Замена плоских панелей трехмерными структурами может значительно увеличить эффективность солнечных батарей

Мощность светового потока, посылаемого Солнцем к Земле, составляет порядка 87 петаватт (10¹⁵ Вт), и преобразование хотя бы небольшой ее части в используемую энергию является одним из ключевых факторов в борьбе за освобождение мира от нефтяной зависимости.

Один из путей решения этой задачи – преобразование света в электричество с помощью плоских фотогальванических панелей. Сегодня такая форма производства электроэнергии получает широкое распространение по всему миру.

Но более широкому распространению солнечной энергетики препятствует ряд проблем, особенно актуальных на более высоких широтах, где количество энергии, которое может быть преобразовано, сильно зависит как от времени суток, так и от сезона.

Такую неравномерность получения солнечной энергии можно отчасти компенсировать установкой систем слежения за солнцем, но они недешевы и, к тому же, становятся дополнительными источниками потенциальных отказов.

Марко Бернарди (Marco Bernardi) и его товарищи из Массачусетского технологического института утверждают, что есть простой способ значительного увеличения эффективности фотогальванических элементов. Вместо двумерных плоских панелей Бернарди с коллегами предлагают использовать трехмерные структуры.

Они промоделировали характеристики фотоэлементов различной формы и проверили некоторые из них на крыше своего института. Результаты показали, что по сравнению с плоскими структурами, трехмерные позволяют увеличить количество энергии, снимаемой с единицы площади, примерно в 20 раз. Кроме того, такие структуры могут вдвое увеличить время эффективной генерации энергии и, вдобавок, сгладить сезонные колебания.

Работа трехмерных фотоэлементов основана на двух эффектах. Трехмерные структуры могут принимать свет при более низком положении солнца, а внутренние отражения помогают увеличить количество захваченного света.

Эти структуры не должны быть сложными. Обычный куб без верхней крышки, покрытый изнутри и снаружи фотогальваническими элементами, может вырабатывать энергии в 3.8 раза больше, чем занимающая такую же площадь плоская панель. Для сравнения, система слежения плоской батареи за солнцем дает выигрыш всего в 1.8 раза.

Конечно, определяющим в решении о применимости данного метода будет экономический аспект. Площадь поверхности куба намного больше, чем площадь плоской панели, и в производстве он существенно дороже. Но Бернарди утверждает, что дополнительная мощность, генерируемая таким кубом, с лихвой компенсирует все затраты.

Если приводимые разработчиками цифры окажутся верными, трехмерные структуры смогут существенно изменить положение дел на рынке фотоэлектрических элементов. Бернарди с товарищами считают, что объемные батареи могли бы поставляться в виде плоских пакетов и легко складываться в трехмерные конструкции непосредственно на объекте.

В будущем можно ожидать существенного развития идеи. Ученые сказали, что «черпали вдохновение, глядя на трехмерные структуры сбора солнечной энергии, встречающиеся в природе». По-видимому, они имели в виду деревья и растения.

Конечно, это очень далеко от изучавшихся до сих пор коробчатых форм. В извлечении солнечной энергии природа опирается на фрактальные структуры. Насколько эффективнее такие структуры – еще предстоит установить. При сегодняшней технологии производства копирование этих форм у природы будет непростой задачей и потребует серьезных исследований.