Сразу три компании, IBM (исследовательское подразделение из Цюриха), Airlight Energy и Dsolar (дочерняя компания Airlight), представили новое изобретение — систему, преобразующую тепло и свет в электрическую энергию. Плюс ко всему, система еще и нагревает воду, так что такой «подсолнух» выгодно ставить вблизи жилых комплексов. Система называется HCPVT (highly efficient concentrated photovoltaic/thermal).
В конструкции HCPVT используются высокоэффективные фотоэлементы, которые могут преобразовать сфокусированные отражателями (рефлекторами) солнечные лучи с высокой температурой в фокусе в электричество. Рефлекторы для конструкции создала компания Airlight/Dsolar, а фотоэлементы предоставила IBM.

Технологии и элементы, которые используются в конструкции, хорошо известны. Новинкой является то, что в HCPVT используются и термальный метод получения электричества, и световой (фотоэлементы).

Отражатели представляют собой изогнутые зеркальные панели. По словам специалистов Airlight, идеальным материалом для таких панелей оказалась алюминиевая фольга. Это недорогой материал с высокой отражающей способностью. Для защиты отражателя ничего не требуется — материал достаточно надежный, хотя и очень тонкий. У «цветка» всего шесть «лепестков», каждый из которых состоит из шести отражателей. В точке фокуса 36 отражателей сосредоточено 6 коллекторов, по одному для каждого блока из 6 отражателей.



И вот как раз коллекторы — это нечто новое. Во-первых, каждый коллектор покрыт массивом фотоэлементов из арсенида галлия (GaAs). GaAs — преобразует свет в электричество гораздо более эффективно, чем кремний (38% в данном случае, вместо 20% для наиболее продвинутых кремниевых фотоэлементов). Конечно, GaAs — гораздо более дорогой материал, чем кремний. Но в HCPVT арсенида галлия немного — ведь покрыть им нужно только точку, на которой фокусируются солнечные лучи. На каждом коллекторе HCPVT арсенидом галлия покрыто всего несколько квадратных сантиметров, и в результате мы получаем один из самых эффективных в мире фотоэлементов. Каждый коллектор генерирует около 2 КВт энергии, в общем HCPVT дает примерно 12 КВт.


Фотоэлемент от IBM с арсенидом галлия

Фотоэлементы, как и большинство полупроводников, теряют эффективность в процессе нагревания. GaAs может работать максимально эффективно при температуре около 105 градусов Цельсия. Но проблема в том, что если сфокусировать свет рефлекторами в одной точке, то температура поднимается гораздо выше. При проведении тестовых испытаний ученые проплавили дыру в пластине железа, сфокусировав лучи на ее поверхности. Температура поднималась выше полутора тысяч градусов. Понятно, что нужны какие-то способы снизить столь высокую температуру. Задача была решена довольно оригинально.

Охлаждаем горячей водой

Инженеры IBM стали использовать решение, которое уже используется компанией для охлаждения суперкомпьютеров. А именно — жидкостная система охлаждения с горячей водой. В данном случае есть отличия — использовался «водяной блок», представляющий собой кремний с микрожидкостными каналами. Таких каналов делается несколько тысяч, и по ним вода поступает к нагреваемым элементам конструкции. Такое решение позволяет значительно увеличить количество тепла, которое можно рассеять, микроканалы в этом плане гораздо более эффективны, чем обычные каналы, какие используются в стандартной системе охлаждения.

Такие элементы крепятся на задней стороне фотоэлементов, что позволяет охлаждать площадки до требуемой температуры в 105 градусов Цельсия. В итоге получаем систему, которая производит 12 КВт электричества и 21 КВт тепловой энергии.



Технические характеристики системы

Недостатки

Пока что стоимость подобной системы составляет десятки тысяч долларов, но это только тестовый образец. В дальнейшем цена «подсолнуха» будет падать, если наладить их массовое производство, и весьма значительно.

Кроме того, работать HCPVT может только с прямыми солнечными лучами. В противном случае система будет неэффективной. У «подсолнуха», правда, есть система позиционирования, которая выставляет отражатели под нужным углом. Но тут есть еще и проблема облаков. Если их будет много, система не будет работать должным образом.

Энергии же, вырабатываемой одним «подсолнухом», хватит для 3-4 домохозяйств, не более, причем работать все это будет всего несколько часов в сутки — пока Солнце находится над горизонтом. Для того, чтобы обеспечить потребности даже небольшого города при помощи такой системы, понадобится весьма крупный массив HCPVT.

Ну, и главная проблема пока — это стоимость «подсолнуха», и, соответственно, себестоимость производимого электричества.
Тем не менее, в дальнейшем HCPVT будет совершенствоваться, а себестоимость ее создания может быть снижена. Такие «подсолнухи» достаточно привлекательны, и их могут использовать отдельные компании, правительственные объекты, гостиницы и курорты.



Solar Sunflowers, или HCPVT в 2016 году IBM с партнерами начнут поставлять потенциальным клиентам для тестирования, а их массовое производство планируется наладить к 2017 году. На фотографии, показанной выше, система представлена в полном размере. Это рабочий образец, хотя и не финальная модель.