Голографические солнечные батареи

Эти удивительные фотоэлектрические преобразователи следят за перемещающимся Солнцем не двигаясь и отбирают из потока света наиболее "вкусные" для себя частоты. При этом здесь нет ни одной подвижной детали, а низкая удельная стоимость новых батарей заставит многих сказать ископаемому топливу "прощай".

Американская компания Prism Solar Technologies выдвигает на рынок необычный продукт – солнечные фотоэлектрические модули, отличающиеся низкой стоимостью одного ватта выходной мощности и целым рядом привлекательных технических моментов. Да и привлекательной внешностью, что иной раз тоже важно.

Казалось бы, дешёвые солнечные батареи не могут похвастать высокой эффективностью. Во всяком случае, так было до сих пор. Но здесь, похоже, компания сумела найти оригинальное решение проблемы отношения мощность/стоимость, а для этого адаптировала к солнечной энергетике весьма любопытную технологию.

Как пишет Prism Solar, идея использования принципов голографии (подробнее о ней вы можете прочесть здесь) для концентрации света в устройствах для солнечной энергетики дискутировалась в технической литературе ещё с начала 1980-х. Но в наши дни именно Prism Solar довела эту сырую идею до ума, а главное – до продукта, готового к массовому производству.

Первый прототип коммерческой голографической солнечной батареи (фото с сайта nrel.gov).

Сердце новой солнечной панели — плоский голографический концентратор (Holographic Planar Concentrator — HPC). Это голограмма (голографическая плёнка), зажатая между двумя слоями стекла. На плёнке при помощи лазера выполнены невидимые для глаза "узоры" интерференции, рассчитанные определённым образом. Зачем они нужны?

Дело в том, что эта голограмма словно вырезает из солнечного спектра частоты, которые наиболее сильно воздействуют на фотоэлектрическую батарею, а далее – плёнка отражает нужные волны дальше.

Собственно, батарея нового типа представляет собой чередующиеся полоски, как у тельняшки: полоска голограммы – полоска фотоэлектрической батареи и так далее.

Нужные лучи, за счёт многократного отражения от голограммы и от внутренней поверхности наружного стекла, концентрируются и направляются на участки между голограммами, где с обратной стороны стеклянного "бутерброда" закреплены, собственно, фотоэлектрические панели.

Концентрация света здесь достигается не столь высокая, как в системах с зеркалами, призмами или линзами – всего-то до 10 раз. Зато, в отличие от упомянутых старых типов концентраторов, HPC обладает недюжинными достоинствами.

Это лёгкость и минимальная толщина. Это селекция света по частотам ("тепловая" часть спектра на фотоячейки не попадает), приводящая к высокой отдаче фотоэлектрических преобразователей без их перегрева.

И без всяких вентиляторов, заметьте. А ведь в случае с зеркалами и линзами принудительное охлаждение кремниевых панелей – непременное условие их работы, там-то концентрация солнечного света достигает 100 и более раз, да ещё и концентрируется — весь спектр.

Разрез голографической фотоэлектрической батареи. Толщина каждого из двух слоёв стекла — 3,2 миллиметра (жёлтый цвет), толщина голографической плёнки — 7 микрон (оранжевый). Синим показана фотоэлектрическая ячейка. Стрелки — направление солнечных лучей. Благодаря сложной голограмме свет будет правильно отражаться и попадать на фотоэлектрическую ячейку не только при падении по нормали к поверхности, но и в довольно широком диапазоне углов (иллюстрация с сайта nrel.gov).

По сравнению с солнечными батареями без концентраторов, здесь для получения одного ватта требуется на 50-85% меньше кремния, что является одним из условий необычайно низкой цены голографических панелей. Да к тому же и сами голографические плёнки также намного дешевле больших зеркал или линз.

Есть здесь и ещё одно весьма интересное преимущество.

Применённая в HPC голограмма – мультиплексная. Фактически – это огромное количество голограмм, наложенных одна на другую и "работающих" при падении на них солнечного света под своим, индивидуальным углом.

Такое решение позволяет получить высокую отдачу панели без поворота её вслед за Солнцем – просто при каждом его положении на небе, в пределах какого-то угла, задачу сбора и направления света на фотоэлектрические ячейки решает одна из этих голограмм.

А отсутствие механизма поворота – ещё несколько центов на весах экономии. К тому же, такую панель можно монтировать непосредственно на крыше.

	Так выглядит 25-ваттный модуль от Prism Solar. Как видим, собственно фотоэлектрические преобразователи занимают меньшую долю общей площади, но промежутки между ними, которые лишь выглядят как простое стекло — вовсе не лишние (фото с сайта nrel.gov).

Но это всё – теория. А что с практикой? В конце этого года Prism Solar намерена начать серийный выпуск своих голографических батарей по весьма привлекательной цене $2,4 за ватт, что примерно в 1,5-2 раза дешевле самых массовых на рынке "обычных" батарей на основе кристаллического кремния (примерно $3,2-4 за ватт).

Более того, второе поколение голографических батарей компания обещает сделать ещё дешевле – $1,5 за ватт (они появятся через несколько лет). А это тем более — опасный конкурент для других источников энергии (в районах, где много солнечных дней в году, разумеется).

Пока первые образцы таких батарей проходят испытания в лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США (National Renewable Energy Laboratory), а также – в ряде районов Америки и Японии. Серийное же производство – не за горами. И это должен быть успешный продукт.

Глава Prism Solar Рик Левандовски (Rick Lewandowski) называет концентратор HPC "более элегантным решением", чем линзы и зеркала, позволяющим, так же, как и они, снизить расход кремния на одну панель заданной мощности. Но при этом — сохранить толщину, лёгкость и конструктивную простоту обычных солнечных панелей. А частичная прозрачность новинки позволит встраивать её в стёкла: например, в окнах чердачных помещений или в декоративных дверях. Ещё один маленький плюсик.

Компания получила на HPC два американских патента (смотрите здесь и здесь) и намерена ещё получить ряд дополнительных.

Так что, наряду с наукой, разработчики этих необычных солнечных панелей позаботились и о коммерции. А ведь это и будет момент истины, способный проверить на прочность любые красивые идеи.

http://www.sciencer.ru/green/608366/