Третий вариант пространственной структуры авторы назвали «башней»
(фото 3). Она состоит из 34 аналогичных ячеек, сложенных зигзагом. Здесь
тоже солнечные батареи находятся и с наружной, и с внутренней стороны
стен.
Данные по опыту, проведённому в июне,
в солнечную погоду. По горизонтали – время суток, по вертикали –
выходная мощность в милливаттах. Показано сравнение плоской панели
(тёмно-синяя кривая – уличный эксперимент, голубая — симуляция)
и открытого куба (красная линия – эксперимент, оранжевая — симуляция).
Общая выработка энергии за день у куба оказалась почти вдвое выше
(иллюстрация Marco Bernardi et al.).
Учёные выставляли образцы на крышу института в течение многих дней летом
и поздней осенью. Помимо прямых измерений производства энергии было
выполнено и численное моделирование. Так экспериментаторы
установили, что скульптуры способны вырабатывать в разы больше
электричества, чем неподвижная горизонтальная солнечная панель, под
которую отведена та же площадь на участке. Например, для самого
простого куба (из девяти панелек) прогнозируемый рост годовой
производительности составляет от 2 до 3,8 раза (превосходство принципа
3D увеличивается ещё и по мере роста географической широты местности). Для
сравнения, добавление к традиционной плоской панели двухосевой системы
слежения за солнцем увеличивает её выработку всего в 1,3-1,8 раза.
Разница (число раз) в производительности куба
по сравнению с плоской ячейкой с той же площадью основания в зависимости
от географической широты (иллюстрация Marco Bernardi et al.).
Важно отметить, что везде речь идёт именно о следе, то есть площади
основания, которую занимает установка, а не о суммарной площади
фотоэлектрических панелей. Очевидно, развивая структуру вверх, общую
поверхность можно существенно нарастить. Но интересно, что в подъёме
производительности большую роль сыграли и другие факторы. Первый
из них — многократное отражение света между элементами устройства. Свет
этот, в конце концов, поглощается одной из панелей, словно тонет
в колодце. Ранее для захвата возможно большей доли света учёные создавали микротекстуры в толще панелей (микросферы, микроколонны и так далее). Но тот же принцип лабиринта работает и в большем масштабе. Второй фактор, повествует Technology Review, это улучшенное поглощение лучей солнца, находящегося низко над горизонтом. Неподвижная
плоская солнечная панель выдаёт максимум мощности, только когда смотрит
прямо на светило. Утром и вечером она почти бесполезна. А трёхмерная
фотовольтаика и в эти часы хорошо перерабатывает солнечный свет.
Данные по опыту, проведённому в ноябре,
в разных погодных условиях. По горизонтали (слева направо): плоская
панель, куб, параллелепипед и башня. По вертикали отмерено превышение
дневной выработки энергии трёхмерными структурами в сравнении с плоской
панелью. Синим цветом отмечены параметры при чистом небе, красным – при
частичной облачности, чёрным – при сильной облачности (иллюстрация Marco
Bernardi et al.).
Аналогично преимущество новой схемы раскрывается в облачную погоду, особенно при сплошной пелене облаков. Конечно,
последние задерживают много света, так что мощность любой батареи
существенно падает. Но 3D-панели за счёт ориентации элементов под
разными углами и эффекта лабиринта намного лучше обычной ячейки собирают
рассеянный свет. Потому при сильной облачности в выработке
электричества башней и одиночной плоской панелью наблюдается 35-кратная
разница. Хотя в ясную погоду эта же башня выдаёт за день только в 21-22
раза больше электричества, нежели простая батарея. Та же мысль
насчёт продуктивного сбора энергии в утренние и вечерние часы (а также
зимой и летом, без необходимости в повороте самих панелей по горизонтали
или вертикали) приходила, к слову, создателям цилиндрических солнечных батарей и солнечного дерева. По
мнению авторов нового проекта, повышенная стоимость таких систем может
быть оправдана увеличением суммарной выработки электричества за год
с каждого квадратного метра крыши того или иного здания. (Подробности всех опытов с трёхмерными батареями можно найти в статье на arXiv.org.)
|