Но очень мало внимания уделялось наилучшим способам размещения этих элементов, которые обычно размещаются на крыше или другой поверхности или иногда прикрепляются к механизированным конструкциям, которые направляют элементы к солнцу, когда оно пересекает небо.

Теперь команда исследователей Массачусетского технологического института предложила совершенно иной подход: строить кубы или башни, которые вытягивают солнечные элементы вверх в трехмерных конфигурациях. Удивительно, но результаты протестированных конструкций показывают, что выходная мощность варьируется от двойной до более чем в 20 раз большей, чем у стационарных плоских панелей с той же площадью основания.

Наибольший прирост мощности наблюдался в ситуациях, когда улучшения наиболее необходимы: в местах, удаленных от экватора, в зимние месяцы и в пасмурные дни. Новые результаты, основанные как на компьютерном моделировании, так и на наружных испытаниях реальных модулей, были опубликованы в журнале Energy and Environmental Science.

"Я думаю, что эта концепция может стать важной частью будущего фотоэлектрической энергетики", - говорит старший автор статьи Джеффри Гроссман, доцент кафедры энергетики Карла Ричарда Содерберга в Массачусетском технологическом институте.

Команда MIT изначально использовала компьютерный алгоритм для изучения огромного разнообразия возможных конфигураций и разработала аналитическое программное обеспечение, которое может протестировать любую заданную конфигурацию в широком диапазоне широт, сезонов и погоды. Затем, чтобы подтвердить предсказания своей модели, они построили и протестировали три различных устройства солнечных элементов на крыше лабораторного здания Массачусетского технологического института в течение нескольких недель.

Хотя стоимость определенного количества энергии, вырабатываемой такими 3D-модулями, превышает стоимость обычных плоских панелей, расходы частично компенсируются гораздо более высокой производительностью энергии при заданной площади, а также гораздо более равномерной выходной мощностью в течение дня, в течение сезонов года и в условиях блокирования облаками или тенями. Эти усовершенствования делают выходную мощность более предсказуемой и равномерной, что может упростить интеграцию с энергосистемой по сравнению с обычными системами, говорят авторы.

Основная физическая причина улучшения выходной мощности - и более равномерного выхода с течением времени - заключается в том, что вертикальные поверхности трехмерных конструкций могут собирать гораздо больше солнечного света утром, вечером и зимой, когда солнце ближе к горизонту, говорит соавтор Марко Бернарди, аспирант кафедры материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института (DMSE).

Гроссман добавляет, что настало время для такого нововведения, потому что солнечные элементы стали дешевле, чем сопутствующие вспомогательные конструкции, проводка и монтаж. По их словам, поскольку стоимость самих элементов продолжает снижаться быстрее, чем эти другие затраты, преимущества трехмерных систем будут соответственно расти.

"Даже 10 лет назад эта идея не была бы экономически оправдана, потому что модули стоили так дорого", - говорит Гроссман. Но сейчас, добавляет он, "стоимость кремниевых элементов составляет лишь часть от общей стоимости, и эта тенденция продолжит снижаться в ближайшем будущем". В настоящее время до 65 процентов стоимости фотоэлектрической энергии связано с установкой, разрешением на использование земли и другими компонентами, помимо самих элементов.

Хотя компьютерное моделирование, проведенное Гроссманом и его коллегами, показало, что наибольшее преимущество будут иметь сложные формы, такие как куб, где каждая грань загнута внутрь, их будет сложно изготовить, говорит соавтор Никола Ферралис, научный сотрудник DMSE. Алгоритмы также могут быть использованы для оптимизации и упрощения форм с небольшими потерями энергии. Оказывается, разница в выходной мощности между такими оптимизированными формами и более простым кубом составляет всего 10-15 процентов - разница, которая затмевает значительно улучшенную производительность трехмерных форм в целом, говорит он. Команда проанализировала как более простые кубические, так и более сложные аккордеонообразные формы в своих экспериментальных тестах на крыше.

Сначала исследователи были огорчены, когда почти две недели прошло без ясного солнечного дня для их тестов. Но затем, взглянув на данные, они поняли, что извлекли важные уроки из облачных дней, которые показали значительное улучшение выходной мощности по сравнению с обычными плоскими панелями.

Для башни в форме аккордеона - самой высокой конструкции, которую тестировала команда, - идея состояла в том, чтобы смоделировать башню, которую "можно было бы поставить плоской, а затем развернуть на месте", - говорит Гроссман. По его словам, такую башню можно было бы установить на парковке, чтобы обеспечить зарядную станцию для электромобилей.

На данный момент команда смоделировала отдельные 3-D модули. Следующий шаг - изучить коллекцию таких башен, учитывая тени, которые одна башня отбрасывает на другие в разное время суток. В целом, трехмерные формы могут иметь большое преимущество в любом месте с ограниченным пространством, например, на плоских крышах или в городских условиях, говорят они. Такие формы также могут быть использованы в более масштабных приложениях, таких как солнечные фермы, когда эффекты затенения между башнями будут тщательно сведены к минимуму.

В нескольких других проектах, включая даже проект научной ярмарки в средней школе в прошлом году, предпринимались попытки 3D-компоновки солнечных элементов. Но, говорит Гроссман, "наше исследование отличается по своей природе, поскольку оно первым подходит к проблеме с помощью систематического и прогностического анализа"