Źródłem kłopotów z gorącymi punktami (hot-spots) na panelach słonecznych najczęściej jest częściowe zacienienie. Cień komina, liście, a nawet pojedyncze ptasie odchody potrafią stworzyć na panelu miejsce o znacznie podwyższonej temperaturze. To nie jest drobna niedogodność, bo analiza ponad 3,3 miliona paneli pokazała, że wady termiczne dotykają ponad 36 procent z nich. W uszkodzonych modułach temperatura potrafi być wyższa o ponad 20 stopni Celsjusza, co gwałtownie przyśpiesza ich degradację. Skutki są dwojakie: po pierwsze, instalacja produkuje mniej energii, a po drugie istnieje realne ryzyko przedwczesnej awarii, a w skrajnych przypadkach nawet pożaru. Dotychczasowe metody radzenia sobie z tym zjawiskiem były albo bardzo kosztowne, albo mało skuteczne na dłuższą metę.
Powłoka hydrożelowa rozwiązuje problem fotowoltaiki
Naukowcy z Hongkongu zaproponowali tak proste rozwiązanie tego problemu, że aż trudno w jego skuteczność uwierzyć. Twierdzą bowiem, że dramatyczne w skutkach gorące punkty fotowoltaiki mogą przejść w pewnym stopniu do historii, o ile zastosujemy w nich specjalną powłokę hydrożelową, którą można po prostu nałożyć na istniejące moduły.
Czytaj też: Naukowcy obejrzeli wnętrze paneli słonecznych i odkryli ich sekret
Kluczem do tego pomysłu okazało się udoskonalenie znanej od lat technologii, bo zespół opracował zupełnie nową formułę hydrożelu. Połączyli naturalny polimer, hydroksyetylocelulozę, z włóknistą nicią z bawełny liściastej. Tego typu posunięcie miało zwalczyć główną wadę klasycznych hydrożeli, a więc ich tendencję do pękania i kurczenia się podczas długotrwałej eksploatacji, sięgającą nawet 46 procent objętości.
Nasz zespół połączył naturalny polimer hydroksyetylo celulozę i materiał włóknisty nić z bawełny liściastej z matrycą hydrożelową, aby sprostać krytycznym wyzwaniom pękania i kurczenia się, które dotykają konwencjonalne hydrożele podczas długotrwałego użytkowania – Dr Liu Junwei, asystent badawczy w Departamencie Inżynierii Środowiska Budowlanego i Energetyki.
Nowa kompozycja ograniczyła kurczenie do około 34 procent, co znacząco wydłuża okres przydatności powłoki. Działa ona na zasadzie chłodzenia wyparnego, bo hydrożel magazynuje wodę, która następnie powoli odparowuje, odbierając nadmiar ciepła z powierzchni panelu. W testach laboratoryjnych udało się obniżyć temperaturę gorących punktów nawet o 16 stopni, co przełożyło się na wymierny wzrost mocy wyjściowej o 13 procent. Największą zaletą pozostaje jednak prostota. Aplikacja nie wymaga ingerencji w układ elektryczny instalacji, a sama powłoka cechuje się wysoką trwałością w warunkach zewnętrznych.
Czy nakładanie powłoki na panele w ogóle się opłaca?
Tu pojawia się sedno sprawy. Każde rozwiązanie dla fotowoltaiki musi mieć sens ekonomiczny, bo inaczej pozostanie ciekawostką laboratoryjną. Na szczęście naukowcy postanowili odpowiedzieć na pytanie, czy ich pomysł rzeczywiście ma sens i w tym celu przeanalizowali potencjał dla dwóch gęsto zabudowanych metropolii: Hongkongu i Singapuru. Słusznie zresztą, bo w zabudowie miejskiej zacienienie jest częstsze i bardziej złożone – pojawia się sezonowo, godzinowo, zależy od sąsiednich elewacji, a nawet od drobnych elementów infrastruktury.
Czytaj też: Koniec z brutalną litografią. Perowskit dostaje wreszcie obróbkę na miarę swoich możliwości
Na podstawie badań okazało się, że technologia mogłaby zwiększyć roczną produkcję energii odpowiednio o 6,5 i 7,0 procent. Co bardziej przekonujące, szacowany czas zwrotu z inwestycji to zaledwie 4,5 roku dla Hongkongu i 3,2 roku dla Singapuru. W branży OZE, gdzie inwestycje rozlicza się często w dekadach, to naprawdę krótki okres.
Nasza technologia chłodzenia hydrożelem skutecznie rozwiązuje problemy gorących punktów w panelach słonecznych bez konieczności modyfikowania istniejących projektów obwodów. Jest opłacalna i łatwa w użyciu, dzięki czemu nadaje się do różnych środowisk miejskich – Prof. Yan Jerry, The Hong Kong Polytechnic University
Szczególnie obiecujące są wyniki dla systemów zintegrowanych z fasadami budynków (BIPV). W ich przypadku hydrożelowa powłoka mogłaby odzyskać nawet połowę mocy traconej z powodu gorących punktów. W globalnej skali oznaczałoby to skompensowanie około 50 procent strat energii w tego typu instalacjach, co nie jest wcale małym osiągnięciem. Perspektywy wyglądają więc naprawdę dobrze, a zwłaszcza dlatego, że niski koszt i łatwość zastosowania czynią tę technologię dostępną także dla rynków wschodzących, gdzie energia słoneczna zyskuje na znaczeniu.
Czytaj też: Obiecujące ogniwa słoneczne niszczył jeden dodatek. Usunęli go, a wydajność skoczyła
Zespół naukowców planuje dalsze prace nad rozwojem tej metody chłodzenia, widząc w niej sposób na poprawę efektywności fotowoltaiki w miastach. Pomysł jest elegancki w swojej prostocie, a jeśli testy polowe potwierdzą wyniki laboratoryjne, to może stać się standardowym wyposażeniem nowych instalacji. Trzeba jednak pamiętać, że każda nowa powłoka to kolejny element, który z czasem ulega zużyciu – kluczowe będzie, jak hydrożel zniesie wieloletnią ekspozycję na zmienne warunki atmosferyczne – od mrozu po upał.