Inovativni 3D dizajn tima naučnika sa Masačusetskog Instituta za tehnologiju (MIT – Massachusetts Institute of Technology) može više nego da udvostruči generisanje solarne energije iz date oblasti.
Intenzivna istraživanja širom sveta su usmerena na poboljšanje performasni solarnih fotonaponskih ćelija i smanjivanja njihovih cena. Ali, veoma je malo pažnje posvećeno najboljim načinima uređenja tih ćelija, koje su tipično postavljene ravno na krovu ili drugoj površini, ili ponekad zakačene za motorizovane strukture koje usmeravaju ćelije ka suncu dok ono prolazi nebom.
Tim istraživača sa MIT-a je došao do veoma drugačijeg pristupa: izgradnja prizma ili kula koje protežu solarne ćelije nagore u trodimenzionalnim konfiguracijama. Zapanjujuće je da rezultati konfiguracija koje su testirali pokazuju izlaznu snagu u rasponu od duple do više nego dvadeset puta od onih fiksnih ravnih panela sa istom baznom površinom.
Najveće povećanje energije je primećeno u situacijama gde su poboljšanja najpotrebnija: na lokacijama koje su daleko od ekvatora, u zimskim mesecima i u oblačnim danima. Nova saznanja, na osnovu kompjuterskog modelovanja i testiranja stvarnih modula na otvorenom, su objavljena u časopisu Energy and Environmental Science.
„Mislim da bi ovaj proces mogao da postane važan deo budućnosti fotonaponskih sistema“, kaže primarni autor istraživanja, Džefri Grosman (Jeffrey Grossman), vanredni profesor energetike na Masačusetskom Institutu za tehnologiju.
Tim sa MIT-a je u početku koristio kompjuterski algoritam da istraži ogroman broj mogućih konfiguracija, i razvio analitički softver koji može da testira bilo koju konfiguraciju na bilo kom mestu na svetu, pri bilo kom godišnjem dobu i vremenu. Zatim, u cilju potvrđivanja predviđanja njihovog modela, oni su izgradili i testirali tri različite postavke solarnih ćelija na krovu MIT laboratorijske zgrade na nekoliko nedelja.
Iako troškovi date količine energije proizvedene od strane tih 3D modula prevazilaze one od običnih ravnih panela, trošak se delimično balansira po mnogo većem energetskom izlazu za dati otisak, kao i još veća jedinstvena izlazna snaga tokom jednog dana, tokom godišnjih doba, a i u slučaju blokade od strane oblaka ili senki. Ova poboljšanja čine izlaznu snagu više predvidivom i uniformisanom, što može učiniti lakšom integraciju sa električnom mrežom nego sa konvencionalnim sistemima, kažu autori.
Osnovni fizički razlog za poboljšanje izlazne snage – i za više uniformisani izlaz tokom vremena – jeste taj što vertikalna površina 3D struktura može da prikupi mnogo više sunčeve svetlosti tokom jutra, večeri i zimi, kada je sunce bliže horizontu, kaže koautor Marko Bernardi (Marco Bernardi), diplomac MIT-a na Odeljenju za nauku o materijalima i inženjerstvo (DMSE – Department of Materials Science and Engineering).
Vreme je zrelo za takvu inovaciju, dodaje Grosman, zato što su solarne ćelije postale jeftinije od pratećih struktura za podršku, elektroinstalacija i postavljanja. Kako cene samih ćelija nastavljaju da opadaju brže od drugih troškova, dodaju autori, prednosti 3D sistema će rasti u skladu sa tim.
„Samo pre deset godina, ova ideja ne bi bila ekonomski opravdana jer moduli koštaju toliko“, kaže Grosman. Ali sada, dodaje on, „cena za silicijumske ćelije je deo ukupnih troškova, što je trend koji će nastaviti da opada u bliskoj budućnosti“. Trenutno, i do 65 odsto troškova fotonaponskih sistema je povezan sa instalacijom, dozvolom za korišćenje zemljišta i drugih komponenti pored samih ćelija.
Iako je kompjutersko modelovanje, urađeno od strane Grosmana i njegovih kolega, pokazalo da bi najveće prednosti potekle iz upotrebe kompleksnih oblika – kao što su kocke u kojima je svaka strana nagnuta ka unutra – oni bi bili teški za proizvodnju, kaže koautor Nikola Feralis (Nicola Ferralis), istraživač u DMSE. Algoritmi se takođe mogu koristiti za optimizaciju i pojednostavljenje oblika sa malim gubitkom energije. Ispostavilo se da je razlika u izlaznoj snazi između takvih optimizovanih oblika i jednostavnije prizme samo oko 10 do 15 procenata – razlika koja je relativno mala u odnosu na znatno bolje performanse 3D oblika u celini, dodaje on. Tim je analizirao jednostavnije kubične i složenije „harmonika“ oblike u svojim istraživačkim testovima na terenu.
Isprva, istraživači su bili uznemireni kada je skoro dve nedelje prošlo bez vedrog, sunčanog dana tokom testiranja. Ali onda, pregledajući podatke, oni su shvatili da su naučili važne lekcije iz tih oblačnih dana, koje su pokazali ogroman napredak u izlaznoj energiji u odnosu na konvencionalne ravne panele.
Što se tiče kule nalik harmonici – što je bila najviša struktura koju je tim testirao – ideja je bila da se simulira kula koju „možete poslati sklopljenu, a zatim razviti na lokaciji“, kaže Grosman. Takve kule mogu biti postavljene na parkinzima kao stanice za punjenje električnih vozila, kaže on.
Do sada, tim je modelovao pojedinačne 3D module. Sledeći korak je da prouče kolekciju takvih kula, računajući na senku koju jedna kula baca na druge u različito doba dana. U principu, 3D oblici bi mogli da imaju veliku prednost na bilo kojoj lokaciji gde je prostor ograničen, kao što su ravni krovovi ili u urbanim sredinama, dodaju oni. Takvi oblici se takođe mogu koristiti u obilnijim aplikacijama, kao što su solarne elektrane, onda kada se efekti senčenja između njih pažljivo minimiziraju.
Nekoliko drugih istraživanja – uključujući čak i srednjoškolski naučni projekat prošle godine – je pokušalo 3D implementaciju solarnih ćelija. Ali, kako kaže Grosman: „Naša studija je različita u prirodi, pošto je prva koja je pristupila problemu sistematskim i prediktivnim analizama.“
Dejvid Gracijas (David Gracias), vanredni profesor hemijskog i biomolekularnog inženjerstva na Univerzitetu Džon Hopkins (Johns Hopkins University), koji nije učestvovao u ovom istraživanju, kaže da je Grosman i njegov tim „pokazao teoretske i konceptualne dokaze da 3D fotonaponski elementi mogu da obezbede značajne prednosti u smislu hvatanja svetlosti pod različitim uglovima. Izazov je, međutim, masovno proizvoditi ove elemente na isplativ način“.
