Группа исследователей Массачусетского технологического института (MIT) решила избрать совершенно иной подход: создание кубов или вертикальных башен, к которым в трехмерной конфигурации крепятся солнечные батареи. Удивительно, но результаты испытаний подобных модулей показывают рост генерируемой энергии от 2 до 20 раз по сравнению с плоскими панелями.

Самый большой рост КПД был зафиксирован в ситуациях, когда улучшения нужны больше всего: в местах, удаленных от экватора, в зимние месяцы и в пасмурную погоду. Новые данные, полученные на основе компьютерного моделирования и тестирования реальных модулей, были опубликованы в журнале Energy and Environmental Science.

"Я думаю, что эта концепция могла бы стать важной частью будущего солнечных батарей," говорит автор статьи, Джеффри Гроссман, доцент кафедры энергетики в Массачусетском технологическом институте.

Группа исследователей из MIT первоначально использовали компьютерный алгоритм для изучения огромного разнообразия возможных конфигураций, а также разработала аналитическую программу, которая может провести тестирование любой заданной конфигурации в соответствии с целым рядом показателей: географических координат, времени года и погоды. Затем, чтобы подтвердить результаты компьютерного моделирования, они построили и испытали три различных механизма солнечных батарей на крыше здания лаборатории Массачусетского технологического института. Испытания велись в течение нескольких недель.

Несмотря на то, что стоимость определенного количества энергии, вырабатываемого такими 3-D модулями, больше, чем при использовании обычных плоских панелей, более высокое количество получаемой энергии частично уравновешивает данный дисбаланс. Кроме того, изобретение американских ученых гарантирует более равномерную работу солнечных батарей в течение всего дня, а также в условиях облачности или затенения. Эти усовершенствования делают объем генерируемого электричества более предсказуемым, что облегчает интеграцию массивов солнечных батарей в сеть энергоснабжения.

Основные физические предпосылки повышения выходной мощности - и более равномерной генерации энергии с течением времени - заключаются в том, что вертикальные поверхности 3-D модулей могут накопить гораздо больше солнечного света по утрам, вечерам, а также зимой, когда солнце находится ближе к горизонту. Об это сообщил соавтор статьи Марко Бернарди, аспирант факультета материаловедения и инженерии (DMSE) Массачусетского технологического института.

"Настало время для таких инноваций, " добавляет Гроссман, "Солнечные батареи стали дешевле, чем элементы для создания сопутствующей инфраструктуры. Кроме того, подешевели их монтаж и установка. Поскольку стоимость самих фотоэлектрических ячеек продолжает снижаться быстрее, чем другие расходы, преимущества 3D-систем будет только расти."

"Еще 10 лет назад эта идея не была бы экономически оправданной, поскольку готовые трехмерные модули стоят достаточно больших денег," говорит Гроссман. "Но сейчас стоимость кремниевых элементов составляет лишь незначительную долю от общей стоимости солнечных батарей, и эта тенденция будет лишь усиливаться в ближайшем будущем. В настоящее время до 65 процентов от стоимости электричества, генерируемого фотоэлектрическими панелями, связаны с их установкой, получением разрешения на использование земли и другими факторами."

Несмотря на то, что результаты компьютерного моделирования Гроссмана и его коллег показали, что самое большое преимущество можно получить при использовании сложных фигур - таких, как куб - подобные модули будет очень трудно производить. Так считает соавтор статьи Никола Ферралис. Разработанные алгоритмы могут быть использованы для дальнейшей оптимизации и упрощения формы трехмерных солнечных батарей с небольшой потерей выходной мощности. Оказывается, что разница в мощности между модулями с оптимизированной формой и простым кубом составляет лишь от 10 до 15 процентов. Данная разница кажется незначительной на фоне значительного улучшения производительности 3-D солнечных батарей по сравнению с плоскими модулями. Команда проанализировала модели кубической формы, а также более сложные структуры в форме веера.

Сначала исследователям мешала погода: на протяжении почти двух недель не было ни одного ясного, солнечного дня для их испытаний. Но потом, проанализировав полученные данные, они поняли, что в пасмурные дни было зафиксировано значительное улучшение мощности трёхмерных модулей по сравнению с обычными плоскими панелями.

По словам ученых, трехмерные солнечные батареи дают большое преимущество в любом месте, где ограничено пространство. Например, на плоских крышах сооружений или в городских условиях. Такие модули могут быть использованы в крупномасштабных проектах, таких как солнечные фермы, если эффект затенения одной башни другой будет сведен к минимуму.

Еще несколько групп ученых - в том числе даже ученики средней школы - пытались создать трехмерные солнечные батареи. Но, Гроссман говорит, что их исследование отличается по своей природе, так как учение из MIT первыми избрали систематический подход к решению проблемы и воспользовались инструментами компьютерного моделирования для анализа возможных проблем."

Дэвид Грасиас, доцент кафедры химической и биомолекулярных инженерии в Университете Джонса Хопкинса, который не участвует в этом исследовании, говорит, что Гроссман и его команда привели теоретические и практические доказательства эффективности подобных модулей. Они показали, что трёхмерные солнечные батареи дают значительные преимущества с точки зрения захвата света под разными углами. Проблема, однако, заключается в налаживании массового и экономически эффективного производства этих модулей.