  19 декабря, 22:14
    Я не в курсе, какая часть полезного спектра теряется в отражении, а какая в поглощении, поэтому спорить не буду. На глаз, панели темные, так что отражается немного. А между тривиальным горизонтальным расположением и панелью с активным отслеживанием солнца есть вариант с ненамного худшей, чем у активного эффективностью — наклонная под определенным углом панель. Вот если с местом под размещение панелей проблем будет больше, чем с их стоимостью, тогда, конечно, 3Д имеет смысл. Не знаю где, в плавающих городах, например.
    ОтветитьНравится
  • Врэж Багратуни  20 декабря, 05:57
    Они особо уместны будут когда будут состоять из дешёвых плёночных или напылёных фотоелементов снизким 5% КПД. А с дорогими фотопанелями будет меньше пользы. Или на космических аппаратах, где важно уменьшение площади.
    Фантазии на тему. Может Серафимчик стоит написать. Мол, сделали направленные в сторону определённых звёзд, галактик или пульсаров подобные остронаправленные цилиндрические устройства фотоэлементы которого вырабатывают пусть и небольшой ток, но ток скажем с: пульсара (пульсаров), Млечного Пути, Сириуса и т.д. и т.п...
    Это для гурманов. Часы свои заряжают таким эксклюзивным током.

    Есть у меня сказка , где живут ночные пчёлы. Эти пчёлы собирают мёд не с цветов, а со звёзд. Они делают Звёздный Мёд.

    ОтветитьНравится
  • Алексей Ромчак  20 декабря, 15:00
    «Если расстояние между соседями будет подобрано оптимально…»
    — Но тогда теряется заявленное преимущество этой конструкции: «трёхмерные структуры из солнечных ячеек за день могут выработать в два, а то и в двадцать раз больше энергии, чем плоские батареи, занимающие на земле или крыше равную площадь.»
    И останется только недостаток, а именно значительно бОльшая площадь (а значит и цена самих панелей, при той же мощьности.
    ОтветитьНравится
  • Александр Мосин  19 декабря, 18:44
    Блин, на карте вся Россия 3.4-3.8.
    Реально, Газпром — вот наш ответ 3D солнечным элементам!
    ОтветитьНравится
  • Алексей Чернолихов  19 декабря, 18:50
    На мембране вроде была статья,как парнишка разместил маленькие солнечные батареи на дереве,имитируя листья,% эффективности был у него больше,чем просто размещение платформы на крыше.
    ОтветитьНравится
  • Shamil Dzhanbolatov  19 декабря, 18:59
    «На мембране вроде была статья,как парнишка разместил маленькие солнечные батареи на дереве,имитируя листья,% эффективности был у него больше,чем просто размещение платформы на крыше.»

    — Да, он использовал «волшебные» пропорции Фибоначчи, золотое сечение, это есть у всех растений. Побольше бы таких использований патентов природы

    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  19 декабря, 19:06
    Ссылка на эту статью есть в данной новости. :) Отличие работы MIT — в том, что, это выполненное по всем правилам исследование с итоговой научной статьёй. В выводах же парнишки, помнится, тогда сомневались. А аналогия, конечно, просматривается.
    ОтветитьНравится
  • Shamil Dzhanbolatov  19 декабря, 18:57
    Ничего себе! Жаль, что только сейчас додумались до такого простого решения. Все гениальное просто!
    ОтветитьНравится
  • Руслан Ахметшин  19 декабря, 20:03
    Крыша девятиэтажного дома, летом, может обеспечить все квартиры электричеством с избытком. А с такими конструкциями, может и зимой хватит.
    ОтветитьНравится
  • Михаил Зайцев  19 декабря, 22:15
    Не так всё просто. Ячеистая конструкция на крыше многоэтажки зимой быстро забьётся снегом и льдом и сильно потеряет в эффективности, если не перестанет работать вообще. Да, можно, конечно, закрыть всю конструкцию плексигласом или, скажем, панелями из прозрачного акрила (стекло на крыше многоквартирного дома — ну его нафиг), только вот пластик часть света задержит, часть — отразит. Уже падение КПД. Опять же, городская пыль и сажа, осевшие на пластике, внесут свою лепту... А вот для частного дома, где у хозяина личная заинтересованность в работоспособности станции — да, очень хороший вариант. Я лично до сих пор вообще не рассматривал фотоэлектрические преобразователи, как что-то более-менее удачное, поскольку и цена заоблачная, и эффективность не шибко хорошая на единицу занимаемой площади, но вот идея, описанная тут, уже несколько больше вдохновляет.
    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Федотов  19 декабря, 23:02
    не может
    ОтветитьНравится
  • Руслан Ахметшин  20 декабря, 14:49
    //Ячеистая конструкция на крыше многоэтажки зимой быстро забьётся снегом и льдом и сильно потеряет в эффективности, если не перестанет работать вообще.

    Наоборот, если поднять параллелепипед колоннами на 50см., он абсолютно не будет забиваться снегом, а пыль будет смываться дождем.

    ОтветитьНравится
  • ki   19 декабря, 20:26
    Если я не ошибаюсь, правильнее считать КПД батареи в пересчёте на одну «плитку». Себестоимость производства «кубика» никак не может быть меньше стоимости 9 плиток из которых он собран. Предлагаю рационализаторское решение — не добавлять плитки на северной стороне кубика — сразу заметное увеличение эффективности в пересчёте на 1 элемент. :)
    ОтветитьНравится
  • ki   19 декабря, 20:27
    Хотя это не учитывает отражённого света например от заснеженного горного склона к северу от батареи...
    ОтветитьНравится
  • Лаврык Николай  19 декабря, 22:21
    Ага, увеличение площади ячеек в восемь раз, дает увеличение количества енергии в три раза... Выгодно, ничего не скажешь.
    Данный эффект может иметь значение разве в тех случаях, когда солнечные батареи дешёвые, а территория для их размещения дорогая. Но обычно-то бывает как раз наоборот.
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  19 декабря, 22:51
    Стоимость солнечных батарей может быть разной и в последние годы она постепенно падает. А вот территория может быть не дорогая, а просто строго ограниченная — например, крыша цеха, который владельцам хочется обеспечить собственным электричеством.
    ОтветитьНравится
  • Дмитрий Федотов  19 декабря, 23:04
    Стоимость солнечных батарей 700$ за квадрат а выдает она 100-120 Ватт
    ОтветитьНравится
  • Николай Меньшиков  20 декабря, 00:21
    Неправильно они подсчитали. Надо было вести сравнение не как «занимающие на земле или крыше равную площадь», а в реальной площади фотоэлектрических элементов. Если развернуть их кубы, параллелепипеды и зигзагообразные башни в плоский лист, то он покажет в разы большую эффективность, инфа 100%.
    Я сам являюсь энтузиастом гелиоэнергетики и ставил ряд опытов по оптимальному расположению элементов. Пластины из поликристаллического кремния размером 80х150мм. Если сориентировать единичную пластину на солнце то она выдает ток короткого замыкания 3.5А (летом). Отклонение на +/- 5 градусов уже вызывает небольшое снижение эффективности. Зимой в облачную погоду элемент вырабатывает совсем крохи, порядка 0,06А и также элемент желательно направлять в небо, на отраженном свете производительность падает вообще до нуля.
    Также необходимо отметить что пик чувствительности кремниевых фотоэлементов находится на 900nm, а это значит что отраженный свет от других элементов не будет работать. Потому что панели отражают наиболее коротковолновую часть спектра.
    ОтветитьНравится
  • Александр Шаиров  20 декабря, 10:23
    +100500 сам хотел об этом написать после прочтения первых абзацев, но Вы опередили.
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  20 декабря, 11:57
    Николай

    «Если развернуть их кубы, параллелепипеды и зигзагообразные башни в плоский лист, то он покажет в разы большую эффективность, инфа 100%»

    А если разворачивать некуда? Тут придумка в том и состоит, что народ пытается в рамках некой заданной площади поместить больше фотоэлементов. Да, каждый из них вырабатывает при этом меньший ток, по сравнению с плоским вариантом (нет затенения). Но вместе они дают выигрыш.

    Дальше начинается экономика — что выгоднее — поставить одну панельку вместо девяти, или девять, но которые дадут за год вдвое-вчетверо больше энергии. За сколько они окупятся? Ну, положим, за большее число лет, чем первый вариант, но после этого будет одна польза.

    Что касается зимы и облаков. Авторы опыта в таких условиях сравнивали свои конструкции с единичными квадратиками, на крыше института. Вышло, что тут разница с плоским вариантом ещё более существенна.

    Так что погодите считать КПД в расчёте на единичную панель. Понятно, что когда она направлена на солнце в расчёте на один квадрат самой батареи все эти башни проиграют. Но в том и фокус, что у течение дня и года условия освещения сильно меняются. Тут-то пространственные системы и выходят вперёд.

    « а это значит что отраженный свет от других элементов не будет работать» ну отражают не только панели сами по себе — их стеклянное покрытие например что-то отражает отчасти. В общем MIT пишет, что отражение вносит свой вклад, наряду с ориентацией панелей и ростом их числа. Вы не верите MIT?

    ОтветитьНравится
  • Антон Брандт  20 декабря, 06:02
    Мне одному кажется. что стоимость самой 3д, обслуживания и ремонта перекрывает все её плюсы?
    Обслуживать 3д скорей всего должны будут инженеры, а не кто попало.
    Очень сомневаюсь, что после почистки/починки такакого вот пористого кубика от грязи, осадков и прочего, простым пользователем он будет столь же эффективен, если вообще исправен.

    И еще, вопрос к разбирающимся, солнечные панели ведь работают не со всем спектром элмаг излучения?
    И немалая честь оного производимая солнцем и самими людьми пропадает зря.
    Неужели нельзя создать гибридную технологию, позволяющую поглощать излучение если не всего спектра, то хотябы достаточно широкого, чтобы эффективность была достойной?
    Ато как посмотриш на вашу радость от куцых процентишек кпд, становится грусно(

    ОтветитьНравится
  • Николай Меньшиков  20 декабря, 11:25
    to Антон Брандт
    Наилучшая производительность солнечных кремниевых фотоэлементов достигается в красном и ближнем ИК спектре. Это где то от 600 до 1100nm. Пик чувствительности приходится на 800-900nm. Что бы батарея могла эффективно работать во всем спектре требуется использовать другие материалы помимо кремния. Сейчас существуют многослойные фотоэлементы на основе арсенида галлия AlGaAs-GaAs с КПД до 30%, но их стоимость слишком высока. Есть разработки с еще лучшим КПД, но это в данный момент пока лабораторные образцы не получившие широкого применения.
    ОтветитьНравится
  • Леонид Попов  20 декабря, 12:01
    Антон

    «Неужели нельзя создать гибридную технологию, позволяющую поглощать излучение если не всего спектра, то хотя бы достаточно широкого, чтобы эффективность была достойной?»

    Всё уже придумано — например мультипереходные батареи. У них КПД высок, но высока и цена.

    Вообще полазайте по нашему тегу солнечные батареи, поглубже, там на этот счёт (захват широкого спектра, нескольких полос в спектре, перекройка спектра перед усвоением и тп) много новостей и больших материалов. www.membrana.ru/particles/tag/177

    ОтветитьНравится
  • Григорий Орехов  20 декабря, 11:49
    Масштабная установка таких кубов значительно снизит общую эффективность.
    Также присоединяюсь ко всем комментариям по поводу стоимости 1кВтч в такой конструкции.
    ОтветитьНравится
  • Руслан Ахметшин  20 декабря, 15:12
    Я посчитал в таблице, такая конструкция будет окупаться 90лет. вместо 20.
    Каждая квартира с крыши девятиэтажки получит больше 300кВт*ч в месяц., в летнее время. (юг Сибири)
    А для зимы, солнечные ячейки, проще на стены повесить.
    https://docs.google.com/spreadsheet/ccc?key=0AgxyBwfaLXTwdFYtOTF4TG5JYlFxc2VLSU9nOHhYVEE
    ОтветитьНравится
  • Антон Брандт  21 декабря, 10:13
    Меньшиков, Повоп — спасибо, заценю.
    ОтветитьНравится
  • Врэж Багратуни  1 апреля, 01:04
    Это тоже не то.
    ОтветитьНравится