Bryter varmebarrieren: Hydrogel-belagt papir gir et lavt-passivt kjølegjennombrudd for PV-moduler

Fotovoltaisk (PV) moduleffektivitet er iboende knyttet til driftstemperatur. For hver grad Celsius over standard testtilstand (25 grader), mister et solcellepanel i krystallinsk silisium typisk 0,4–0,5 % av effektiviteten. I tropiske og subtropiske områder, hvor solinnstrålingen er rikelig, kan paneloverflatetemperaturer lett overstige 60–70 grader, noe som fører til betydelige tap av energiutbytte. Mens aktive kjølesystemer (som vannpumper og vifter) eksisterer, legger de til parasittisk energiforbruk, vedlikeholdskostnader og systemkompleksitet. Passive kjøleteknikker, inkludert strålings- og evaporativ kjøling, har vist lovende, men krever ofte dyre materialer eller lider av rask nedbrytning.

Et nylig gjennombrudd fra et vietnamesisk forskerteam kan imidlertid nettopp ha omskrevet økonomien til passiv PV-kjøling. Ved å kombinere et hydrogel-belagt papirsubstrat med en langsom vannstrøm og grenseflatefordampning, har de utviklet et system som ikke bare er svært effektivt – senker driftstemperaturer med opptil 14 grader og øker effektiviteten med så mye som 16,8 % – men også bemerkelsesverdig lav-kostnad og kompatibel med både ferskvann og naturlig sjø.

Innovasjonen innebærer bruk av en elegant og enkel designteknikk. Forskergruppen kapslet inn et tynt porøst papirark med et hydrogelbelegg som er laget av hydrofile polymernettverk; derfor har den en veldig stor kapasitet til å absorbere og holde på stort vann. Når papiret er innkapslet, vil det bli laminert på baksiden av PV-panelet; på denne måten kan en sakte risling av vann kontinuerlig introduseres fra enten en gravitasjonstilførsel eller et lite reservoar plassert på baksiden av det passive solcellepanelet.

Hydrogelen har to hovedfunksjoner. Den første, for å holde på fuktigheten i det porøse papiret lenge etter at papiret har absorbert vannet, og for å fortsette å holde på fuktigheten under langvarig eksponering for direkte sol og høye temperaturer. Den andre er å fremme grenseflatefordampning (fordampningen av vann som skjer ved grensesnittet mellom hydrogelen og den omgivende luften, i stedet for fordampning av vann fra en bulkvæskeoverflate). Kombinasjonen av å ha en hydrogel som absorberer vann samtidig som den tillater grenseflatefordampning gir en større kjøleeffekt per forbrukt vannenhet, i tillegg til at den er mye mer energieffektiv enn bulkfordampning. Når vann fordamper; den vil trekke direkte fra PV-panelet en latent varme, og dermed redusere driftstemperaturen til PV-panelet. Det porøse papiret som er laminert på baksiden av PV-panelet har et høyt overflateareal for maksimal fordampning, samtidig som det holder materialkostnaden ved Hydrogel-påføringen relativt lav.

Det vietnamesiske teamet utførte grundig utendørstesting; under disse testene har et hydrogelbelagt panel blitt funnet å kjøle et panel ned med 14 grader Celsius sammenlignet med et ubelagt panel (ikke-kjølt). Dette betyr at under høy sol når termiske tap ville være størst, økte det avkjølte panelet den relative effektiviteten med så mye som 16,8 % i forhold til det ubelagte panelet.

Ved å bruke dette eksempelet: Tenk på et standardpanel som produserer nominell effekt ved en driftstemperatur på 65 grader Celsius, (400 watt) vil kun gi omtrent 320 watt effekt på grunn av termiske tap. Med et kjølesystem med null varmetap, ville det samme panelet gi nesten 374 watt effekt. Derfor gir mengden strøm generert av paneler som bruker dette kjølesystemet en betydelig økning i mengden energi som er tilgjengelig for bruk til bruks- eller kommersielle taksystemer, noe som i stor grad reduserer de utjevnede kostnadene for elektrisitet (LCOE).

En av de mest bemerkelsesverdige aspektene ved denne innovasjonen er dens evne til å kjøre på både ferskvann og naturlig sjøvann. På mange kyst- eller øysteder er ferskvann lite eller dyrt, noe som gjør konvensjonell fordampningskjøling upraktisk. Det hydrogel-belagte papiret viste imidlertid stabil ytelse selv når det ble tilført ubehandlet sjøvann. Hydrogelmatrisen ser ut til å motstå saltkrystallisering og begroing - vanlige problemer som plager konvensjonelle fordampningskjølere - ved å la saltioner diffundere tilbake til bulkvannstrømmen i stedet for å samle seg på fordampningsoverflaten. Denne muligheten åpner opp for solcellekjøling til offshoreinstallasjoner, flytende solfarmer og tørre kystområder hvor kun saltvann er tilgjengelig.

Tradisjonell aktiv kjøling (tvungen luft- eller vannsirkulasjon) kan redusere PV-temperaturer med 10–20 grader, men bruker 1–3 % av systemets ytelse, krever pumper, rør og regelmessig vedlikehold. Selv om passive strålingskjølefilmer er lovende, er de ofte avhengige av komplekse fotoniske strukturer eller dyre polymerer og kan miste effektiviteten under fuktige eller overskyede forhold. Derimot er hydrogel-papirsystemet nesten helt passivt bortsett fra en minimal vanntilførsel (som kan være tyngdekraftsdrevet-). Materialene – papir og hydrogel – er størrelsesordener billigere enn spesialiserte kjølefilmer. Dessuten kan systemet ettermonteres på eksisterende moduler til svært lave kostnader.

Ingen teknologi er uten begrensninger. Hydrogel-belagt papir krever en konstant, om enn sakte, tilførsel av vann (f.eks. noen få liter per kvadratmeter per dag). I vann-som er knapt med-nettinteriør, kan dette fortsatt være en logistisk utfordring, selv om innfanget regn eller kondensat kan brukes. Lang-holdbarhet er en annen faktor: papiret må motstå ultrafiolett nedbrytning, og hydrogelen må opprettholde sin svelle-krympesyklus over tusenvis av termiske sykluser. Det vietnamesiske teamet har rapportert lovende stabilitet over innledende testperioder, men flerårige feltdata vil være avgjørende.

Likevel er de potensielle bruksområdene enorme. Agrivoltaiske gårder (hvor vann allerede brukes til avlingsvanning) kan integrere PV-kjøling med minimalt med ekstra vann. Taksystemer i fuktige tropiske byer – der fordampningskjøling forblir effektiv – kan oppnå umiddelbare ytelsesgevinster. Og flytende solenergi til havs, ofte begrenset av høye modultemperaturer og tilgjengeligheten av sjøvann, virker som en perfekt match.

Utviklingen av et passivt kjølesystem for hydrogel-belagt papir av vietnamesiske forskere representerer et betydelig skritt fremover innen lav-kostnadsbehandling av solcellevarme. Ved å levere en temperaturreduksjon på 14 grader og nesten 17 % effektivitetsforbedring ved bruk av ikke annet enn papir, hydrogel og en drypp av vann – ferskt eller saltvann – utfordrer denne innovasjonen antakelsen om at effektiv kjøling må være dyrt eller-energikrevende. Ettersom verden presser på for høyere solinntrengning i varme og fuktige områder, vil slike enkle, biomimetiske løsninger være uunnværlige. De neste trinnene inkluderer pilotproduksjon, langsiktig-pålitelighetstesting og integrasjon med-vannfangstsystemer. Hvis disse hindringene fjernes, kan hydrogelbelagt papir snart bli standardtilbehør på neste{12}}generasjons solcellepaneler.