Inspirowany naturą

Ponad 70% energii pochodzącej z promieni słonecznych padając na moduły fotowoltaiczne, nie przyczynia się do generacji prądu, a zostaje rozproszone do postaci ciepła. Taki bieg zdarzeń wpływa negatywnie na ogólną sprawność modułu, zmniejszając wielkość produkowanej energii elektrycznej. Tym samym obecne bariery technologiczne ograniczają sprawność modułów do około 25%.

Według badaczy wykorzystanie tego hybrydowej biometrycznej technologii może przynieść szereg usprawnień. Nowa koncepcja bazuje na łatwo dostępnych materiałach o niskich nakładach inwestycyjnych. Najważniejszy aspekt to usprawnienie przesyłu ciepła i wykorzystanie tej energii do obsługi termalnej części systemu. 

Testy demonstracyjne dowiodły, że zastosowanie systemów transpiracyjnych, dokładnie jakimi dochodzi do rozdysponowania składników odżywczych od korzeni do liści rośliny, może przetransportować 590 W/m^2 ciepła z komórki fotowoltaicznej. Tym samym dochodzi do obniżenia temperatury ogniwa o 26°C przy standardowym nasłonecznieniu 1000 W/m2. Podczas badań uzyskanie takich wyników pozwoliło na uzyskanie wzrostu w efektywności energetycznej ogniwa na poziomie 13,6%. Co więcej, liść fotowoltaiczny jest w stanie synergicznie wykorzystać odzyskane ciepło do jednoczesnego wytwarzania dodatkowej energii cieplnej i słodkiej wody w ramach tego samego komponentu. Podnosi to znacznie ogólną efektywność wykorzystania energii słonecznej z 13,2% do ponad 74,5%, przynosząc ponad 1,1 l/h/m2 czystej wody. 

Prosta a efektywna konstrukcja

Do stworzenia swoistej repliki liścia naukowcy z Imperial College London użyli włókien bambusa i połączonych komórek z hydrożelu. 

Kanał transpiracyjny o grubości 1 mm transportuje wodę ze zbiornika zlokalizowanego poza instalacją wprost na ogniwo fotowoltaiczne o wymiarach 10x10 cm, zlokalizowane na szczycie konstrukcji. Kontakt ogniwa z wodą obniża jego temperaturę, jednocześnie podnosząc sprawność. Pozostałe ciepło jest odbierane z komórki i zużywane do produkcji wody i energii cieplnej. Liść fotowoltaiczny jest chroniony jedynie 0,7 mm warstwą wysoko przepuszczalnego szkła.

Struktura wykorzystuje hydrofilowe wiązki włókien naczyniowych, które równomiernie rozprowadzają wodę przez liść PV. Komórki hydrożelowe są swoistym odwzorowaniem wiązek naczyniowych i komórek gąbczastych występujących w liściach w naturze. W komórkach hydrożelowych superchłonnego polimeru poliakrylanu potasu jednorodnie osadzono około 30 gałęzi wiązek włókien bambusowych. Pozwoliło to równomiernie rozprowadzić wodę po całej powierzchni liścia. Końce gałęzi kanałów transpiracyjnych są zbierane razem i zanurzane jak korzeń we wodzie (grafika c).

Naukowcy zmierzyli wydajność systemu w standardowych warunkach oświetleniowych i porównali go z typowym ogniwem fotowoltaicznym, chłodzonym poprzez naturalną konwekcję powietrza. Liść fotowoltaiczny osiągnął temperaturę 43,2°C, podczas gdy ogniwo referencyjne osiągnęło 68,8°C. Naukowcy twierdzą również, że urządzenie może być w stanie wygenerować dodatkowe 1,1 l/h/m2 słodkiej wody przy natężeniu promieniowania słonecznego wynoszącym 1000 W/m. Uważają również, że system może również wykorzystywać wodę morską zamiast wody słodkiej. Liść fotowoltaiczny osiągnął sprawność konwersji mocy na poziomie 15,0%, napięcie w obwodzie jałowym 0,63 V i współczynnik wypełnienia 0,77. Natomiast ogniwo referencyjne osiągnęło sprawność 13,2%, napięcie w obwodzie otwartym 0,58 V i współczynnik wypełnienia 0,75.

Badacze twierdzą, iż wyniki symulacji pokazują, że liście PV charakteryzują się lepszą wydajnością transpiracji w gorącym i suchym klimacie. Koncepcję liści fotowoltaicznych można rozszerzyć na kolektory o większej skali, poza którymi nawet większe elektrownie słoneczne o wielkości komercyjnej można podzielić na kilka małych obszarów przeznaczonych dla oddzielnych, wzajemnie połączonych liści fotowoltaicznych.

Źródło: High-efficiency bio-inspired hybrid multi-generation photovoltaic leaf