Wyścig o każdy foton trwa
Energetyka słoneczna od lat stanowi obiecujące źródło czystej energii, ale jej pełny potencjał wciąż pozostaje niewykorzystany. Kluczowym wyzwaniem pozostaje opracowanie materiałów zdolnych do maksymalnego pochłaniania promieniowania, co bezpośrednio przekłada się na efektywność całych systemów. Tym razem w naukowej walce o to wzięli udział badacze z Uniwersytetu Kraju Basków wraz z kolegami z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, dokonując znaczącego przełomu.
Musimy pamiętać, że wyścig o każdą dziesiątą procenta absorpcji w energetyce słonecznej przypomina dopracowywanie bolidu tuż przed startem sezonu. Z pozoru to drobiazg, ale taki oto drobiazg decyduje o wygranej. W przypadku wież słonecznych ta przewaga nie mierzy się jednak w ułamkach sekund, a w megawatogodzinach, które można zmagazynować w ciepłej soli i oddać po zachodzie słońca. Dlaczego o tym wspominam? Ano dlatego, ze tym razem wspomniani naukowcy pokazali materiał, który połyka światło skuteczniej niż czarny krzem i nie kaprysi, gdy temperatura dobija do 600°C. Tego typu połączenia parametrów dotąd brakowało, bo rekordowa czerń bez delikatności nanorurek i bez strat przy dużych kątach padania to wręcz rewolucja.
Czarny krzem się cofa, igły wchodzą do gry
Opracowane przez wspomnianych specjalistów nanostruktury igiełkowe z kobaltanu miedzi zostały pokryte tlenkiem cynku, a w praktyce osiągają poziom absorpcji światła słonecznego na poziomie 99,5 procent. Tego typu wartość nie jest żadną sztuczką pod media i co najważniejsze, może realnie wpłynąć na rozwój technologii skoncentrowanej energii słonecznej. Aby jednak naprawdę docenić wagę tego osiągnięcia, warto przyjrzeć się dotychczasowym materiałom stosowanym w energetyce słonecznej. Czarny krzem, który jest powszechnie używany w wieżach słonecznych, absorbuje około 95 procent światła. Z kolei nanorurki węglowe, choć osiągały nawet 99 procent absorpcji, nie sprawdziły się w praktycznych zastosowaniach ze względu na problemy z trwałością.
Czytaj też: Prąd spada z nieba. Nowy generator z wody bije na głowę klasyczne rozwiązania
Dr Iñigo González de Arrieta z Uniwersytetu Kraju Basków wyjaśnia, że nanorurki węglowe nie mogą być używane w wieżach słonecznych z powodu ich szybkiej degradacji w warunkach podwyższonej temperatury i wilgotności. Konieczność dodatkowego zabezpieczania tych materiałów prowadziła do zmniejszenia ich efektywności optycznej. Tutaj właśnie wchodzą nowe nanostruktury, które wydają się pozbawione tych wad. Materiał zachowuje stabilność termiczną w temperaturach sięgających 600 stopni Celsjusza, co odpowiada rzeczywistym warunkom panującym w elektrowniach słonecznych. Dodatkowe pokrycie cienką warstwą tlenku cynku domieszkowanego aluminium jeszcze bardziej poprawia jego właściwości użytkowe.
Pamiętajmy, że każdy procent poprawy absorpcji światła przekłada się na miliony kilowatogodzin dodatkowej energii rocznie. Nowe nanostruktury pokazują, że nawet technologie uznawane za dojrzałe wciąż pozostawiają przestrzeń dla istotnych ulepszeń, choć ich komercyjne wdrożenie wymaga jeszcze czasu i dalszych testów.
Mniej odbić, więcej energii, czyli co wyróżnia nowy materiał?
Szczegółowe badania ujawniły niezwykłe właściwości nowego materiału. Odbicie światła utrzymuje się poniżej 1 procenta w szerokim zakresie widma, bo od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni. Co istotne, ta cecha pozostaje stabilna nawet przy dużych kątach padania światła do 70 stopni, a to akurat ma kluczowe znaczenie dla efektywności przez cały dzień.
Czytaj też: Mitsubishi tworzy gigantyczną pompę ciepła o mocy 640 kW. Przemysł wkracza w nową erę efektywności
Kolejnym ważnym parametrem jest emisyjność termiczna, która utrzymuje się na poziomie powyżej 0,9 w temperaturach do 600 stopni Celsjusza. Dzięki temu materiał efektywnie oddaje zgromadzone ciepło, co jest niezbędne w procesie konwersji energii. Warstwa tlenku cynku okazała się szczególnie korzystna dzięki połączeniu dobrych właściwości optycznych w zakresie widzialnym i podczerwonym.
Magazyn ciepła robi robotę po zmroku, a testy to kwestia czasu
Technologia skoncentrowanej energii słonecznej zasadniczo różni się od konwencjonalnych paneli fotowoltaicznych. Wykorzystuje system luster skupiających promienie słoneczne na niewielkiej powierzchni, a więc tam, gdzie energia jest zamieniana na ciepło. To ciepło może być z kolei magazynowane np. w stopionych solach i następnie wykorzystywane do produkcji energii nawet po zachodzie słońca. Nie jest to już nisza, bo np. w Hiszpanii elektrownie CSP odpowiadają obecnie za około 5 procent krajowej produkcji energii. Eksperci uważają, że wdrożenie nowych materiałów może znacząco zwiększyć ten udział, dlatego szczególnie obiecująco wypada fakt, że Dr Renkun Chen z Uniwersytetu Kalifornijskiego testuje już nanostruktury igiełkowe na działających wieżach słonecznych we współpracy z Departamentem Energii USA.
Czytaj też: Polski materiał łączy siłę diamentu z grafenem. Diafit z Gdańska zmieni świat elektroniki
Możliwość magazynowania energii termicznej stanowi zasadniczą przewagę technologii CSP nad tradycyjnymi panelami. Stopione sole charakteryzują się doskonałymi właściwościami akumulacyjnymi, a ponowne wprowadzenie zmagazynowanej energii do systemu energetycznego jest stosunkowo proste. To rozwiązanie częściowo odpowiada na problem niestabilności odnawialnych źródeł energii, ale nie możemy zapominać o tym, że nowe materiały mogą znaleźć zastosowanie również w innych dziedzinach, takich jak radiometria czy systemy obrazowania w podczerwieni. Dlatego też naukowcy rozważają dalsze eksperymenty z różnymi powłokami, które mogłyby poprawić przewodność cieplną materiałów.