Ученые решили одну из главных проблем солнечных панелей
Сегодня во всем мире циркулирует свыше 600 гигаватт солнечной энергии, обеспечивающей 3% мирового спроса на электроэнергию. Ожидается, что этот потенциал увеличится в пять раз в течение следующего десятилетия. Большинство компаний использует кремний для преобразования солнечного света в электричество. Но типичные кремниевые элементы преобразуют только 20% энергии Солнца, которая попадает в них. Оставшаяся же часть превращается в тепло, которое может нагревать панели до 40° C. И с каждым градусом температуры выше 25° C эффективность панели падает. В области, где инженеры борются за повышение эффективности преобразования энергии на 0,1%, даже увеличение на 1% было бы экономическим благом — об этом рассказал Юн Чжоу, ученый из Университета науки и технологии Хуажонг.
Десятилетиями исследователи доказали, что охлаждение солнечных батарей водой может обеспечить немалую выгоду. Сегодня некоторые компании даже продают системы с водяным охлаждением. Но эти установки требуют наличия достаточного количества воды, резервуаров, труб и насосов. Это мало полезно в засушливых регионах и в развивающихся странах с небольшой инфраструктурой.
Однако решение пришло в виде устройства для сбора атмосферной воды. За последние годы исследователи создали материалы, которые могут всасывать водяной пар из воздуха и конденсировать его в жидкую воду, пригодную для питья. Одним из лучших среди подобных материалов является гель, который активно поглощает водяной пар ночью, когда воздух прохладный, а влажность высокая. Сам гель представляет собой смесь углеродных нанотрубок в полимерах с притягивающей воду солью хлорида кальция. Он заставляет пары конденсироваться в капли, которые удерживаются внутри вещества. Когда наступает день и температура повышается, гель начинает выделять влагу в форме пара. Но если этот материал покрыт прозрачным пластиком, выпущенный пар улавливается, конденсируется обратно в жидкую воду и стекает в контейнер для хранения — все предельно просто и удобно.
Пэн Ван, инженер-эколог из Гонконгского политехнического университета, и его коллеги подумали о другом использовании конденсированной воды: охлаждать с ее помощью солнечные батареи. Для этого исследователи прижали лист геля толщиной в 1 сантиметр к нижней стороне стандартной кремниевой солнечной панели. Их идея заключалась в том, что в течение дня гель будет отводить тепло от панели, чтобы испарять воду, которую он добыл из воздуха прошлой ночью, испаряя ее через нижнюю часть. Испарения будут охлаждать солнечную панель точно так же, как испаряющийся с кожи пот охлаждает наше тело.
Исследователи обнаружили, что количество геля, в котором они нуждались, зависело прежде всего от влажности окружающей среды. В пустынной среде с влажностью 35% солнечной панели площадью 1 квадратный метр требуется 1 килограмм геля для ее охлаждения, в то время как для области с влажностью 80% требуется всего 0,3 килограмма геля на квадратный метр панели.
Результат впечатляет в любом случае: температура охлаждаемой водой солнечной панели упала на целых 10° C. При этом выработка электроэнергии охлаждаемыми панелями увеличилась в среднем от 15% до 19%. Во время теста на открытом воздухе выяснилось, что ветер также усиливает охлаждающий эффект, о чем Ван и его коллеги сообщают в журнале Nature Sustainability.
