Исследователи из Катара разработали прототип сферического фотоэлектрического модуля диаметром 0,70 м, состоящего из 450 ячеек и оснащённого полусферическим алюминиевым отражателем. Эта конструкция повышает эффективность сбора энергии.
«Мы разработали и экспериментально продемонстрировали практический прототип сферического фотоэлектрического модуля, состоящего из 450 монокристаллических кремниевых солнечных элементов, распределённых по сферической подложке диаметром 0,70 м и интегрированных с отражающим основанием. В отличие от обычных плоских фотоэлектрических модулей, имеющих одну доминирующую ориентацию поверхности, сферическая геометрия распределяет фотоэлектрические элементы в непрерывном диапазоне углов наклона и азимута. По сравнению с другими неплоскими геометрическими формами, такими как цилиндрические или конические конфигурации, сфера не имеет предпочтительного азимутального направления, что обеспечивает особый подход к улавливанию солнечной радиации по мере изменения положения солнца в течение дня без механического слежения», — рассказал ведущий автор исследования Амит Хандакар из Катарского университета.
Ключевым нововведением является интеграция полусферического чашеобразного отражателя со сферической геометрией фотоэлектрического модуля. Отражатель перенаправляет падающее излучение, которое в противном случае не использовалось бы, в разные области сферической поверхности. «В наших симуляциях добавление отражателя увеличило энергетическую отдачу сферического модуля примерно на 71% по сравнению с той же сферической конфигурацией без отражателя. Наша работа сочетает эту трёхмерную геометрию фотоэлектрического модуля с численным моделированием, учитывающим геометрию, которое оценивает зависящую от ориентации освещённость по всей сферической поверхности и преобразует её в скорректированную по температуре электрическую мощность», — продолжил Кхандакар.
«В целом, новизна предлагаемой технологии заключается в объединении полностью сферической фотоэлектрической архитектуры, сбора солнечной энергии с помощью отражателя, моделирования производительности с учётом геометрии и физически изготовленного и протестированного на открытом воздухе прототипа в единой системе», — отметил он.
В статье «Сферический фотоэлектрический модуль с отражателем для сбора солнечной энергии», опубликованной в журнале Solar Energy, исследовательская группа объяснила, что потенциальные области применения нового модуля включают неоптимальные ориентации, низкую высоту солнца, системы, интегрированные в здания, мобильные или ограниченные по ориентации установки, а также места с ограниченным доступом для очистки.
В прототипе сферического фотоэлектрического модуля с отражателем использовались ячейки размером 52 мм × 52 мм без коммерческого стекла или полной герметизации. Они были соединены последовательно и установлены на непрозрачном сферическом сердечнике из пенополистирола. Примерно 80% сферической поверхности было покрыто активными ячейками, а остальная часть отведена под проводку, межсоединения и механическое расстояние. Полированный алюминиевый полусферический отражатель являлся неотъемлемой частью конструкции, направляя отражённый свет к нижней полусфере без добавления фотоэлектрических элементов. Отражатель имел эффективное альбедо 0,95, радиальный зазор 0,40 м и приблизительную отражающую площадь 3,07 м². Площадь основания конструкции с отражателем составила 1,74 м².
«Эта концепция оценивалась не только с помощью моделирования. Был проведён девятидневный эксперимент на открытом воздухе с использованием системы мониторинга на базе ESP32 для регистрации напряжения, тока, мощности, температуры поверхности и параметров окружающей среды», — сказал Кхандакар. В ходе моделирования и испытаний производительность сферического модуля сравнивалась с производительностью эталонной плоской панели с фиксированным наклоном на 25° в южном направлении.
По данным исследовательской группы, девятидневные испытания на открытом воздухе подтвердили работоспособность сферического прототипа фотоэлектрической системы: система вырабатывала 183,17 Вт·ч в условиях, отличных от стандартных, и демонстрировала «чёткую» зависимость электрической реакции от интенсивности излучения. После девяти дней без очистки сферический прототип также смог сохранить примерно 92% своей первоначальной мощности, что указывает на возможную устойчивость к загрязнениям, хотя количественные измерения пыли не проводились.
«Измеренные профили соответствовали ожидаемой тенденции изменения суточной солнечной активности и, следовательно, обеспечивают полезное экспериментальное подтверждение качественного поведения, предсказанного геометрически‑ориентированной моделью. Также были зарегистрированы предварительные наблюдения за температурой поверхности в инфракрасном диапазоне. Однако, поскольку скорость ветра и параметры измерения ИК‑излучения не были полностью охарактеризованы, эти измерения приводятся лишь в качестве ориентировочных температурных тенденций, а не как доказательство подтверждённого теплового преимущества», — подчеркнули учёные.
Что касается моделирования, оно показало, что в период с июня по август 2025 года сферическая система с отражателем генерировала 113,0 кВт·ч/модуль по сравнению со 105,3 кВт·ч/модуль для плоской эталонной системы, что на 7,3% больше. Также было показано, что сферическая система превзошла плоскую эталонную систему только в 4 из 12 месяцев. Предварительные расчёты показали, что сферическая система имеет расчётную приведенную стоимость электроэнергии (LCOE) в размере 0,0424 долл./кВт·ч против 0,0320 долл./кВт·ч для плоской эталонной системы, что примерно на 32,5% выше.
«Настоящая работа закладывает практическую основу для разработки сферических фотоэлектрических элементов в масштабе прототипа и определяет ключевые улучшения конструкции, необходимые для дальнейшей оптимизации, включая защитную герметизацию, калиброванное измерение интенсивности излучения, количественную оценку загрязнения, испытания на долговечность и долгосрочную проверку в условиях окружающей среды», — заключили учёные.
Между тем в Китае начали эксплуатировать крупнейшую в мире гибридную солнечную электростанцию. Объект мощностью 1 ГВт использует как традиционные солнечные панели, так и технологию концентрированной солнечной энергии (КСЭ). Такая конфигурация позволяет станции продолжать вырабатывать электроэнергию в течение восьми часов после захода солнца без использования литиевых батарей.
Источник: habr.com