«Концентрирующие фотоэлектрические системы (CPV) увеличивают стоимость высокоэффективных многопереходных солнечных элементов за счет использования недорогой оптики для концентрации на них солнечного света», — сказал Ноэль С. Гибинк, доцент кафедры электротехники Пенсильванского университета. «Современные системы CPV размером с рекламные щиты, и их необходимо очень точно направлять, чтобы отслеживать солнце в течение дня. Но вы не можете разместить такую систему на своей крыше, где находится большинство солнечных панелей во всем мире. установлены. "Гибинк отмечает, что падающая стоимость типичных кремниевых солнечных элементов делает их все меньшую и меньшую часть общей стоимости солнечной электроэнергии, которая также включает «мягкие» затраты, такие как разрешение, проводка, установка и обслуживание, которые остаются неизменными с течением времени. Повышение эффективности ячеек с примерно 20 процентов для кремния до более 40 процентов с многопереходным CPV важно, потому что увеличение мощности, генерируемой данной системой, снижает общие затраты на электричество, которое она вырабатывает.Чтобы использовать CPV на крышах, исследователи объединили миниатюрные фотоэлектрические элементы из арсенида галлия, массивы пластиковых линз, напечатанные на 3D-принтере, и подвижный механизм фокусировки, чтобы уменьшить размер, вес и стоимость системы CPV и создать нечто похожее на традиционную солнечную панель, которая может размещаться на южной стороне крыши здания.
Они сообщают о своих результатах сегодня (5 февраля) в Nature Communications.«Мы стали партнерами из Университета Иллинойса, потому что они являются экспертами в создании небольших, очень эффективных многопереходных солнечных элементов», — сказал Гибинк. «Эти ячейки меньше 1 квадратного миллиметра, сделаны большими параллельными партиями, а затем их массив переносится на тонкий лист стекла или пластика».Чтобы сфокусировать солнечный свет на множестве клеток, исследователи поместили их между парой пластиковых решеток линз, напечатанных на 3D-принтере.
Каждая линза в верхнем массиве действует как небольшое увеличительное стекло и соответствует линзе в нижней решетке, которая функционирует как вогнутое зеркало. С каждым крошечным солнечным элементом, расположенным в фокусе этого дуэта, солнечный свет усиливается более чем в 200 раз. Поскольку фокусная точка перемещается вместе с солнцем в течение дня, средний лист солнечного элемента отслеживается, скользя вбок между решеткой линз.Предыдущие попытки такого отслеживания на основе трансляции работали только около двух часов в день, потому что точка фокусировки перемещается за пределы плоскости солнечных элементов, что приводит к потере света и падению эффективности.
Поместив ячейки между решетками линз, исследователи решили эту проблему и обеспечили эффективную фокусировку солнечного света в течение полных восьмичасового рабочего дня, имея всего около 1 сантиметра общего движения, необходимого для отслеживания.Чтобы смазать подвижную матрицу ячеек, а также улучшить передачу через сэндвич с линзами, они использовали оптическое масло, которое позволяет небольшим двигателям использовать минимальную силу для механического отслеживания.«Идея заключается в том, что такую панель CPV с микротрекингом можно разместить на крыше в том же пространстве, что и традиционная солнечная панель, и вырабатывать гораздо больше энергии», — сказал Гибинк. «Простота этого решения действительно придает ему практическую ценность».
Поскольку общая толщина панели составляет всего около сантиметра, а 99 процентов ее — все, кроме солнечных элементов и их проводки — состоит из акрилового пластика или оргстекла, эта система потенциально может быть недорогой в производстве. Однако Гибинк предупреждает, что системы CPV подходят не для всех мест.«CPV имеет смысл только в областях с большим количеством прямых солнечных лучей, таких как юго-запад Америки», — сказал он. «В облачных регионах, таких как Тихоокеанский Северо-Запад, системы CPV не могут концентрировать рассеянный свет, и они теряют свое преимущество в эффективности».
Исследователи протестировали свой прототип панели концентратора на улице в течение дня в Государственном колледже в Пенсильвании. Несмотря на то, что напечатанные пластиковые линзы не соответствовали техническим требованиям, они смогли продемонстрировать концентрацию солнечного света более чем в 100 раз.