Швейцарская коллегия по технологиям и инновациям предоставила ученым грант в размере 2.4 миллиона долларов на развитие доступной фотоэлектрической системы, способной концентрировать солнечное излучение в 2000 раз с преобразованием 80 процентов поступающего излучения в полезную энергию. А ещё эта система также сможет производить опресненную воду и прохладный воздух в солнечный день.

На основе исследования, проведенного Европейской ассоциацией по солнечной и тепловой энергетике и организацией Гринпис, в теории, потребуется всего два процента от солнечной энергии из пустыни Сахара чтобы полностью обеспечить электроэнергией весь мир. К сожалению, существующие энергосберегающие технологии являются слишком дорогими и медленными, требуют для своего производства редкоземельные минералы и обладают низким КПД.

Прототип новой системы HCPVT использует большие параболические тарелки, сделанные из множества зеркальных граней, которые крепятся к системе слежения за солнцем. Система слежения располагает тарелку под лучшим углом захвата солнечных лучей, которые затем отражаются от зеркал на несколько микроканальных приемников с жидкостным охлаждением с тройным слоем фотоэлектрических микрочипов. Каждый микрочип может конвертировать в среднем 200-250 Вт энергии за восемь часов работы в обычный солнечный день.

Весь приемник комбинирует сотни микрочипов и обеспечивает 25 киловатт электрической мощности. Фотоэлектрические микрочипы установлены на микро-структурированные слои, которые содержат в себе трубки для охлаждающих жидкостей размерами в несколько микрометров. Они охлаждают в 10 раз эффективнее, чем пассивное охлаждение воздухом.

Охлаждающая система может поддерживать безопасную температуру микрочипов под рабочей нагрузкой концентрированной солнечной энергии в 2000 раз и может выдерживать температуры концентрированной солнечной энергии до 5000 раз.

Решение прямого охлаждения с очень маленькими мощностями накачки навеяно иерархической разветвленной системой кровоснабжения организма человека и уже опробована учеными IBM в высокопроизводительных компьютерах, в том числе Aquasar.

«Мы планируем использовать систему с тройными слоями фотоэлектрических элементов на модуле с микроканальным охлаждением, которая сможет преобразовывать более 30 процентов собранного солнечного излучения в электрическую энергию и создать условия для эффективного восстановления дополнительных 50 процентов тепла», сказал Бруно Мишель, менеджер из IBM Research.

«Мы считаем, что мы сможем достичь этого с помощью конструкции из легкого и высокопрочного бетона, который используется в мостах, а первичная оптика будет состоять из недорогих зеркал — это скромные инновации, но они опирается на многолетний опыт в микротехнологиях.»

«Мы заменили дорогие стали и оптику на стекла с низкой стоимостью, дешевый бетон и простую метализированную фольгу. Высокотехнологичные компоненты, в частности микроканальные охладители и пресс-формы, могут быть изготовлены в Швейцарии, а остальные строительно-монтажные работы произвести на месте установки. Система конкурентоспособна по цене и рабочие места создаются в обоих регионах.»

Концентрирующая оптика будет разработана ETH Zurich. «Дополнительная трассировка лучей будет применяться для оптимизации оптической конструкции, также для достижения равномерного потока солнечных лучей, которые мощнее в 2000 раз, на поверхности фотоэлемента», сказал Альдо Штайнфельд, профессор ETH Zurich.

При такой высокой концентрации и радикально низкой стоимости конструкции ученые полагают, что они смогут достичь стоимости апертуры в 250$ и дешевле за квадратный метр, что в три раза ниже, чем в аналогичных системах. Нормированная стоимость энергии будет меньше 10 центов за киловатт-час. Для сравнения, льготные тарифы на электроэнергию в Германии в настоящее время больше 25 центов за киловатт-час, а стоимость производства на угольных электростанциях составляет около 5-10 центов за киловатт-час.

Опреснение воды и прохладный воздух

Существующие системы фотоэлектрической концентрации собирают электрическую энергию и рассеивают тепловую энергию в атмосферу. В системе HCPVT ученые смогут устранить проблемы перегрева солнечных микрочипов, а также повторно использовать тепловую энергию для опреснения воды и охлаждения воздуха.

В HCPVT системе вместо нагревания конструкции, вода с температурой 90 градусов по Цельсию будет использоваться для нагрева соленой воды, которая затем проходит через пористую мембрану системы опреснения, где она испаряется и опресняется. Такая система может обеспечить 30-40 литров питьевой воды на квадратный метр приемника в день, при этом производя электроэнергию с КПД больше 25 процентов и выход двух киловатт-часов в сутки. Большая установка сможет обеспечить достаточное количество воды для города.

Система HCPVT может также обеспечить кондиционирование воздуха с помощью абсорбционной холодильной машины. Абсорбционная холодильная машина представляет собой устройство, которое преобразует тепло в охлаждение с помощью поглотителя тепла и теплового цикла.

Прототип системы HCPVT в настоящее время тестируется в IBM Research — Цюрих. Дополнительные прототипы будут построены в Биаске и Рюшликоне (Швейцария) в рамках сотрудничества.