Ученые Энергетического факультета Южно-Уральского государственного университета (вуз – участник Проекта 5-100) разработали и запатентовали новый вид голографической пленки для защиты солнечных батарей от перегрева в условиях жаркого климата. Патент на полезную модель был получен в прошлом году после серии научных публикаций и экспериментов.
Солнечная энергетика – шаг в будущее
Использование солнечной энергии является экологически чистой альтернативой традиционному ископаемому топливу, поэтому в последнее время значительно выросла потребность в устройствах, которые могут преобразовывать солнечную энергию в электричество. Примером таких устройств служат фотоэлектрические элементы. Уже разработаны различные типы фотоэлектрических устройств, однако эффективность фотоэлектрического преобразования все еще нуждается в улучшении, и поэтому создание методов повышения их эффективности является приоритетной задачей многих исследователей.
Молодые ученые Илхом Махсумов и Евгений Сироткин под руководством доктора технических наук, профессора кафедры «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» Ирины Кирпичниковой создали голографическую пленку, которая повысит эффективность работы фотоэлектрических систем в условиях жаркого климата. Такой эффект достигается за счет защиты солнечных модулей от перегрева и повышения вырабатываемой ими энергии при помощи увеличения концентрации солнечных лучей.
Большинство фотоэлектрических модулей спроектировано таким образом, что наиболее эффективно они работают в стандартных испытательных условиях, то есть при освещенности, равной 1000 Вт/м2, и температуре воздуха +25°С. Однако на открытом воздухе в реальных условиях эксплуатации модуль, как правило, работает при более высокой температуре, что приводит к снижению генерируемой мощности и к сокращению срока службы.
«Голографическая пленка на основе призматических концентраторов (призмаконов) из прозрачного материала содержит голографические линзы бесконечно малых размеров. Сверху она покрыта ультратонким слоем напыления из редкоземельных металлов. Этот слой отражает инфракрасное излучение и пропускает видимое излучение. Внутренняя структура голографической пленки выполнена в виде миниатюрных пирамид – призматических концентраторов, способных эффективно улавливать световые лучи и за счет многократного отражения их внутри призм концентрировать на поверхности солнечного модуля. Это решение увеличивает эффективность солнечных модулей даже при пасмурной погоде», – поясняет Ирина Кирпичникова.
Новое решение улучшит работу солнечных батарей
Принцип работы голографической пленки заключается в том, что солнечные лучи попадают на поверхность модуля, при этом часть спектра (инфракрасные лучи) отражается от металлизированного верхнего слоя пленки, предотвращая перегрев модуля. Видимая часть спектра солнечного излучения попадает на пирамидальную структуру концентраторов и, неоднократно преломляясь в них, благодаря внутреннему отражению, концентрируется на солнечном элементе вне зависимости от угла падения лучей на солнечный модуль.
Эта пленка может применяться на любых органических и неорганических фотоэлектрических элементах, на фотоэлектрических панелях, солнечных тепловых панелях, на источниках освещения, на светоотражающем материале, используемом на дорожных знаках. Кроме того, она позволяет получить большое количество вариантов в направлении световых лучей, которые часто не могут быть получены иным образом.
Такое простое и экономичное решение позволяет увеличить выработку электроэнергии солнечным модулем, не допускает его перегрева и выхода из строя, в целом способствует повышению эффективности его работы.
Кандидат технических наук, научный сотрудник Нового физтеха Университета ИТМО Ворошилов Павел: «Действительно, однопереходные солнечные элементы способны эффективно преобразовывать только часть солнечного спектра. Другая же часть оказывается бесполезной для генерации электричества, а в некоторых случаях может вредить. В частности, избыточная энергия фотонов преобразуется в кинетическую энергию фотоиндуцированных носителей заряда. Это приводит к нагреванию, уменьшающему КПД солнечного элемента. Разработки, ведущиеся в данном направлении, являются важными и актуальными для дальнейшего прогресса в области фотовольтаики. Применение подобных голографических покрытий может дополнительно защищать солнечные панели от внешнего воздействия окружающей среды, увеличивая долговечность и стабильность работы солнечного элемента».
Профессор кафедры фотоники СПбГЭТУ «ЛЭТИ» Александр Гудовских: «Ключевыми показателями, определяющими успешность развития солнечной энергетики, являются высокая эффективность и малая стоимость фотоэлектрических преобразователей. Для повышения эффективности работы солнечных элементов необходимо снизить потери, которые связаны с отражением и неполным поглощением падающего излучения, а также с тем, что значительная часть энергии солнечного излучения преобразуется не в электрическую, а в тепловую энергию. Последний фактор связан с различными явлениями. Это в первую очередь потери на так называемую термализацию носителей заряда, когда при поглощении фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны, происходит генерация носителей заряда с избыточной энергией, которая переходит в тепло. Другим источником нагрева солнечного элемента, на снижение которого направлено описываемое исследование, является нагрев металлической контактной сетки. Длинноволновая часть спектра солнечного излучения не поглощается в активных слоях солнечных элементов, проходит через них и поглощается металлической контактной сеткой, что тоже приводит к нагреву. Следует отметить, что нагрев солнечного элемента приводит к снижению эффективности его работы. Так, для самых распространенных солнечных элементов на основе кремния снижение выходной мощности составляет примерно 0,5% при нагреве на градус Цельсия, т.е. при нагреве на 20°C уменьшение выходной мощности уже составит 10%. Таким образом, предлагаемая идея снижения нагрева солнечных элементов за счет эффективного отражения инфракрасного излучения, непоглощаемого фотоактивным материалом, представляется достаточно перспективной. Однако для однозначного утверждения о выигрыше от предлагаемого решения нужно провести количественную оценку – насколько уменьшается нагрев в реальных условиях; убедиться, что не происходит оптических потерь в области фоточувствительности солнечных элементов, а также провести экономическую оценку прироста эффективности и потенциальных затрат».
Информация и фото предоставлены пресс-службой Проекта 5-100
