Isı Bariyerini Aşmak: Hidrojel-Kaplamalı Kağıt, PV Modülleri için Düşük-Maliyetli Pasif Soğutma Atılımı Sunuyor

Fotovoltaik (PV) modül verimliliği, doğası gereği çalışma sıcaklığına bağlıdır. Standart test koşulunun (25 derece) üzerindeki her santigrat derece için, kristalin silikon güneş paneli tipik olarak verimliliğinin %0,4-0,5'ini kaybeder. Güneş ışınımının bol olduğu tropikal ve subtropikal bölgelerde panel yüzey sıcaklıkları kolaylıkla 60-70 dereceyi aşabilir ve bu da önemli enerji verimi kayıplarına yol açar. Aktif soğutma sistemleri (su pompaları ve fanlar gibi) mevcut olsa da, bunlar parazit enerji tüketimini, bakım maliyetlerini ve sistem karmaşıklığını artırır. Işınımsal ve buharlaşmalı soğutmayı da içeren pasif soğutma teknikleri umut vericidir ancak çoğu zaman pahalı malzemeler gerektirir veya hızlı bozulmaya maruz kalır.

Ancak Vietnamlı bir araştırma ekibinin yakın zamanda gerçekleştirdiği bir atılım, pasif PV soğutmanın ekonomisini yeniden yazmış olabilir. Hidrojel-kaplı bir kağıt alt tabakayı yavaş su akışı ve arayüzey buharlaşmasıyla birleştirerek, yalnızca son derece etkili (çalışma sıcaklıklarını 14 dereceye kadar düşüren ve verimliliği %16,8'e kadar artıran) değil, aynı zamanda son derece düşük-maliyetli ve hem tatlı su hem de doğal deniz suyuyla uyumlu bir sistem geliştirdiler.

Yenilik, zarif ve basit bir tasarım tekniğinin kullanılmasını içerir. Araştırma ekibi, hidrofilik polimer ağlarından yapılmış bir hidrojel kaplamayla ince gözenekli bir kağıt tabakasını kapsülledi; bu nedenle büyük suyu emme ve tutma kapasitesi oldukça yüksektir. Kağıt kaplandıktan sonra PV panelin arkasına lamine edilecektir; bu şekilde, pasif güneş panelinin arkasında bulunan yerçekimi beslemesinden veya küçük rezervuardan sürekli olarak yavaş bir Su damlaması yapılabilir.

Hidrojelin iki temel işlevi vardır. Birincisi, kağıt tarafından suyun emilmesinden uzun bir süre sonra da nemin gözenekli kağıtta tutulması ve doğrudan güneş ışığına ve yüksek sıcaklıklara uzun süre maruz kaldığında nemin tutulmasına devam edilmesidir. İkincisi, arayüzey buharlaşmasını teşvik etmektir (Suyun toplu bir sıvı yüzeyinden buharlaşması yerine, hidrojel ile çevredeki hava arasındaki arayüzde meydana gelen Suyun buharlaşması). Ara yüzey buharlaşmasına izin verirken suyu emen bir hidrojele sahip olmanın birleşimi, tüketilen birim Su başına daha büyük bir soğutma etkisi yaratmanın yanı sıra, toplu buharlaşmaya göre çok daha fazla enerji verimlidir. Su buharlaştıkça; doğrudan PV panelinden gizli ısı çekecek, böylece PV panelin çalışma sıcaklığı düşecektir. PV panelinin arkasına lamine edilen gözenekli kağıt, maksimum buharlaşma için yüksek bir yüzey alanına sahiptir ve aynı zamanda Hidrojel uygulamasının malzeme maliyetini nispeten düşük tutar.

Vietnam ekibi kapsamlı açık hava testleri gerçekleştirdi; Bu testler sırasında, hidrojel kaplı bir panelin, kaplanmamış bir panel (soğutulmamış) ile karşılaştırıldığında bir paneli 14 santigrat derece soğuttuğu bulunmuştur. Bu, termal kayıpların en yüksek olduğu güneşin yoğun olduğu saatlerde, soğutulmuş panelin göreceli verimliliği kaplanmamış panele göre %16,8'e kadar arttırdığı anlamına gelir.

Bu örneği kullanarak: 65 santigrat derece çalışma sıcaklığında (400 watt) nominal çıkış üreten standart bir panelin, termal kayıplar nedeniyle yalnızca yaklaşık 320 watt çıkış sağlayacağını düşünün. Sıfır ısı kayıplı soğutma sistemi ile aynı panel yaklaşık 374 watt çıkış sağlayacaktır. Bu nedenle, bu soğutma sistemini kullanan paneller tarafından üretilen güç miktarı, kamu hizmetleri veya ticari çatı sistemleri için kullanılabilecek mevcut enerji miktarında önemli bir artış sağlayarak, elektriğin seviyelendirilmiş maliyetini (LCOE) büyük ölçüde azaltır.

Bu yeniliğin en dikkat çekici yönlerinden biri hem tatlı su hem de doğal deniz suyu üzerinde çalışabilmesidir. Birçok kıyı veya ada bölgesinde tatlı su kıt veya pahalı olduğundan geleneksel buharlaştırmalı soğutmayı kullanışsız hale getiriyor. Bununla birlikte, hidrojel-kaplı kağıt, işlenmemiş deniz suyuyla beslendiğinde bile istikrarlı bir performans gösterdi. Hidrojel matrisi, tuz iyonlarının buharlaşma yüzeyinde birikmek yerine toplu su akışına geri yayılmasına izin vererek, geleneksel buharlaşmalı soğutucuların başına bela olan yaygın sorunlar olan tuz kristalleşmesine ve kirlenmeye karşı direnç gösteriyor gibi görünüyor. Bu yetenek, PV soğutmanın açık deniz kurulumlarına, yüzen güneş enerjisi çiftliklerine ve yalnızca tuzlu suyun mevcut olduğu kurak kıyı bölgelerine açılmasını sağlar.

Geleneksel aktif soğutma (zorlamalı hava veya su sirkülasyonu), PV sıcaklıklarını 10-20 derece azaltabilir ancak sistem çıkışının %1-3'ünü tüketir, pompa, boru ve düzenli bakım gerektirir. Pasif ışınımlı soğutma filmleri umut verici olsa da, genellikle karmaşık fotonik yapılara veya pahalı polimerlere dayanır ve nemli veya bulutlu koşullar altında etkinliğini kaybedebilir. Buna karşılık, hidrojel-kağıt sistemi, minimum su beslemesi (yerçekimiyle{- tahrik edilebilen) dışında neredeyse tamamen pasiftir. Kağıt ve hidrojel gibi malzemeler, özel soğutma filmlerinden çok daha ucuzdur. Üstelik sistem mevcut modüllere çok düşük maliyetle uyarlanabiliyor.

Her teknoloji bir şekilde sınırlıdır. Hidrojel-kaplamalı kağıdın sürekli fakat yavaş bir su kaynağına ihtiyacı vardır; buna günlük olarak metrekare başına birkaç litre su doldurulması da dahildir. Suyun kıt olduğu yerlerde bu durum, yağmur veya yoğuşma nedeniyle kapatılabilse de yine de lojistik sorun teşkil edebilir. Uzun vadede dayanıklılık başka bir zorluktur; kağıdın ultraviyole ışınımına karşı dayanıklı olması ve hidrojellerin binlerce kez şişme ve büzülme işlemlerinden geçmesi gerekir. Vietnam'dan gelen ekip ilk testler için iyi bir istikrar bildirdi ancak birkaç-yıllık verilere ihtiyaç duyulacak.

Bununla birlikte, potansiyel uygulamalar çok büyüktür. Agrivoltaik çiftlikler (suyun halihazırda mahsul sulaması için kullanıldığı yerlerde), minimum ek su ile PV soğutmayı entegre edebilir. Buharlaşmalı soğutmanın etkili olmaya devam ettiği nemli tropik şehirlerdeki çatı sistemleri, anında performans artışı görebilir. Genellikle yüksek modül sıcaklıkları ve deniz suyunun mevcudiyeti ile sınırlı olan açık denizde yüzen güneş enerjisi mükemmel bir uyum gibi görünüyor.

Vietnamlı araştırmacılar tarafından hidrojel-kaplı kağıt pasif soğutma sisteminin geliştirilmesi, düşük-maliyetli PV termal yönetiminde ileriye doğru atılmış önemli bir adımı temsil ediyor. Kağıt, hidrojel ve bir miktar su (tatlı veya tuzlu) kullanarak sıcaklıkta 14 derecelik bir azalma ve yaklaşık %17 verimlilik artışı sağlayan bu yenilik, etkili soğutmanın pahalı veya enerji-yoğun olması gerektiği varsayımına meydan okuyor. Dünya, sıcak ve nemli bölgelerde daha yüksek güneş enerjisi nüfuzu için baskı yaparken, bu tür basit, biyomimetik çözümler vazgeçilmez olacaktır. Sonraki adımlar arasında pilot üretim, uzun-vadeli güvenilirlik testleri ve su-hasat sistemleriyle entegrasyon yer alıyor. Bu engeller ortadan kaldırılırsa, hidrojel-kaplamalı kağıt yakında yeni{12}}nesil güneş panellerinde standart bir aksesuar haline gelebilir.