Учени от Университета в Катар разработиха сферичен фотоволтаичен модул, който използва триизмерна геометрия и алуминиев отражател, за да увеличи количеството уловена слънчева радиация. Прототипът е доказал, че работи успешно на открито, но резултатите сочат, че технологията все още не превъзхожда конвенционалните плоски панели нито по годишно производство на електроенергия, нито по икономическа ефективност.
Изследователите са изградили сферичен фотоволтаичен прототип във вид на кълбо с диаметър 0,70 метра, върху който са разположили 450 монокристални силициеви клетки. Клетките покриват приблизително 80% от повърхността. Останалото пространство е предназначено за окабеляване, свързване и механични разстояния.
Тази конструкция променя начина, по който модулът приема слънчевата радиация, защото клетките са разпределени по повърхност с широк диапазон от наклони и азимутални ориентации. За разлика от плоския панел, сферата няма една доминираща посока, което ѝ позволява да приема светлина от различни направления в зависимост от положението на Слънцето.
Това е и едно от основните предимства на сферичната геометрия, казват изследователите. Тя позволява на модула да реагира по-равномерно на променящия се ъгъл на слънчевото излъчване през деня, без да е необходим механичен тракер.
Отражателят променя резултата
Изследователите са добавили и полусферичен отражател от полиран алуминий, който е интегриран в конструкцията под фотоволтаичната сфера. Той пренасочва част от светлината, която иначе би останала неизползвана, към различни участъци от сферичната повърхност.
В симулациите добавянето на отражателя е увеличило енергийния добив на сферичния модул с приблизително 71% спрямо същата сферична конструкция без отражател. Ефектът обаче не означава, че сферичният модул произвежда с 71% повече електроенергия от стандартен плосък панел.
Отражателят има ефективно албедо от 0,95, радиална междина от 0,40 метра и приблизителна отражателна площ от 3,07 квадратни метра. Цялата конструкция заема изчислена проектирана площ върху земята от около 1,74 квадратни метра.
Тестове на открито
За разлика от много разработки, които остават на ниво компютърни симулации, катарският екип е подложил прототипа на реален външен тест. В продължение на девет дни система за мониторинг, базирана на ESP32, е записвала как работи соларният панел, който прилича на диско-топка: напрежение, ток, мощност, температура на повърхността и параметри на околната среда.
За деветте дни сферичният модул е произвел 183,17 Wh при реални условия, които не съответстват на стандартните тестови условия STC. Измерванията са показали ясна зависимост между електрическата мощност и наличната слънчева радиация, което потвърждава очакваното поведение на прототипа.
След девет дни без почистване модулът е запазил приблизително 92% от първоначалната си мощност. Авторите разглеждат това като потенциален признак за по-добра устойчивост към замърсяване, но не са извършвали количествени измервания на натрупания прах.
Температурните наблюдения с инфрачервена камера също са дали предварителна информация за топлинното поведение на системата. Изследователите обаче подчертават, че липсата на достатъчно подробни данни за скоростта на вятъра и параметрите на инфрачервените измервания не позволява от тях да се направи извод за доказано температурно предимство.
Предимството зависи от сезона
Екипът е сравнил сферичния модул с референтен плосък панел с фиксиран наклон от 25 градуса, ориентиран на юг, при условията в Доха. Резултатите показват, че сферичната конструкция може да има предимство в определени периоди от годината.
Между юни и август 2025 г. сферичният модул с отражател е генерирал 113,0 kWh, докато плоският референтен панел е достигнал 105,3 kWh. Това представлява увеличение от 7,3% за разглеждания период.
Когато обаче изследователите са направили оптимизирана симулация за цяла година, резултатът се е променил. Сферичната система може да генерира 405,5 kWh годишно, докато плоският референтен панел – приблизително 425,0 kWh.
Сферичният модул реално може да надминава плоския референт само през четири от общо 12 месеца в годината. Това показва, че основното предимство на технологията се състои в по-широката ѝ реакция към различни посоки на слънчевото излъчване, а не в постоянно по-висок годишен енергиен добив.
Предизвикателства
Икономическата оценка също не показва предимство за новата архитектура. При използваните предварителни допускания изравнената цена на електроенергията (LCOE) при сферичната система достига 0,0424 долара/kWh, докато при плоския референтен вариант тя е 0,0320 долара/kWh.
Това означава приблизително 32,5% по-висока LCOE за сферичната конструкция. Разликата е съществена, защото фотоволтаичните технологии се конкурират не само по ефективност на преобразуване, но и по цена на произведената електроенергия за целия жизнен цикъл.
Практическо приложение
Според изследователите, сферичната геометрия би могла да бъде интересна при инсталации, при които традиционният плосък панел не може да бъде оптимално ориентиран. Потенциални приложения са сградно-интегрирани фотоволтаични системи, мобилни инсталации, конструкции с ограничена възможност за ориентация и места с ниска височина на Слънцето над хоризонта.
Концепцията може да има значение и там, където достъпът за почистване е ограничен, ако бъде потвърдена предполагаемата устойчивост към замърсяване. Това обаче изисква по-продължителни тестове и количествено измерване на натрупването на прах.
Самият прототип все още е далеч от готов търговски продукт. Клетките с размери 52 × 52 mm са монтирани върху самоделно сферично ядро от стиропор, което значи, че конструкцията трябва да бъде усъвършенствана, за да може да използва стандартно защитно стъкло и пълна капсулация.
