Солнечные батареи и зеркало: есть ли смысл?

Огромные вложения в гелио энергетику по всему миру связаны не только с заботой об окружающей среде. Не менее важная причина – финансовая. Теоретический предел КПД фотоэлектрических панелей превышает 80%. А эффективность нынешних моделей составляет в среднем 20-25%. Это вынуждает инженеров и ученых постоянно искать способы повышения удельной производительности – а, значит, и выгоды. Один из исследуемых вариантов – установка зеркал для солнечных батарей. 

Обоснование данной попытки очевидно. Физические законы оптики позволяют отражать и фокусировать любое количество лучей в одной точке. Повышение инсоляции в ней будет приводить к увеличению энергии. Однако с равноценным поднятием КПД в подобной ситуации все не так просто. 

Когда сочетание «солнечная батарея и зеркало» становится выгодным

На практике применение зеркальных отражателей является выгодным далеко не всегда. Перечень оптимальных условий для этого следующий. 

1. Рабочие поверхности солнечных панелей по разным причинам невозможно расположить под оптимальным углом к солнцу. Использование зеркала может легко сделать направление луча идеальным.
2. В СЭС с жестко закрепленными модулями установка быстро теряет производительность при изменении положения солнца. В этом случае зеркала способны заменить собой трекеры, обеспечивая рост эффективности на 25-30%.
3. В космических и иных системах, где финансовые затраты непринципиальны, и на первом месте стоит максимально возможный КПД.
4. При использовании панелей двухстороннего типа. Размещенная снизу недорогая зеркальная поверхность увеличит общую выработку системы почти на треть. 
5. В башенных СЭС, где зеркала всегда играют роль отражателей, а солнечная батарея заменяется нагревательным баком.

Максимальное распространение гелио установки различного типа с использованием зеркал получили в первой половине 2010-х годов. Цена на фотоэлектрические панели тогда была все еще высокой, и системы с зеркальными отражателями и концентраторами оказывались более выгодными и эффективными.

Как только стоимость классического гелио оборудования упала ниже определенного предела, ситуация изменилась на противоположную. И сегодня идея концентрирования энергии путем применения отражателей используется только в исключительных случаях.

Стоит ли устанавливать зеркала для солнечных батарей в стандартных условиях

Такой выбор специалисты в области гелио энергетики не рекомендуют. Основных причин этому две.

1. Система, базирующаяся на использовании большого количества идеально отполированных поверхностей, является сложной в эксплуатации. Зеркальные отражатели требуют частой очистки и постоянного изменения позиционирования. Вручную осуществить последнюю невозможно, а применение автоматических трекеров существенно увеличивает себестоимость.
2. При концентрации большого количества энергии на малой площади происходит ее нагревание до высоких температур в несколько сотен градусов. Кремниевые панели в таких условиях начнут быстро деградировать, а их КПД – снижаться.

Из второго варианта существуют два исключения:

• применение зеркал в установках, функционирующих в регионах с преобладающими низкими температурами;
• замена обычных кремниевых модулей панелями на базе малочувствительных к нагреву добавок и материалов.

Солнечные батареи и увеличительное стекло отражатель

Все вышесказанное относилось к зеркальным поверхностям большого размера. Однако миниатюрные отражательные линзы специальной конструкции свою рыночную нишу нашли. Среди них наиболее востребованными являются:

• мини-ячейки площадью до 1 см2 с дополнительным охлаждением жидкостного типа;
• широко известные в оптической физике линзы Френеля;
• фацеточные зеркальные конструкции, напоминающие строение глаза некоторых насекомых.

Об удачности подобных экспериментов говорят технические характеристики следующих известных систем на «зеркальной» отражательной основе.

1. Amonix Inc. (США) и IES_&_UPM (Испания) – фацет, два рабочих слоя поглощения, КПД 35,8%. Рыночная стоимость – от $450 за квадратный метр.
2. Sharp (Япония) – концентрирующие линзы, три рабочих слоя поглощения, КПД 41,5%. Рыночная стоимость – от $550 за квадратный метр.
3. Sharp (Япония) – линзы Френеля, от 4 до 6 слоев, КПД 48,0%, разработаны специально для аэрокосмической отрасли. От $800 за квадратный метр.   

Краткие выводы – повысит ли КПД зеркало для солнечных батарей 

На поставленный так вопрос ответ будет положительным. При этом рост производительности, в зависимости от условий эксплуатации и примененной технологии, способен составить от 25% до 300%.

К сожалению, перечень таких условий ограничен. И в абсолютном большинстве случаев по параметру «стоимость/эффективность» классические солнечные батареи окажутся в выигрыше. Особенно с учетом того, что ныне их средняя стоимость упала до $0,3-0,5 за 1 м2 и продолжает снижаться.