Przełamywanie bariery cieplnej:-papier powlekany hydrożelem zapewnia przełom-w zakresie pasywnego chłodzenia modułów fotowoltaicznych

Wydajność modułów fotowoltaicznych (PV) jest nierozerwalnie powiązana z temperaturą pracy. Na każdy stopień Celsjusza powyżej standardowych warunków testowych (25 stopni) panel słoneczny z krzemu krystalicznego zwykle traci 0,4–0,5% swojej wydajności. W regionach tropikalnych i subtropikalnych, gdzie nasłonecznienie jest obfite, temperatury powierzchni paneli mogą z łatwością przekroczyć 60–70 stopni, co prowadzi do znacznych strat w uzysku energii. Chociaż istnieją aktywne systemy chłodzenia (takie jak pompy wodne i wentylatory), zwiększają one pasożytnicze zużycie energii, koszty konserwacji i złożoność systemu. Techniki chłodzenia pasywnego, w tym chłodzenie radiacyjne i wyparne, okazały się obiecujące, ale często wymagają drogich materiałów lub ulegają szybkiej degradacji.

Jednak niedawny przełom dokonany przez wietnamski zespół badawczy mógł właśnie zmienić ekonomię pasywnego chłodzenia fotowoltaicznego. Łącząc podłoże papierowe-powlekane hydrożelem z powolnym przepływem wody i odparowaniem międzyfazowym, opracowano system, który jest nie tylko bardzo skuteczny – obniża temperaturę roboczą nawet o 14 stopni i zwiększa wydajność aż o 16,8% – ale także niezwykle tani-i kompatybilny zarówno z wodą słodką, jak i naturalną wodą morską.

Innowacja polega na zastosowaniu eleganckiej i prostej techniki projektowania. Zespół badawczy pokrył cienki porowaty arkusz papieru powłoką hydrożelową wykonaną z hydrofilowych sieci polimerowych; dlatego ma bardzo dużą zdolność pochłaniania i zatrzymywania dużej ilości wody. Po zamknięciu papieru zostanie on zalaminowany z tyłu panelu fotowoltaicznego; w ten sposób można w sposób ciągły wprowadzać powolną strużkę wody albo ze źródła grawitacyjnego, albo z małego zbiornika umieszczonego z tyłu pasywnego panelu słonecznego.

Hydrożel ma dwie podstawowe funkcje. Po pierwsze, aby zatrzymać wilgoć w porowatym papierze długo po tym, jak nastąpi wchłonięcie wody przez papier i kontynuować zatrzymywanie wilgoci podczas długotrwałej ekspozycji na bezpośrednie działanie słońca i wysokie temperatury. Drugim jest wspomaganie parowania międzyfazowego (parowanie wody, które zachodzi na styku hydrożelu z otaczającym powietrzem, a nie parowanie wody z powierzchni cieczy). Połączenie hydrożelu pochłaniającego wodę z jednoczesnym umożliwieniem odparowania międzyfazowego daje większy efekt chłodzenia na jednostkę zużytej wody, a także jest znacznie bardziej energooszczędne niż parowanie w masie. Gdy woda wyparowuje; będzie pobierał bezpośrednio z panelu fotowoltaicznego ciepło utajone, zmniejszając w ten sposób temperaturę roboczą panelu fotowoltaicznego. Porowaty papier, który został laminowany z tyłu panelu fotowoltaicznego, ma dużą powierzchnię zapewniającą maksymalne parowanie, przy jednoczesnym utrzymaniu stosunkowo niskich kosztów materiałowych zastosowania hydrożelu.

Wietnamski zespół przeprowadził dokładne testy na świeżym powietrzu; podczas tych testów stwierdzono, że panel pokryty hydrożelem schładza panel o 14 stopni Celsjusza w porównaniu z panelem niepowlekanym (niechłodzonym). Oznacza to, że podczas szczytowego nasłonecznienia, kiedy straty ciepła byłyby największe, panel chłodzony zwiększał wydajność względną aż o 16,8% w porównaniu z panelem niepowlekanym.

Korzystając z tego przykładu: Rozważmy, że standardowy panel wytwarzający moc znamionową w temperaturze roboczej 65 stopni Celsjusza (400 watów) zapewni tylko około 320 watów mocy wyjściowej z powodu strat cieplnych. Przy systemie chłodzenia z zerowymi stratami ciepła ten sam panel zapewniałby prawie 374 waty mocy wyjściowej. Dlatego ilość energii wytwarzanej przez panele wykorzystujące ten system chłodzenia zapewnia znaczny wzrost ilości energii dostępnej do wykorzystania w systemach dachowych użyteczności publicznej lub komercyjnych, znacznie zmniejszając uśredniony koszt energii elektrycznej (LCOE).

Jednym z najbardziej niezwykłych aspektów tej innowacji jest możliwość zasilania zarówno wodą słodką, jak i naturalną wodą morską. W wielu lokalizacjach przybrzeżnych lub na wyspach słodka woda jest rzadkością lub jest droga, co sprawia, że ​​konwencjonalne chłodzenie wyparne jest niepraktyczne. Jednakże papier powlekany-hydrożelem wykazywał stabilne działanie nawet po zasileniu nieoczyszczoną wodą morską. Matryca hydrożelowa wydaje się być odporna na krystalizację soli i osadzanie się zanieczyszczeń – typowe problemy, które nękają konwencjonalne chłodnice wyparne – umożliwiając jonom soli dyfundowanie z powrotem do strumienia wody, zamiast gromadzić się na powierzchni wyparnej. Możliwość ta otwiera możliwości chłodzenia fotowoltaicznego dla instalacji morskich, pływających farm fotowoltaicznych i suchych regionów przybrzeżnych, gdzie dostępna jest wyłącznie woda słona.

Tradycyjne aktywne chłodzenie (wymuszony obieg powietrza lub wody) może obniżyć temperaturę modułów fotowoltaicznych o 10–20 stopni, ale zużywa 1–3% mocy systemu, wymaga pomp, rur i regularnej konserwacji. Pasywne folie chłodzące radiacyjnie, choć obiecujące, często opierają się na złożonych strukturach fotonicznych lub drogich polimerach i mogą utracić skuteczność w wilgotnych lub pochmurnych warunkach. Natomiast system papieru-hydrożelowego jest prawie całkowicie pasywny, z wyjątkiem minimalnego dopływu wody (który może być napędzany-grawitacją). Materiały – papier i hydrożel – są o rząd wielkości tańsze niż specjalistyczne folie chłodzące. Co więcej, system można zmodernizować w istniejących modułach przy bardzo niskich kosztach.

Żadna technologia nie jest pozbawiona ograniczeń. Papier powlekany-hydrożelem wymaga stałego, choć powolnego, dopływu wody (np. kilka litrów na metr kwadratowy dziennie). We wnętrzach, w których występuje-brak wody-odłączonej od sieci, może to w dalszym ciągu stanowić wyzwanie logistyczne, chociaż można wykorzystać wychwycony deszcz lub kondensat. Kolejnym czynnikiem jest-długoterminowa trwałość: papier musi być odporny na degradację pod wpływem promieni ultrafioletowych, a hydrożel musi utrzymywać swój cykl pęcznienia-kurczenia się przez tysiące cykli termicznych. Wietnamski zespół zgłosił obiecującą stabilność w początkowych okresach testowych, ale niezbędne będą wieloletnie dane terenowe.

Niemniej jednak potencjalne zastosowania są ogromne. Gospodarstwa agrowoltaiczne (w których woda jest już wykorzystywana do nawadniania upraw) mogłyby zintegrować chłodzenie fotowoltaiczne przy minimalnej dodatkowej wodzie. Systemy dachowe w wilgotnych miastach tropikalnych – gdzie chłodzenie wyparne pozostaje skuteczne – mogą odnotować natychmiastowy wzrost wydajności. A morska pływająca energia słoneczna, często ograniczona wysokimi temperaturami modułów i dostępnością wody morskiej, wydaje się idealnym rozwiązaniem.

Opracowanie przez wietnamskich badaczy pasywnego systemu chłodzenia z papieru-powlekanego hydrożelem stanowi znaczący krok naprzód w tanim-zarządzaniu ciepłem fotowoltaicznym. Zapewniając obniżenie temperatury o 14 stopni i poprawę wydajności o prawie 17% przy użyciu jedynie papieru, hydrożelu i strużki wody – świeżej lub słonej – ta innowacja podważa założenie, że skuteczne chłodzenie musi być drogie i-energochłonne. Ponieważ świat dąży do większej penetracji słońca w gorących i wilgotnych regionach, takie proste, biomimetyczne rozwiązania będą niezbędne. Kolejne kroki obejmują produkcję pilotażową,-długoterminowe testowanie niezawodności i integrację z systemami-zbierania wody. Jeśli te przeszkody zostaną usunięte, papier-powlekany hydrożelem może wkrótce stać się standardowym dodatkiem do paneli słonecznych-nowej generacji.