Prelomenie tepelnej bariéry: Hydrogélový-potiahnutý papier ponúka nízkonákladový{1}}prelom pasívneho chladenia pre fotovoltické moduly

Účinnosť fotovoltického (PV) modulu je vnútorne spojená s prevádzkovou teplotou. Pre každý stupeň Celzia nad štandardné testovacie podmienky (25 stupňov) kryštalický kremíkový solárny panel zvyčajne stráca 0,4 – 0,5 % svojej účinnosti. V tropických a subtropických oblastiach, kde je slnečné žiarenie bohaté, môžu povrchové teploty panelov ľahko presiahnuť 60 – 70 stupňov, čo vedie k značným stratám energetického výnosu. Aj keď existujú aktívne chladiace systémy (ako sú vodné čerpadlá a ventilátory), zvyšujú parazitnú spotrebu energie, náklady na údržbu a zložitosť systému. Pasívne chladiace techniky, vrátane sálavého a odparovacieho chladenia, sa ukázali ako sľubné, ale často vyžadujú drahé materiály alebo trpia rýchlou degradáciou.

Nedávny prielom od vietnamského výskumného tímu však možno práve prepísal ekonomiku pasívneho FV chladenia. Spojením hydrogélového-papierového substrátu s pomalým prietokom vody a medzifázovým odparovaním vyvinuli systém, ktorý je nielen vysoko efektívny – znižuje prevádzkové teploty až o 14 stupňov a zvyšuje účinnosť až o 16,8 % – ale aj pozoruhodne lacný-a je kompatibilný so sladkou vodou aj prírodnou morskou vodou.

Inovácia zahŕňa použitie elegantnej a jednoduchej dizajnovej techniky. Výskumný tím zapuzdril tenký porézny list papiera s hydrogélovým povlakom, ktorý je vyrobený z hydrofilných polymérnych sietí; preto má veľmi veľkú kapacitu na absorbovanie a zadržiavanie veľkej vody. Akonáhle je papier zabalený, bude laminovaný na zadnú stranu FV panelu; týmto spôsobom môže byť nepretržite privádzaný pomalý pramienok vody buď z gravitačného prívodu alebo malého zásobníka umiestneného na zadnej strane pasívneho solárneho panelu.

Hydrogél má dve hlavné funkcie. Prvým je udržať vlhkosť v poréznom papieri dlho po absorpcii vody papierom a pokračovať v zadržiavaní vlhkosti počas dlhodobého vystavenia priamemu slnku a vysokým teplotám. Druhým je podpora medzifázového odparovania (vyparovanie vody, ku ktorému dochádza na rozhraní medzi hydrogélom a okolitým vzduchom, a nie odparovanie vody z povrchu objemnej kvapaliny). Kombinácia toho, že hydrogél absorbuje vodu a zároveň umožňuje odparovanie na rozhraní, vytvára väčší chladiaci účinok na jednotku spotrebovanej vody, ako aj je oveľa energeticky účinnejšia ako objemové odparovanie. Ako sa voda vyparuje; bude čerpať priamo z FV panelu latentné teplo, čím sa zníži prevádzková teplota FV panela. Porézny papier, ktorý bol nalaminovaný na zadnú stranu PV panela, má veľkú povrchovú plochu pre maximálne odparovanie, pričom zároveň udržuje relatívne nízke materiálové náklady na aplikáciu hydrogélu.

Vietnamský tím vykonal dôkladné vonkajšie testovanie; počas týchto testov sa zistilo, že panel potiahnutý hydrogélom ochladzuje panel o 14 stupňov Celzia v porovnaní s panelom bez povrchovej úpravy (nechladený). To znamená, že počas špičky slnka, kedy by boli tepelné straty najvyššie, chladený panel zvýšil relatívnu účinnosť až o 16,8% oproti nepotiahnutému panelu.

Pomocou tohto príkladu: Uvažujme o štandardnom paneli, ktorý produkuje menovitý výkon pri prevádzkovej teplote 65 stupňov Celzia (400 wattov) poskytne len približne 320 wattov výkonu v dôsledku tepelných strát. S chladiacim systémom s nulovými tepelnými stratami by rovnaký panel poskytoval výkon takmer 374 wattov. Množstvo energie generovanej panelmi využívajúcimi tento chladiaci systém preto poskytuje významné zvýšenie množstva energie dostupnej na použitie pre energetické alebo komerčné strešné systémy, čím sa výrazne znižujú vyrovnané náklady na elektrinu (LCOE).

Jedným z najpozoruhodnejších aspektov tejto inovácie je jej schopnosť využívať sladkú aj prírodnú morskú vodu. V mnohých pobrežných alebo ostrovných lokalitách je sladká voda vzácna alebo drahá, takže konvenčné chladenie odparovaním je nepraktické. Papier potiahnutý hydrogélom- však preukázal stabilný výkon, aj keď bol dodaný s neupravenou morskou vodou. Zdá sa, že hydrogélová matrica odoláva kryštalizácii soli a zanášaniu – bežným problémom, ktoré trápia konvenčné odparovacie chladiče – tým, že umožňuje soľným iónom difundovať späť do veľkého prúdu vody, namiesto toho, aby sa hromadili na odparovacom povrchu. Táto schopnosť otvára FV chladenie pre inštalácie na mori, plávajúce solárne farmy a suché pobrežné oblasti, kde je k dispozícii iba slaná voda.

Tradičné aktívne chladenie (nútená cirkulácia vzduchu alebo vody) môže znížiť teplotu FV o 10–20 stupňov, ale spotrebuje 1–3 % výkonu systému, vyžaduje čerpadlá, potrubia a pravidelnú údržbu. Pasívne radiačné chladiace filmy, hoci sú sľubné, sa často spoliehajú na zložité fotonické štruktúry alebo drahé polyméry a môžu stratiť účinnosť vo vlhkých alebo zamračených podmienkach. Naproti tomu hydrogélový-papierový systém je takmer úplne pasívny s výnimkou minimálneho prívodu vody (ktorý môže byť poháňaný gravitáciou-). Materiály – papier a hydrogél – sú rádovo lacnejšie ako špecializované chladiace fólie. Okrem toho je možné systém dodatočne namontovať na existujúce moduly za veľmi nízke náklady.

Žiadna technológia nie je bez obmedzení. Papier potiahnutý hydrogélom- vyžaduje stály, aj keď pomalý prísun vody (napr. niekoľko litrov na meter štvorcový za deň). V interiéroch s-riedkou-mriežkou to môže byť logistická výzva, hoci sa môže použiť zachytený dážď alebo kondenzát. Ďalším faktorom je dlhodobá{8}}trvanlivosť: papier musí odolávať degradácii ultrafialovým žiarením a hydrogél si musí zachovať cyklus napučiavania-zmršťovania počas tisícok tepelných cyklov. Vietnamský tím ohlásil sľubnú stabilitu počas počiatočných testovacích období, ale dôležité budú viacročné údaje v teréne.

Potenciálne aplikácie sú však obrovské. Poľnohospodárske farmy (kde sa už voda používa na zavlažovanie plodín) by mohli integrovať FV chladenie s minimálnou dodatočnou vodou. Strešné systémy vo vlhkých tropických mestách – kde je chladenie odparovaním stále účinné – by mohli zaznamenať okamžité zvýšenie výkonu. A plávajúca solárna energia na mori, často obmedzená vysokými teplotami modulov a dostupnosťou morskej vody, sa zdá byť dokonalým riešením.

Vývoj hydrogélového-pasívneho chladiaceho systému na papier s povrchovou úpravou vietnamskými výskumníkmi predstavuje významný krok vpred v-nákladovom tepelnom manažmente fotovoltických zariadení. Tým, že táto inovácia prináša zníženie teploty o 14 stupňov a takmer 17 % zlepšenie účinnosti s použitím papiera, hydrogélu a pramienok vody – čerstvej alebo slanej – spochybňuje predpoklad, že účinné chladenie musí byť drahé alebo-intenzívne energeticky náročné. Keďže svet tlačí na vyššiu penetráciu slnečného žiarenia v horúcich a vlhkých oblastiach, takéto jednoduché biomimetické riešenia budú nevyhnutné. Medzi ďalšie kroky patrí pilotná výroba, dlhodobé-testovanie spoľahlivosti a integrácia so systémami-na zber vody. Ak sa tieto prekážky odstránia, hydrogélový-poťahovaný papier sa môže čoskoro stať štandardným doplnkom solárnych panelov{12}}ďalšej generácie.