Миниатюрные линзы и зеркала концентрируют солнечную энергию
Дата публикации: 9 марта 2015
Источник: http://www.scientificamerican.com/article/tiny-lenses-and-mirrors-may-bring-concentrating-solar-power-to-the-rooftop/, 12 февраля 2015 г.
Новые технологии концентрации солнечного света могут увеличить возможности получения электричества от Солнца для частных домов. Новый подход к концентрации солнечного излучения избавляет от механических устройств слежения за положением солнца, позволяя разрабатывать удобные солнечные батареи для размещения на крышах домов.
Существующие стратегии превращения солнечного света в электричество вынуждены искать компромисс между производительностью, ценой и гибкостью. Однако исследователи стремятся достичь прогресса по всем трем показателям, чтобы к 2020 году сравнять цену солнечной энергии с ценой энергии, получаемой из ископаемого топлива.
Обычные ячейки, основанные на применении кремния, прочны, но уже достигли предела их производительности на уровне КПД примерно в 25 процентов.
Тонкопленочные батареи дешевле, но еще менее эффективны. Много-переходные солнечные ячейки (Multi-junction solar cells), которые улавливают более широкую часть солнечного спектра, ставят рекорды по эффективности, но пока остаются очень дорогими.
Для того, чтобы повысить их эффективность, некоторые компании используют концентраторы для фокусировки солнечного света на много-переходные солнечные ячейки. Этот подход сокращает материальные затраты на изготовление фотоэлектрических элементов.
Решение проблемы отслеживания положения Солнца
По мере перемещения солнца в течение дня оно освещает солнечные панели под разными углами, в силу чего изменяется количество энергии, которое отдают солнечные ячейки. Для получения максимальной эффективности фотоэлектрические панели устанавливают на специальные механизмы отслеживания направления на Солнце, но это очень дорого для установки на крыши отдельных домов, где размещается в настоящее время наибольшее числло солнечных панелей.
В статье, опубликованной на прошлой неделе в журнале Nature Communications,ученые продемонстрировали устройство, которое перемещается меньше чем на сантиметр для отслеживания положения Солнца в течение дня, что частично решает сформулированную проблему.
Многослойная система представляет собой сэндвич из фотоэлектрических ячеек, размещенных между миниатюрными пластиковыми линзами сверху и маленькими зеркалами снизу, а слои отделяются друг от друга тонким слоем масла. Линзы и зеркала фокусируют солнечный свет на фотоэлектрических ячейках. Концентраторы легко перемещаются относительно солнечных ячеек, так что последние остаются в фокусе весь день.
«В отдаленной перспективе это может решить проблему отслеживания положения Солнца», говорит Крис Гиебинк (Chris Giebink), доцент кафедры электротехники в Университете Пенсильвании и соавтор статьи.
Другим преимуществом этого изобретения является то, что устройство изготавливается из легких, дешевых материалов. Большая часть устройства сделана из акрилового пластика. Это означает, что в случае серийного производства можно будет использовать такие хорошо зарекомендовавшие себя методы, как литье под давлением, что позволит снизить затраты в дальнейшем.
Для изготовления прототипа исследователи использовали линзы, отпечатанные на 3D-принтере и достигли 70-процентной оптической эффективности, то есть 70% света, падающего на устройство, было перенаправлено на солнечные ячейки. По мнению Гиебинка, в ходе дальнейших работ удастся достичь 90-процентной оптической эффективности.
Эффективность энергетического преобразования зависит от самих солнечных ячеек и не зависит от линз. Сегодняшний рекорд принадлежит ячейкам, созданным в Фраунховеровском институте солнечной энергии в Германии, и равен 46%. Более высокая эффективность означает, что солнечные панели будут давать больше энергии при меньших размерах, что, с экономической точки зрения, сократит цену электричества, получаемого от солнца.
Солнечные панели будут установлены на большее число крыш
«Я думаю, что в результате это даст нам возможность получить высокоэффективные фотоэлектрические преобразователи в стандартном форм-факторе,» говорит Гиебинк, и добавляет, что это будет хорошая новость с точки зрения установки солнечных панелей на крышах обычных домов.
Некоторые компании уже разрабатывают и применяют концентрирующие фотоэлектрические преобразователи в солнечных электростанциях промышленного масштаба, где размеры и вес не играют большой роли.
Например, фирма Semprius Inc., которая получила награду в 3 миллиона долларов от Министерства энергетики США, продемонстрировала в прошлом году 4-переходную солнечную ячейку с эффективностью в 43,9 %.
Майкл Хэйни (Michael Haney), директор программы в ARPA-E (Advanced Research Projects Agency-Energy), говорит, что такие достижения в производительности существенно расширят рынок фотоэлектрических преобразователей. «Сейчас, когда вы имеете такую высокую эффективность, вы можете уже думать над тем, чтобы выходить на рынок устройств, размещаемых на крышах, предлагая устройства для таких крыш, которые раньше вообще не рассматривались, поскольку имели слишком малую площадь».
