В настоящее время солнечные батареи как источники электропитания широко применяются как на стационарных, так и подвижных объектах. Совершенно очевидно, что источники питания такого типа являются наиболее перспективными и будут активно применяться в будущем, сфера их использования – расширяться, а стоимость – снижаться.
Но при этом одним из наиболее существенных недостатков солнечных батарей всех типов является зависимость мощности генерации от положения солнца относительно батареи. Максимальная генерация достигается при ортогональном падении солнечных лучей на поверхность батареи, а при изменении этого угла мощность резко падает. Так, например, при значении угла падения луча>60° мощность генерации падает на 80 %, что совершенно неприемлемо [1].
Очевидным решением этой проблемы является использование различных средств изменения направления луча, положения самой батареи, отражателей или концентраторов солнечной энергии, которые позволят обеспечить ортогональное падение лучей на поверхность солнечной батареи. Это, безусловно, влияет на надежность работы станции, усложняет ее эксплуатацию, обслуживание и в конечном итоге влияет на стоимость вырабатываемой электроэнергии [1].
Все методы изменения направления светового луча делятся на две большие группы:
– механические;
– оптические.
В механических методах солнечная батарея устанавливается на поворотную платформу – гелиостат, либо используется зеркало (призма), которое поворачивается при движении солнца по горизонту и отражает луч таким образом, чтобы он падал на солнечную батарею ортогонально.
В оптических методах применяются различные немеханические способы поворота луча, основанные на законах геометрической оптики – преломление луча, интерференция, дифракция и т.д. В свою очередь, они делятся на две группы:
– адаптивные;
– неадаптивные.
В адаптивных методах вследствие внешнего воздействия на вещество, выполняющее поворот луча, происходит изменение его оптических свойств, в результате угол поворота может изменяться в зависимости от внешних условий (изменение положения солнца на горизонте, изменение расположения объекта в пространстве и т.д.).
В неадаптивных методах величина изменения направление луча фиксированная и не будет зависеть от внешних условий. Совершенно очевидно, что наиболее перспективными являются адаптивные оптические методы изменения направления светового луча.
Во всех механических методах изменения направления светового луча используется либо поворот самой солнечной батареи по отношению к солнцу, либо поворот специального зеркала (призмы) которое перенаправляет световой луч, так, чтобы он падал на солнечную батарею ортогонально.
В частности, одним из известных примеров практической реализации такого метода, является солнечная электростанция СЭС – 5, построенная в 80-е годы прошлого века в Крыму [2], . Следует отметить, что станции такого типа крайне ненадежны и громоздки, и поэтому не получили широкого распространения в мире.
Для современных солнечных электростанций небольшой мощности существуют портативные системы слежения за солнцем, примером может служить привод солнечной электростанции «Астро Эл-320 Синхрон», который позволяет ориентировать батареи относительно сторон света.
Однако очевидно, что применение механических систем поворота солнечных батарей, отражателей или других элементов является малоперспективным, поскольку сложность и низкая отказоустойчивость такой системы не вызывает сомнений, и с увеличением количества подвижных элементов она будет только возрастать. В связи с этим перспективно создавать модули со стационарными концентраторами, позволяющими исключить механические системы слежения, то есть использовать оптические методы поворота солнечных лучей.
Эти методы позволяют создавать фотоэлектрические установки с концентраторами солнечной энергии, позволяющие вырабатывать электроэнергию без слежения за положением Солнца [4].
Простейшим примером является использование неподвижных линз особой конструкции, фокусирующих солнечную энергию непосредственно на поверхность солнечной батареи. Это позволяет повысить энергоотдачу солнечной батареи, но весьма незначительно – не более чем на 10 %. Следует отметить, что в любых оптических концентраторах независимо от их конструкции происходят потери излучения, связанные с отражением от поверхности и поглощением, причем по мере загрязнения поверхности концентратора эти потери будут только возрастать. В результате фактический прирост энергоотдачи за счет применения таких простых концентраторов солнечной энергии может быть даже сведен к нулю. По этой причине линзовые концентраторы солнечной энергии доказали свою низкую эффективность и не получили широкого распространения.
Дальнейшим развитием оптических концентраторов солнечной энергии стало появление отражателей, имеющих поверхность сложной геометрической формы, обеспечивающей отражение солнечных лучей с больших азимутальных углов, в частности, конусов сложной формы и призм. Еще более совершенным решением является использование в качестве преломляющих элементов так называемых гелиотехнических линз или призм Френеля [1]. Их рабочий профиль представляет набор призматических элементов, при этом преломляющие их способности подобраны в соответствии с необходимыми принципами формирования освещённости на поверхности приемника излучения.
Главным недостатком концентрирующих систем в виде призм является наличие хроматических аберраций, которые уменьшают степень концентрации солнечного излучения и снижают эффективность системы в целом. Кроме этого, конструкция модуля концентратора солнечной энергии, изготовленная таким образом, может оказаться достаточно громоздкой и тяжелой, что может быть неприемлемо, особенно при использовании солнечной батареи на подвижных объектах.
Самым совершенным видом устройств такого типа, созданных до сегодняшнего дня, являются голографические солнечные концентраторы. Эти фотоэлектрические преобразователи обеспечивают отбор из потока наиболее подходящих для генерации световых частот [5, 6]. По сравнению с солнечными батареями без концентраторов, здесь для получения одного ватта требуется на 50–85 % меньше кремния, что является одним из условий низкой цены голографических панелей. К тому же сами голографические плёнки намного дешевле больших зеркал или линз. Однако, в солнечных батареях такого типа рабочая область используется крайне нерационально – большую часть поверхности батареи составляют не фотоэлементы, а «пустые» поля. Это приводит к значительному увеличению общей площади батарей, следовательно, габаритов электростанции в целом. И если солнечная электростанция является стационарной, данная проблема несущественна, а на подвижных объектах (например, электромобилях, самолетах, яхтах и т.д.), где на счету каждый квадратный сантиметр площади, это, скорее всего, будет неприменимо. Не следует забывать и о том, что часть полезного излучения будет неизбежно поглощаться внутри голографического концентратора.
Адаптивные методы изменения направления солнечных лучей позволяют управлять углом поворота луча в зависимости от положения Солнца на горизонте, а также самих солнечных батарей, если речь идет о подвижных объектах. В основе данного метода используется свойство некоторых материалов изменять свои характеристики (показатель преломления, прозрачность, угол поворота плоскости поляризации, переход из аморфного состояния в кристаллическое и наоборот и т.д.) в результате какого – либо внешнего воздействия – электростатического, электромагнитного, акустического, теплового и т.д. Такие материалы известны давно и широко применяются в технике, в частности, во всех видах жидкокристаллических индикаторов и экранов, однако в литературе пока не встречаются сведения об их использовании для управления углом поворота светового луча на солнечных электростанциях. Тем не менее, именно данное направление видится нам наиболее перспективным, особенно применительно к использованию на подвижных объектах, которые могут занимать произвольное пространственное положение по отношению к солнцу, и неадаптивные концентраторы солнечной энергии в этом случае могут оказаться неэффективными.
Для определения целесообразности такого подхода авторами статьи был проведен эксперимент, в котором использовалась полая прозрачная призма, заполненная оптически активной жидкостью. На жидкость внутри призмы оказывалось электрофизическое воздействие регулируемой мощности. Через призму проходил лазерный луч с длиной волны 630 нм. В результате эксперимента авторам удалось добиться отклонения лазерного луча на угол, равный 0,7°. Разумеется, столь незначительные углы отклонения не позволят реализовать возможность немеханического изменения направления светового луча в реальных солнечных электроустановках, но таким образом была доказана принципиальная возможность предложенного подхода. В дальнейшем эксперименты будут продолжены, в ходе которых планируется опробовать различные виды оптически активных веществ, конструкции отклоняющих призм, электрофизических воздействий, способы их приложений и сочетаний.
Поскольку опыт строительства и эксплуатации установок с концентраторами солнечной энергии всех типов еще незначителен, необходимо продолжать их активное изучение и расширять перспективы применения. В целом можно утверждать, что в настоящее время имеется высокая целесообразность и экономическая эффективность проектирования, разработки и строительства фотоэлектрических станций с применением концентраторов солнечной энергии, причем современное состояние развития науки и техники позволяет с успехом реализовывать эти достижения в промышленном масштабе. Особенно актуальным является такое направление, как разработка адаптивных концентраторов солнечной энергии, предназначенных для установки на подвижных объектах.