Ученые продемонстрировали возможность использования сферических фотоэлектрических модулей с отражателем на открытом воздухе
Аккумулятор Challenger A12-100А на сайте инверторы.ру
Исследователи из Катара разработали прототип сферической фотоэлектрической панели диаметром 0,7 м и с 450 ячейками, оснащенной полусферическим алюминиевым отражателем, который значительно улучшает улавливание энергии. Однако система демонстрирует в основном преимущества, связанные с направлением и сезонами, а не более высокую годовую производительность или экономическую конкурентоспособность по сравнению с плоской панелью.
Сферический фотоэлектрический модуль с отражателем
Группа исследователей под руководством Катарского университета разработала сферический фотоэлектрический модуль, в котором используются отражатели для повышения эффективности сбора солнечной энергии.
«Мы разработали и экспериментально протестировали практический прототип сферического фотоэлектрического модуля, состоящий из 450 монокристаллических кремниевых солнечных элементов, распределенных по сферической подложке диаметром 0,70 м и объединенных с отражающим основанием», — рассказал автор исследования Амит Хандакар. «В отличие от обычных плоских фотоэлектрических модулей, которые имеют одну доминирующую ориентацию поверхности, сферическая геометрия распределяет фотоэлектрические элементы по всему диапазону 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 солнечного излучения при изменении положения солнца в течение дня без механического отслеживания».
Ключевым нововведением является интеграция полусферического отражателя в сферическую фотоэлектрическую систему. Отражатель перенаправляет неиспользуемое падающее излучение в разные области сферической поверхности. «По нашим расчетам, добавление отражателя увеличило выработку энергии сферическим модулем примерно на 71% по сравнению с той же сферической конфигурацией без отражателя», — продолжил Хандакар. «Наша работа объединяет трехмерную фотоэлектрическую геометрию с численным методом, учитывающим геометрию, который оценивает зависящее от ориентации излучение на сферической поверхности и преобразует его в электрический выход с поправкой на температуру».
«В целом новизна предлагаемой технологии заключается в сочетании полностью сферической фотоэлектрической архитектуры, сбора излучения с помощью отражателей, моделирования производительности с учетом геометрии, а также в наличии физически изготовленного и прошедшего испытания на открытом воздухе прототипа», — заявил он.
В статье «Сферический фотоэлектрический модуль с отражателем для сбора солнечной энергии», опубликованной в журнале Solar Energy, исследовательская группа объяснила, что новый модуль можно использовать в неоптимальных условиях, при низком положении солнца, в интегрированных в здания системах, мобильных установках или установках с ограничениями по ориентации, а также в местах с ограниченным доступом для очистки.
В прототипе сферического фотоэлектрического модуля с отражателем использовались элементы размером 52 мм × 52 мм без коммерческого стекла и полной герметизации. Они были соединены последовательно и установлены на непрозрачном сферическом сердечнике из пенополистирола. Примерно 80 % сферической поверхности было покрыто активными элементами, а оставшаяся часть отводилась под проводку, межсоединения и механические зазоры. Полусферический отражатель из полированного алюминия был неотъемлемой частью конструкции и направлял отраженный свет в нижнюю полусферу без использования фотоэлементов. Эффективное альбедо отражателя составляло 0,95, радиальный зазор — 0,40 м, а приблизительная площадь отражения — 3,07 м². Общая площадь установки с отражателем составляла примерно 1,74 м².
«Эта концепция была протестирована не только с помощью моделирования. Был проведен девятидневный экспериментальный тест на открытом воздухе с использованием системы мониторинга на базе ESP32 для регистрации напряжения, силы тока, мощности, температуры поверхности и параметров окружающей среды», — сказал Хандакар.
Конфигурация контрольно-измерительных приборов и системы мониторинга на основе интернета вещей для наружного испытательного стенда
В ходе моделирования и тестирования производительность сферического модуля сравнивалась с производительностью эталонной плоской панели с фиксированным наклоном на 25° в южном направлении в условиях Дохи.
По словам исследовательской группы, девятидневные испытания на открытом воздухе подтвердили работоспособность сферического прототипа фотоэлектрической системы. В условиях, не соответствующих стандартам тестирования солнечных систем, система выработала 183,17 Вт·ч и продемонстрировала «четкую» зависимость электрического отклика от интенсивности излучения. После девяти дней без очистки сферический прототип сохранил примерно 92% своей первоначальной производительности, что указывает на возможную устойчивость к загрязнению, хотя количественные измерения количества пыли не проводились.
«Полученные профили соответствовали ожидаемой суточной динамике солнечной активности и, следовательно, являются полезным экспериментальным подтверждением качественного поведения, предсказанного моделью с учетом геометрии», — подчеркнули ученые. «Также были проведены предварительные наблюдения за температурой поверхности в инфракрасном диапазоне. Однако, поскольку скорость ветра и параметры инфракрасного излучения не были определены в полной мере, эти измерения приводятся только как ориентировочные показатели тепловой эффективности, а не как подтверждение тепловой выгоды».
Что касается моделирования, то оно показало, что в период с июня по август 2025 года сфера с отражателем вырабатывала 113,0 кВт·ч/модуль по сравнению со 105,3 кВт·ч/модуль у плоской контрольной панели, что на 7,3% больше.
Дальнейшее моделирование с оптимизацией на весь год свело на нет преимущество, обусловленное выбранным периодом: сфера с отражателем вырабатывала 405,5 кВт·ч в год по сравнению с примерно 425,0 кВт·ч в год у плоской референсной модели. Кроме того, моделирование показало, что сфера превосходила плоскую референсную модель только в 4 из 12 месяцев, что свидетельствует о том, что ее главное преимущество заключается в более широком диапазоне направленности, а не в стабильно более высокой годовой выработке энергии.
Согласно предварительным экономическим расчетам, у сферической системы удельная стоимость электроэнергии составляет 0,0424 доллара за кВт·ч по сравнению с 0,0320 доллара за кВт·ч у плоской системы, что примерно на 32,5% выше. В целом результаты подтверждают возможность эксплуатации на открытом воздухе и значительные оптические преимущества, связанные с отражателем, но пока не демонстрируют превосходства в годовом потреблении энергии, тепловыделении, загрязнении и экономических показателях.
«Данная работа закладывает практическую основу для разработки сферических фотоэлектрических систем в масштабе прототипа и определяет ключевые конструктивные улучшения, необходимые для оптимизации в будущем, включая защитную оболочку, калибровку измерения интенсивности излучения, количественную оценку загрязнения, испытания на долговечность и долгосрочную проверку в условиях эксплуатации на открытом воздухе», — заключили ученые.