Bryder varmebarrieren: Hydrogel-Belagt papir giver et lavt-gennembrud for passiv køling til PV-moduler

Fotovoltaisk (PV) moduleffektivitet er uløseligt forbundet med driftstemperaturen. For hver grad Celsius over standardtestbetingelserne (25 grader), mister et krystallinsk siliciumsolpanel typisk 0,4-0,5 % af sin effektivitet. I tropiske og subtropiske områder, hvor solindstrålingen er rigelig, kan paneloverfladetemperaturer let overstige 60-70 grader, hvilket fører til betydelige energiudbyttetab. Mens aktive kølesystemer (såsom vandpumper og ventilatorer) eksisterer, tilføjer de parasitisk energiforbrug, vedligeholdelsesomkostninger og systemkompleksitet. Passive køleteknikker, herunder strålings- og fordampningskøling, har vist lovende, men kræver ofte dyre materialer eller lider under hurtig nedbrydning.

Et nyligt gennembrud fra et vietnamesisk forskerhold kan dog lige have omskrevet økonomien ved passiv PV-køling. Ved at kombinere et hydrogel-belagt papirsubstrat med en langsom vandstrøm og grænsefladefordampning har de udviklet et system, der ikke kun er yderst effektivt – sænker driftstemperaturerne med op til 14 grader og øger effektiviteten med så meget som 16,8 % – men også bemærkelsesværdigt lave-omkostninger og kompatibelt med både ferskvand og naturligt hav.

Innovationen involverer brugen af ​​en elegant og enkel designteknik. Forskerholdet indkapslede et tyndt porøst ark papir med en hydrogelbelægning, som er lavet af hydrofile polymernetværk; derfor har den en meget stor kapacitet til at absorbere og holde på stort vand. Når papiret er blevet indkapslet, vil det blive lamineret på bagsiden af ​​PV-panelet; på denne måde kan en langsom rislen af ​​vand løbende indføres fra enten en tyngdekrafttilførsel eller et lille reservoir placeret på bagsiden af ​​det passive solpanel.

Hydrogelen har to primære funktioner. Den første, at holde på fugten i det porøse papir længe efter, at papiret har absorberet vandet, og at fortsætte med at holde på fugten under længere tids udsættelse for direkte sol og høje temperaturer. Den anden er at fremme grænsefladefordampning (den fordampning af vand, der sker ved grænsefladen mellem hydrogelen og den omgivende luft, snarere end fordampningen af ​​vand fra en bulkvæskeoverflade). Kombinationen af ​​at have en hydrogel, der absorberer vand, samtidig med at den tillader grænsefladefordampning, giver en større køleeffekt pr. forbrugt vandenhed samt er meget mere energieffektiv end bulkfordampning. Når vand fordamper; den trækker direkte fra PV-panelet en latent varme, hvilket reducerer PV-panelets driftstemperatur. Det porøse papir, der er lamineret på bagsiden af ​​PV-panelet, har et højt overfladeareal for maksimal fordampning, samtidig med at materialeomkostningerne ved Hydrogel-applikationen holdes relativt lave.

Det vietnamesiske hold udførte grundig udendørs test; under disse tests har et hydrogelbelagt panel vist sig at køle et panel ned med 14 grader Celsius sammenlignet med et ubelagt panel (ikke-kølet). Dette betyder, at under høj sol, hvor termiske tab ville være størst, øgede det afkølede panel den relative effektivitet med så meget som 16,8 % i forhold til det ubelagte panel.

Ved at bruge dette eksempel: Overvej et standardpanel, der producerer nominel output ved en driftstemperatur på 65 grader Celsius, (400 watt) vil kun give ca. 320 watt output på grund af termiske tab. Med et kølesystem uden varmetab ville det samme panel give næsten 374 watt output. Derfor giver mængden af ​​strøm, der genereres af paneler, der bruger dette kølesystem, en betydelig stigning i mængden af ​​tilgængelig energi til brug for forsynings- eller kommercielle tagsystemer, hvilket i høj grad reducerer de udjævnede omkostninger til elektricitet (LCOE).

Et af de mest bemærkelsesværdige aspekter af denne innovation er dens evne til at køre på både ferskvand og naturligt havvand. I mange kyst- eller øområder er ferskvand knapt eller dyrt, hvilket gør konventionel fordampningskøling upraktisk. Det hydrogel-belagte papir viste imidlertid stabil ydeevne, selv når det blev forsynet med ubehandlet havvand. Hydrogelmatrixen ser ud til at modstå saltkrystallisation og begroning - almindelige problemer, der plager konventionelle fordampningskølere - ved at tillade saltioner at diffundere tilbage i bulkvandstrømmen i stedet for at akkumulere på fordampningsoverfladen. Denne evne åbner op for PV-køling til offshore-installationer, flydende solcellefarme og tørre kystområder, hvor kun saltvand er tilgængeligt.

Traditionel aktiv køling (tvungen luft- eller vandcirkulation) kan reducere PV-temperaturer med 10-20 grader, men forbruger 1-3% af systemets output, kræver pumper, rør og regelmæssig vedligeholdelse. Selv om passive strålingskølefilm er lovende, er de ofte afhængige af komplekse fotoniske strukturer eller dyre polymerer og kan miste effektiviteten under fugtige eller overskyede forhold. I modsætning hertil er hydrogel-papirsystemet næsten fuldstændigt passivt bortset fra en minimal vandtilførsel (som kan være tyngdekraftsdrevet-). Materialerne – papir og hydrogel – er størrelsesordener billigere end specialiserede kølefilm. Desuden kan systemet eftermonteres på eksisterende moduler til meget lave omkostninger.

Ingen teknologi er uden begrænsninger. Det hydrogel-coatede papir kræver en konstant, omend langsom, tilførsel af vand (f.eks. nogle få liter pr. kvadratmeter pr. dag). I vand-med knap-gitterinteriør kan dette stadig være en logistisk udfordring, selvom opfanget regn eller kondensat kan blive brugt. Langtidsholdbarhed er en anden faktor: Papiret skal modstå ultraviolet nedbrydning, og hydrogelen skal opretholde sin svulmende-krympende cyklus over tusindvis af termiske cyklusser. Det vietnamesiske team har rapporteret lovende stabilitet over indledende testperioder, men flerårige feltdata vil være afgørende.

Ikke desto mindre er de potentielle applikationer enorme. Agrivoltaiske gårde (hvor vand allerede bruges til afgrødevanding) kunne integrere PV-køling med minimalt ekstra vand. Tagsystemer i fugtige tropiske byer – hvor fordampningsafkøling forbliver effektiv – kunne se øjeblikkelige præstationsgevinster. Og offshore flydende solenergi, ofte begrænset af høje modultemperaturer og tilgængeligheden af ​​havvand, ser ud til at være et perfekt match.

Udviklingen af ​​et hydrogel-belagt passivt kølesystem af papir af vietnamesiske forskere repræsenterer et væsentligt skridt fremad inden for lav-pris PV termisk styring. Ved at levere en temperaturreduktion på 14 grader og en effektivitetsforbedring på næsten 17 % ved brug af kun papir, hydrogel og en dryp vand – frisk eller saltvand – udfordrer denne innovation antagelsen om, at effektiv afkøling skal være dyrt eller energikrævende-. Da verden presser på for højere solindtrængning i varme og fugtige områder, vil sådanne simple, biomimetiske løsninger være uundværlige. De næste trin omfatter pilotfremstilling, langsigtet-pålidelighedstest og integration med-vandhøstsystemer. Hvis disse forhindringer fjernes, kan hydrogel-belagt papir snart blive standardtilbehør på næste-generations solpaneler.