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3D设计理念提高太阳能利用效率达20倍

发布日期:2012-04-05 来源:麻省理工学院 作者:网络

  现在,时机已经成熟,可以进行这样的创新,格罗斯曼说,因为太阳能电池的成本已低于附带的支撑结构、布线和安装费用。因为电池本身的成本会继续下降,下降速度比其他费用更快,因此,他们说,3-D系统的优势会相应增加。“即使在10年前,这个想法也不是经济合理的,因为这些组件的成本非常高,”格罗斯曼说。但现在,他补充说,“硅太阳能电池的成本只是总成本的一小部分,在不久的将来,这一趋势是会继续下降。”目前,高达65%的光伏(PV)发电成本属于安装、土地使用权限和其他组件,都不属于电池本身。

太阳能电池分别采用平板、立方体、高立方体和塔型,在阴天和晴天时的产能对比。
  虽然格罗斯曼和他同事们的计算机模拟表明,最大的优势会来自复杂形状,比如立方体,每一面都向内微微凹进去,这很难制造,合著者尼古拉•费拉里(Nicola Ferralis)说,他是材料科学与工程系的研究科学家。这种算法也可用于优化和简化形状,几乎不损失能量。他说,原来,在最佳形状和简单立方体之间,输出功率的差别只有约10%至15%,这一差异就无足轻重,因为通常已经大大提高了3-D形状的性能。研究小组分析了简单的立方体,以及更复杂的手风琴一样的形状,他们在楼顶进行了实验测试。

  起初,研究人员很苦恼,因为近两个星期过去了,都没有一个晴天进行他们的测试。但随后,在考察数据时,他们意识到,他们从漫长的阴雨天吸取了重要的经验教训,这表明,需要大大改进输出功率,要胜过传统的平板电池。手风琴般的塔型是研究小组测试过的最高结构,这一想法是模拟塔型,“你可以在运输时采用平板,然后在现场折叠起来,”格罗斯曼说。他说,这种塔型可以安装在停车场,做成电动汽车充电站。

  到目前为止,研究小组已模拟了个别的3-D组件。下一步是研究这种塔型组合,要考虑在一天的不同时间,一个塔型投在其他塔型上的阴影。一般情况下,3-D形状在任何位置都有很大的优势,因为空间有限,比如在平屋顶上安装,或在城市环境中,他们说。这样的形状也可以进行更大规模的应用,比如用于太阳能农场,只需尽可能地精心缩小塔型之间的阴影影响。

  一些其他的工作,甚至包括去年一所中学的科学展览项目,也采用了3-D排列的太阳能电池。但是,格罗斯曼说,“我们的研究在本质上是不同的,因为它是第一次着手解决这个问题,采用的是系统化和预测分析方法。”大卫•格拉西亚斯(David Gracias)是约翰•霍普金斯大学(Johns Hopkins University)化学和生物分子工程副教授,他没有参与这项研究,他说,格罗斯曼和他的研究小组“已经展示了理论和概念证明的证据,说明3-D光伏组件可以带来很大的好处,就是从不同的角度捕捉光线。但是,挑战在于要大规模生产这些组件,而且要有成本有效的方法。”

  他们的论文《三维太阳能发电》(Solar energy generation in three dimensions)在线发表在2012年3月8日的《能源和环境科学》杂志上,有业内专家对此设计做了评估,相信不久的将来这种3D设计会快速普及。

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