Японское искусство эффективности
Группа учёных из США нашла способ увеличить отдачу солнечных панелей, оставив неизменной технологию производства, но изменив их форму. Источником идеи послужило киригами – зародившееся в 1980 году японское искусство создания объёмных фигурок и открыток из бумаги с помощью ножниц.
Руководствуясь его принципами, исследователи предложили объединить тонкоплёночные панели из арсенида галлия в модуль со сложной волнообразной поверхностью, способный эффективно работать в большом диапазоне углов падения солнечных лучей. Это, в свою очередь, позволяет отказаться от использования дорогих систем поворота батарей в зависимости от положения светила.
Коэффициент полезного действия стандартной плоской солнечной панели напрямую зависит от угла падения солнечных лучей, который в идеале должен составлять 90 градусов. Чтобы получить максимальную отдачу, в промышленных солярных станциях применяют сложную систему слежения за солнцем, которая в течение дня поворачивает батареи вслед за ним. Однако её цена весьма высока – она составляет примерно 12% от общей стоимости энергоустановки, причём эта составляющая затрат постоянно растёт в отличие от солнечных панелей, которые дешевеют год от года. Кроме того, она может работать только с теми батареями, которые установлены на плоской поверхности. На скатных крышах – а именно на них, подсчитали учёные, монтируют примерно 85% бытовых батарей – смонтировать её не представляется возможным.
«Принципы оригами и киригами (складывание и разрезание бумаги для достижения необходимой формы) уже использовались при создании автомобильных подушек безопасности, складных космических солнечных панелей, несущих металлоконструкций и материалов, – сказано в коллективной статье Арона Ламурё, Мэтью Шлиана, Стивена Фореста и Макса Штайна, опубликованной в журнале Nature Communications. – Используя те же принципы, мы для начала создали простую динамическую структуру, объединённую с тонкоплёночными панелями, которая позволяет эффективно ориентироваться на солнце, не выходя за пределы одной плоскости». Она состоит из небольших гибких фотоэлементов, которым придали волнообразную форму и закрепили на специальной растягивающейся сетке. Если потянуть за один из её углов, изменится угол и положение каждого фрагмента солнечного модуля. Таким способом можно управлять положением фотоэлементов с точностью до 1 градуса.
Эксперименты показали, что такого рода система гораздо эффективнее плоских солнечных панелей по утрам и вечерам, когда солнце находится далеко от зенита. По ключевым показателям она близка к модулям, поворачивающимся вслед за светилом в одной плоскости. Те, в свою очередь, производят за год (в зависимости от географических координат установки) на 20–40% больше электроэнергии, чем обычные неподвижные панели. Батарея, сделанная по принципу киригами, даёт чуть меньшую прибавку, однако она обходится существенно дешевле.