Сферические солнечные элементы поглощают рассеянный солнечный свет

Кремниевые солнечные элементы, составленные в сферы, позволяют повысить потенциал сбора солнечной энергии почти под любым углом без дорогих подвижных частей для слежения за солнцем.

Прототип сферического солнечного элемента разработали саудовские исследователи.

«Это крошечная синяя сфера, которую человек может легко держать в одной руке, как мяч для пинг-понга, - отмечают разработчики. - Эксперименты в помещении с лампой-имитатором солнечной энергии уже показали, что она может достигать от 15 до 100% большей выходной мощности по сравнению с плоским солнечным элементом с той же площадью, в зависимости от фоновых материалов, отражающих солнечный свет в сферический солнечный элемент».

Исследовательская группа надеется, что ее вдохновленный природой дизайн сможет так же хорошо достичь успеха в будущих полевых испытаниях во многих различных местах по всему миру.

"Расположение и форма глаз домашней мухи увеличивают их угловое поле зрения, так что они могут видеть примерно на 270 градусов вокруг себя в горизонтальном поле, - объясняет Назек Эль-Атабей, исследователь в области микросистемной инженерии в Университете науки и техники короля Абдаллы (KAUST) . - Так же сферическая архитектура увеличивает «угловое поле зрения» солнечного элемента, что означает, что он может собирать солнечный свет из большего количества направлений".

Чтобы создать сферическую конструкцию солнечных элементов, Эль-Атабей и ее коллеги взяли за основу свою предыдущую работу, посвященную созданию более тонких и гибких конструкций солнечных элементов, в основанную на технике гофрированных канавок. Новая работа подробно изложена в статье, которая была представлена ​​на рецензирование в журнал MRS Communications.

Тестирование с помощью лампы Solar simulator показало, что сферический солнечный элемент обеспечивает на 24% большую выходную мощность по сравнению с традиционным плоским солнечным элементом при непосредственном воздействии солнечного света. Это преимущество в мощности подскочила до 39% после того, как оба типа солнечных элементов начали нагреваться и получили некоторую потерю в энергетической эффективности - признак того, что сферическая форма может иметь некоторые преимущества в рассеивании тепла.

Сферический солнечный элемент также обеспечивал примерно на 60% большую выходную мощность, чем его плоский аналог, когда оба могли собирать только рассеянный солнечный свет под имитируемый крышей, а не получать прямой солнечный свет. Дополнительные эксперименты с различными отражающими фонами - включая алюминиевую чашку, алюминиевый бумагу, белую бумагу и песок - показали, что гексагональный алюминиевый фон чашки помог сферическом солнечном элемента превзойти плоский солнечный элемент на 100% с точки зрения выходной мощности.

Саудовская команда создала сферический солнечный элемент, используя монокристаллические кремниевые солнечные элементы, которые в настоящее время составляют почти 90% мирового производства солнечной энергии. Этот выбор был сделан с целью помочь максимизировать потенциал сбора света такими солнечными элементами, а также с целью потенциально облегчить масштабирование производства, если конструкция окажется экономически эффективной.

"Разработка продемонстрировала сверхгибкость, которую можно достичь с помощью жестких кремниевых солнечных элементов с помощью метода гофрирования в серии статей", - говорит Чже Лю, исследователь Солнечной инженерии в Массачусетском технологическом институте, который не был вовлечен в исследование. - Я взволнован возможностью создавать сферические клетки , что означает, что вы можете иметь промышленные солнечные батареи типа IBC (interdigitated back contact), которые покрывают любые формы и "соляризируют" везде".

Накопление пыли на сферическом солнечном элементе ограничено областью кремния с небольшим углом наклона. Кроме того, сферические солнечные элементы не требуют дополнительных дорогостоящих подвижных частей, чтобы постоянно отслеживать солнце.

Большие сферические солнечные элементы могут обеспечить более высокую эффективность и охват по сравнению с микросферических массивами, когда речь заходит о сборе солнечного света, отраженного от фоновых поверхностей.

Саудовские исследователи должны были вручную составлять и формировать свои сферические солнечные элементы в последний демонстрации, но они уже начали разрабатывать способы автоматизации этого процесса с помощью "роботизированных рук", чтобы имитировать ручная сборка, говорит Мухаммад Мустафа Хусейн, профессор электротехники и вычислительной техники в KAUST, который был одним из соавторов исследования.

В конце концов, Хусейн и его коллеги планируют построить и протестировать большие массивы сферических солнечных элементов. И они уже работают над новыми формами, которые напоминают палатки или зонтики. Они также интегрируют солнечные модули в дроны, которые имеют необычные формы.

Пандемия COVID-19, которая заставила закрыть исследовательские лаборатории, задержала первоначальные планы Саудовской группы по проведению испытаний на открытом воздухе. Но Хусейн говорит, что группа все еще планирует двигаться вперед с полевыми испытаниями до конца 2020 года. Он ожидает помощи от сети выпускников KAUST в итоге в испытании сферических солнечных элементов в Калифорнии, а также в таких странах, как Бангладеш, Китай, Индия, Южная Корея, Германия, Испания, Бразилия, Колумбия, Мексика, Южная Африка, Австралия и Новая Зеландия.

"Мы будем создавать массивы сферических ячеек для площадей от 100 квадратных футов до 1000 квадратных футов и будем сравнивать функциональность по расходам с традиционными центрами, - говорит Хусейн. - Потом мы будем разворачивать его в разных географических точках в течение всего года, чтобы понять его производительность и надежность".