Катарский университет проводит натурную верификацию прототипа сферической фотоэлектрической системы с отражателем на 450 ячейках

Репортаж от Wedoany，Команда под руководством Катарского университета (Qatar University) разработала и экспериментально проверила на компонентном уровне прототип сферической фотоэлектрической системы с отражателем, проведя девятидневный концептуальный эксперимент на открытом воздухе. Прототип состоит из 450 односторонних кремниевых солнечных элементов, размещённых на сферической подложке диаметром 0,70 м, оснащённой полусферическим отражателем. Испытания подтвердили возможность эксплуатации системы на открытом воздухе, однако годовое моделирование показало, что её годовая выработка энергии всё ещё ниже, чем у плоского эталонного модуля.

В отличие от обычных плоских модулей с единственной доминирующей ориентацией поверхности, сферическая структура распределяет фотоэлектрические элементы по непрерывному диапазону углов наклона и азимутов; по сравнению с неплоскими конфигурациями, такими как цилиндрические или конические, сфера не имеет предпочтительного азимутального направления, что позволяет улавливать солнечное излучение в течение дня без механического слежения. Ключевое новшество — полусферический чашеобразный отражатель, который перенаправляет ранее неиспользуемое падающее излучение на различные участки сферической поверхности. Моделирование показало, что по сравнению с той же сферической конфигурацией без отражателя, установка отражателя может повысить выход энергии примерно на 71%. Исследовательская группа также создала геометрически чувствительную модель производительности для оценки направленно-зависимой облучённости на сферической поверхности и преобразования её в температурно-скорректированную выработку электроэнергии.

Автор для корреспонденции Amith Khandakar в интервью pv magazine отметил, что суть этой технологии заключается в объединении полностью сферической фотоэлектрической архитектуры, улавливания излучения с помощью отражателя, вышеупомянутой модели производительности, а также реально изготовленного и протестированного на открытом воздухе прототипа в единую рамку. Исследовательская группа считает, что потенциальные применения этого модуля включают места с неоптимальной ориентацией и низкой высотой солнца, интегрированные в здания системы, мобильные или ограниченные по направлению установки, а также среды с ограниченной очисткой. Соответствующая статья опубликована в журнале Solar Energy под названием «Reflector-assisted spherical photovoltaic module for solar energy harvesting» (Отражатель-ассистируемый сферический фотоэлектрический модуль для сбора солнечной энергии).

Прототип сферической фотоэлектрической системы с отражателем использует элементы размером 52 мм × 52 мм без коммерческого стекла или полной герметизации; элементы соединены последовательно и установлены на непрозрачном пенополистирольном сферическом ядре, при этом около 80% сферической поверхности покрыто активными элементами, а остальная часть используется для проводки, межсоединений и механических зазоров. Оптическая конструкция включает полированный алюминиевый полусферический отражатель, который направляет отражённый свет на нижнюю полусферу без дополнительных фотоэлектрических элементов. Эффективное альбедо отражателя составляет 0,95, радиальный зазор — 0,40 м, площадь отражения — около 3,07 м²; расчётная площадь проекции всего устройства на землю составляет 1,74 м².

Команда использовала систему мониторинга на базе ESP32 для проведения девятидневного концептуального эксперимента на открытом воздухе, записывая напряжение, ток, мощность, температуру поверхности и параметры окружающей среды, сравнивая с эталонной плоской панелью (эталонная панель была установлена под фиксированным наклоном 25° и ориентирована на юг, условия испытаний соответствовали Дохе, Катар). За время испытаний сферическая система выработала 183,17 Вт·ч электроэнергии в условиях открытого воздуха, отличных от стандартных условий испытаний (STC), при этом электрический отклик чётко изменялся в зависимости от облучённости; после девяти дней без очистки сферический прототип сохранил около 92% первоначальной выработки, что, по мнению исследовательской группы, может указывать на устойчивость к загрязнению, однако количественные измерения пыли не проводились. Измеренные кривые соответствовали ожидаемым суточным трендам солнечной доступности, что обеспечило экспериментальную поддержку качественного поведения, предсказанного геометрически чувствительной моделью; наблюдения температуры поверхности, полученные с помощью инфракрасной записи, представлены только как индикативные тепловые тенденции и не считаются подтверждённым доказательством тепловых преимуществ.

Результаты моделирования показали, что с июня по август 2025 года сфера с отражателем выработала 113,0 кВт·ч на модуль, а плоский эталонный модуль — 105,3 кВт·ч/модуль, что представляет собой увеличение на 7,3%. Однако последующее оптимизированное годовое моделирование изменило это преимущество: годовая выработка сферы с отражателем составила 405,5 кВт·ч/модуль, а плоского эталона — около 425,0 кВт·ч/год; сфера превосходила плоский эталон только в 4 из 12 месяцев, что указывает на то, что основное преимущество данной конструкции — более широкая направленная реакция, а не стабильно более высокая годовая выработка энергии.

При предварительных экономических допущениях нормированная стоимость энергии (LCOE) сферической системы оценивается в 0,0424 долл. США/кВт·ч, а плоского эталона — 0,0320 долл. США/кВт·ч, что примерно на 32,5% выше. В целом, данное исследование подтвердило возможность эксплуатации на открытом воздухе и оптические преимущества отражателя, но не доказало превосходство в годовой выработке энергии, тепловых характеристиках, устойчивости к загрязнению или экономической эффективности. Команда резюмировала, что текущая работа закладывает практическую прототипную основу для развития сферической фотоэлектрической энергетики и определяет основные конструктивные улучшения, необходимые для будущей оптимизации, включая защитную герметизацию, калиброванные измерения облучённости, количественную оценку загрязнения, испытания на долговечность и более длительную верификацию на открытом воздухе.