Panele słoneczne mają w sobie pewien paradoks, który na pierwszy rzut oka brzmi niemal niedorzecznie. Z jednej strony potrzebują bezpośredniego słonecznego światła, ale z drugiej nie przepadają za upałem. Efekt? Im dłużej pracują w pełnym słońcu, tym gorętsze się stają, a im bardziej się nagrzewają, tym mniej sprawnie produkują prąd. To problematyczne zwłaszcza z perspektywy dużych farm fotowoltaicznych, dachów w miastach i regionów o gorącym klimacie, bo jest to jeden z tych problemów, które po cichu “zabierają” kilowatogodziny. Dlatego pomysły na skuteczną poprawę fotowoltaiki wcale nie muszą polegać na biciu kolejnego rekordu sprawności ogniwa w laboratorium.
Panele słoneczne nie przegrzewają się bez konsekwencji
Fotowoltaika nie działa tak, że więcej słońca zawsze oznacza proporcjonalnie więcej prądu. Światło jest oczywiście konieczne, ale temperatura zaczyna przeszkadzać, gdy moduł robi się zbyt gorący. Wyższa temperatura powoduje niewielki wzrost prądu, ale znacznie większy spadek napięcia, a moc panelu zależy właśnie od iloczynu tych wartości. W skrajnym przypadku przegrzewanie może też skracać żywotność ogniw i materiałów modułu.
Producenci opisują to współczynnikiem temperaturowym, dzięki czemu wiemy, że dla wielu modułów spadek mocy wraz ze wzrostem temperatury jest liczony w ułamkach procenta na każdy stopień Celsjusza powyżej warunków referencyjnych. Pojedynczy stopień nie robi wprawdzie dużego wrażenia, ale panel pracujący w upalny dzień potrafi być znacznie cieplejszy od otaczającego powietrza. Wtedy mała strata przestaje być już taka mała i stąd właśnie bierze się zainteresowanie chłodzeniem modułów.
Czytaj też: Wymyślili dla paneli słonecznych coś, czego nikt się nie spodziewał, a co daje ogromne oszczędności
Nie tak dawno pisałem o tym, jak niemieccy specjaliści wymyślili i sprawdzili w praktyce sposób natryskowego chłodzenia pływających instalacji fotowoltaicznych. Symulacje tego pomysłu pokazały zysk energetyczny do 3,8 procent, ale zostało to osiągnięte przy koszcie infrastruktury przekraczającym 200000 euro za 1 MW. To od razu pokazuje sedno sprawy: chłodzenie paneli ma sens tylko wtedy, gdy zysk energetyczny, trwałość i koszty utrzymania składają się w rozsądny rachunek. Właśnie dlatego tak ciekawe wydało mi się rozwiązanie z Wietnamu, które obejmuje papier pokryty hydrożelem, przepływ wody i parowanie międzyfazowe.
Wietnamski pomysł jest prostszy niż klasyczne systemy chłodzenia
Zespół badaczy z Wietnamu zaproponował pasywny system chłodzenia oparty na papierze pokrytym hydrożelem. Nie chodzi więc o pompę ciepła, aktywną klimatyzację modułu czy ciężki układ z automatyką, ale o materiał, który potrafi transportować wodę, odbierać ciepło i wykorzystywać w procesie chłodzenia zjawisko parowania. Działa to tak, że woda przepływająca przez porowaty materiał odbiera część ciepła przez konwekcję, a jej odparowywanie zabiera kolejną porcję energii w postaci ciepła utajonego. Innymi słowy, naukowcy proponują, aby “chłodzić panele słoneczne poceniem się”.
Do przygotowania chłodzącego nośnika naukowcy wykorzystali papier typu airlaid, który najpierw został zamrożony w temperaturze -20°C przez cztery godziny. Równolegle przygotowali specjalny roztwór hydrożelu z alkoholu poliwinylowego, wody, aldehydu glutarowego, SDS i HCl, aby następnie pokryć jedną stronę papieru tym roztworem i ponownie zamrozić, rozmrozić oraz przepłukać. Uzyskany w ten sposób materiał miał pozostać cienki, porowaty i zdolny do transportu wody przy możliwie niskim oporze cieplnym.
Czytaj też: Przesunęli granicę fotowoltaiki. Tak rodzą się panele słoneczne o rekordowej mocy
Następnie w eksperymencie naukowcy wykorzystali polikrystaliczne panele epoksydowe o wymiarach 5,5 x 6 cm. Mokry papier przymocowali do modułu tak, by pokrywał około dwie trzecie jego powierzchni, a końce materiału zanurzyli w dwóch zbiornikach wody. Dzięki temu powstał transport wody z górnego zbiornika do dolnego. Testy prowadzili następnie przy symulowanym nasłonecznieniu, zarówno z wodą destylowaną, jak i z naturalną wodą morską o zasoleniu rzędu około 32 gramów soli na kilogram wody. Potem przyszedł etap zewnętrzny. Dwa identyczne panele ustawili na dachu budynku w Ho Chi Minh City. Jeden pozostawili bez chłodzenia, a drugi wyposażono w papier pokryty hydrożelem. Oba moduły ustawili pod kątem 25 stopni względem poziomu, skierowali na południe i podłączyli do rezystora 35 omów.
Wyniki? Wręcz spektakularne, bo taki dodatek obniżył temperaturę panelu o 7°C w warunkach bezwietrznych i o 14°C przy prędkości wiatru 1 m/s (około 3,6 km/h). Przełożyło się to na względny wzrost sprawności elektrycznej odpowiednio o 12,8 oraz 16,8 procent, a w efekcie około 14,6 procent wzrostu generowanej energii. CIekawy fragment badania dotyczył też pracy z naturalną wodą morską. Zespół podkreślił w wynikach stabilność działania także z taką wodą i to bez problematycznego gromadzenia soli na materiale. Jest to bardzo istotne, bo wiele regionów o świetnych warunkach słonecznych leży blisko mórz i oceanów, a słodka woda bywa tam zasobem zbyt cennym, by zużywać ją na chłodzenie paneli.
Czytaj też: Niemcy chcą podbić dachy i elewacje. Zrobią to dachówkami, które produkują prąd
Tutaj jednak pojawia się pierwszy poważny znak zapytania. Stabilna praca małego panelu w teście terenowym nie oznacza jeszcze, że cała instalacja dachowa lub farma przybrzeżna bezboleśnie zniesie lata kontaktu z wilgocią, aerozolem solnym i osadami. Sama grupa badawcza podkreśliła zresztą, że przyszłe prace mają dotyczyć między innymi trwałości, optymalizacji materiałów dla różnych klimatów i ochrony przed korozją. Są więc szanse, że to nie ostatni raz, kiedy słyszymy o tym pomyśle. Zwłaszcza że hydrożele już od pewnego czasu wracają w badaniach nad chłodzeniem paneli, bo łączą dwie bardzo pożądane cechy: potrafią wiązać wodę i oddawać ją przez parowanie.
Źródła: Departament Energii USA, pv magazine, Science Direct
