Гидрогель охлаждает солнечные панели, повышая их выработку

Если предположить, что к 2025 году глобальная генерация фотоэлектрической энергии достигнет 1500 ГВт, то охлаждение всех этих панелей с использованием предложенного подхода позволит получить более 150 ГВт дополнительных мощностей

Влага из атмосферы, собираемая гидрогелем ночью, может быть использована для охлаждения солнечных панелей в течение дня, повышая их эффективность. Так говорят исследователи из Университета науки и технологий им. Короля Абдаллы (KAUST) в Саудовской Аравии и Гонконгского политехнического университета (PolyU), которые разработали полимерный гидрогель из смеси углеродных нанотрубок с гигроскопичной солью хлорида кальция. Эта технология может стать экологически чистым способом увеличения выработки фотоэлектрической энергии, а также быть использована для охлаждения других устройств.

Солнечные фотоэлектрические (PV) панели в настоящее время вырабатывают более 600 ГВт мировой электроэнергии, и ожидается, что эта цифра увеличится до 1500 ГВт к 2025 году и 3000 ГВт к 2030 году.

Хотя солнечная энергия является изобильным, неисчерпаемым и очень чистым источником энергии, коммерческие фотоэлементы на основе кремния могут преобразовывать только 6-25% поглощенного солнечного света в электрический ток. Остальная энергия превращается в отработанное тепло, что может повысить температуру солнечной панели до 40°C. Это делает ячейки менее эффективными и может их повредить, особенно в жарком климате, где эта проблема стоит более остро, чем в умеренных районах.

Фотоэлектрические панели можно охлаждать кондиционированным воздухом, но это энергоемкий процесс. Существуют также системы водяного охлаждения, но они требуют обильных запасов воды, а также резервуаров для ее хранения и сложной сети трубопроводов и насосов для доставки воды солнечным элементам.

Секрет в гелеобразной структуре материала

Технология основана на гелеобразном материале, который содержит поглощающие тепло углеродные нанотрубки (УНТ), встроенные в комбинированный материал из полиакриламида (ПАМ) и хлорида кальция (CaCl₂).

Гель может поглощать большое количество водяного пара из окружающего воздуха. Благодаря сильным структурным водородным связям, гель обладает самоклеящейся способностью и может достаточно эффективно удерживаться на различных поверхностях.

В своих экспериментах исследователи прижимали слой гидрогеля толщиной 1 см к нижней стороне типичной кремниевой солнечной панели. Когда температура воздуха вечером и ночью падает, водяной пар, поглощенный материалом, конденсируется и преобразуется в жидкость.

В дневное время, когда температура повышается, тепло от фотоэлектрической панели вызывает испарение воды - процесс, который не только отводит тепло от панели, но и регенерирует поглощающее пар вещество, таким образом устройство становится готовым к следующему ночному циклу.

Лабораторные эксперименты на фотоэлектрических панелях показали, что полностью насыщенный гель может высвободить достаточно воды, чтобы при охлаждающей способности 295 Вт/м² снизить температуру панели на 10°С, на которую действует солнечное излучение мощностью 1000 Вт/м².

Это снижение температуры повышает эффективность панели на столько, чтобы увеличить количество производимого электрического тока в среднем на 15%. Когда исследователи на открытом воздухе проводили испытания своей охлаждающей системы на прототипе в зимние и летние месяцы, эта цифра увеличилась до 19%, вероятно, из-за того, что ветер усиливал охлаждающий эффект.

Если предположить, что к 2025 году глобальная генерация фотоэлектрической энергии достигнет 1500 ГВт, то охлаждение всех этих панелей с использованием предложенного подхода позволит получить более 150 ГВт дополнительных мощностей.

Это может привести к сокращению потребления угля на 8,52x10⁷ метрических тонн в год и снижению выбросов CO₂ более чем на 1,48 x 10⁸ метрических тонн в год (при условии, что КПД выработки электроэнергии солнечными панелями составляет 20%).

Источник: Physics World. Nat Sustain (2020). https://doi.org/10.1038/s41893-020-0535-4