Að rjúfa hitaþröskuldinn: Hydrogel-Húðaður pappír býður upp á lágt-kostnaðarbylting fyrir óvirka kælingu fyrir PV einingar

Skilvirkni ljósafls (PV) eininga er í eðli sínu tengd vinnuhitastigi. Fyrir hverja gráðu á Celsíus yfir venjulegu prófunarskilyrði (25 gráður), missir kristallað sílikon sólarplata venjulega 0,4–0,5% af skilvirkni sinni. Í suðrænum og subtropískum svæðum, þar sem sólargeislun er mikil, getur yfirborðshitastig spjaldanna auðveldlega farið yfir 60–70 gráður, sem leiðir til verulegs orkumissis. Þó að virk kælikerfi (eins og vatnsdælur og viftur) séu til, bæta þau við orkunotkun sníkjudýra, viðhaldskostnaði og flókið kerfi. Óvirk kælitækni, þar á meðal geisla- og uppgufunarkæling, hefur sýnt loforð en krefjast oft dýrra efna eða þjást af hraðri niðurbroti.

Nýleg bylting frá víetnömsku rannsóknarteymi gæti hins vegar hafa endurskrifað hagfræði óvirkrar PV kælingu. Með því að sameina hýdrógel-húðað pappírsundirlag með hægu vatnsrennsli og uppgufun milliflata, hafa þeir þróað kerfi sem er ekki aðeins mjög áhrifaríkt – lækkar rekstrarhitastig um allt að 14 gráður og eykur skilvirkni um allt að 16,8% – heldur einnig ótrúlega lágan-kostnað og er samhæft við bæði ferskvatn og náttúrulegt sjó.

Nýjungin felst í því að nota glæsilega og einfalda hönnunartækni. Rannsóknarteymið hjúpaði þunnt gljúpt pappírsark með vatnsgelhúð sem er gert úr vatnssæknum fjölliða netum; þess vegna hefur það mjög mikla getu til að gleypa og halda stóru vatni. Þegar pappírinn hefur verið hjúpaður verður hann lagskiptur aftan á PV spjaldið; á þennan hátt er hægt að setja sífellt hægfara vatnsrennsli frá annaðhvort þyngdaraflgjafa eða litlu geymi sem staðsett er aftan á óvirku sólarplötunni.

Hýdrogelið hefur tvö aðalhlutverk. Í fyrsta lagi að halda raka í gljúpa pappírnum löngu eftir frásog vatnsins af pappírnum og halda áfram að halda raka við langvarandi útsetningu fyrir beinni sól og háum hita. Annað er að stuðla að uppgufun á milliflötum (uppgufun vatns sem á sér stað á snertifletinum milli hýdrógelsins og nærliggjandi lofts, frekar en uppgufun vatns frá vökvaflöti í lausu). Samsetningin af því að hafa hýdrógel sem gleypir vatn á sama tíma og leyfir uppgufun á yfirborði framleiðir meiri kæliáhrif á hverja einingu af vatni sem neytt er auk þess að vera mun orkusparnari en magnuppgufun. Þegar vatn gufar upp; það mun draga duldan hita beint frá PV spjaldinu og lækka þannig rekstrarhita PV spjaldsins. Hinn gljúpi pappír sem hefur verið lagskiptur aftan á PV spjaldið hefur mikið yfirborð fyrir hámarks uppgufun, en á sama tíma heldur efniskostnaði Hydrogel umsóknarinnar tiltölulega lágum.

Víetnamska liðið gerði ítarlegar prófanir utandyra; í þessum prófunum hefur komið í ljós að hýdrógelhúðuð spjaldið kælir spjaldið niður um 14 gráður á Celsíus samanborið við óhúðað spjald (ókælt). Þetta þýðir að á hámarki sólar þegar hitatap væri mest, jók kælda spjaldið hlutfallslega skilvirkni um allt að 16,8% yfir óhúðaða spjaldið.

Notaðu þetta dæmi: Íhugaðu staðlaða spjaldið sem framleiðir nafnafköst við 65 gráðu hitastig á Celsíus, (400 vött) mun aðeins gefa um það bil 320 vött af afköstum vegna hitauppstreymis. Með núll hitatapi kælikerfi myndi sama spjaldið veita næstum 374 vött af afköstum. Þess vegna veitir orkumagnið sem myndast af spjöldum sem nota þetta kælikerfi verulega aukningu á orkumagni sem er tiltækt til notkunar fyrir veitukerfi eða verslunarþakkerfi, sem dregur verulega úr jöfnunarkostnaði við rafmagn (LCOE).

Einn af merkustu þáttum þessarar nýjungar er hæfni hennar til að renna bæði á ferskvatni og náttúrulegum sjó. Á mörgum ströndum eða eyjum er ferskvatn af skornum skammti eða dýrt, sem gerir hefðbundna uppgufunarkælingu óhagkvæma. Hýdrogel-húðaður pappírinn sýndi hins vegar stöðugan árangur, jafnvel þegar hann var með ómeðhöndlaðan sjó. Hydrogel fylkið virðist standast saltkristöllun og óhreinindi - algeng vandamál sem herja á hefðbundna uppgufunarkælara - með því að leyfa saltjónum að dreifast aftur inn í magn vatnsflæðisins frekar en að safnast upp á uppgufunaryfirborðinu. Þessi möguleiki opnar PV kælingu fyrir hafstöðvar, fljótandi sólarbú og þurr strandsvæði þar sem aðeins saltvatn er tiltækt.

Hefðbundin virk kæling (þvinguð loft- eða vatnshringrás) getur lækkað hitastig ljóss um 10–20 gráður en eyðir 1–3% af framleiðslugetu kerfisins, krefst dælur, rör og reglubundið viðhalds. Óvirkar geislunarkælingarmyndir, þótt þær séu efnilegar, treysta oft á flóknar ljóseindabyggingar eða dýrar fjölliður og geta tapað virkni við raka eða skýjaða aðstæður. Aftur á móti er vatnsgel-pappírskerfið nánast algjörlega óvirkt nema fyrir lágmarks vatnsfæði (sem getur verið knúið af þyngdaraflinu). Efnin – pappír og hydrogel – eru stærðargráðum ódýrari en sérhæfðar kælifilmur. Þar að auki er hægt að endurbæta kerfið á núverandi einingar með mjög litlum tilkostnaði.

Engin tækni er án takmarkana. Hýdrogel-húðaður pappírinn krefst stöðugs, þó hægt, framboðs af vatni (td nokkra lítra á hvern fermetra á dag). Í -vatni sem er af skornum skammti-innréttingar gæti þetta samt verið skipulagsleg áskorun, þó gæti verið að nota regn eða þéttivatn. Langtímaþol er annar þáttur: pappírinn verður að standast útfjólubláu niðurbroti og vatnsgelið verður að viðhalda bólga-hringhringnum yfir þúsundir hitalota. Víetnamska teymið hefur greint frá lofandi stöðugleika á fyrstu prófunartímabilum, en margra{11} ára vettvangsgögn verða nauðsynleg.

Engu að síður eru hugsanlegar umsóknir gríðarlegar. Agrivoltaic bæjum (þar sem vatn er þegar notað til áveitu uppskeru) gætu samþætt PV kælingu með lágmarks viðbótarvatni. Þakkerfi í rökum suðrænum borgum - þar sem uppgufunarkæling er áfram áhrifarík - gæti séð strax árangur. Og fljótandi sól á hafi úti, sem oft er takmörkuð af háum hitaeiningum og framboði á sjó, virðist passa fullkomlega.

Þróun víetnömskra vísindamanna á vatnsgeli-húðuðu pappírslausu kælikerfi er mikilvægt skref fram á við í litlu-kostnaði PV hitauppstreymisstjórnun. Með því að skila 14 gráðu lækkun á hitastigi og næstum 17% skilvirkni aukningu með því að nota ekkert annað en pappír, vatnsgel og vatnsdrykk – ferskt eða saltvatn – véfengir þessi nýjung þá forsendu að skilvirk kæling verði að vera dýr eða orkufrek. Þar sem heimurinn þrýstir á meiri sólargengni á heitum og rökum svæðum, verða slíkar einfaldar lífhermilausnir ómissandi. Næstu skref fela í sér tilraunaframleiðslu, -langtíma áreiðanleikaprófanir og samþættingu við vatns-uppskerukerfi. Ef þessum hindrunum er eytt gæti vatnsgelhúðaður-pappír fljótlega orðið staðalbúnaður á næstu-kynslóð sólarrafhlöður.