Одна из основных проблем солнечной энергетики нашла новое решение

Современные солнечные панели производят ежегодно более 600 гигаватт «зелёной» энергии, что покрывает примерно 3% от совокупного мирового спроса. Однако эксперты прогнозируют, что активность использования солнечной энергетики уже в ближайшие 10 лет вырастет в 4-5 раз. Поэтому устранение основных барьеров на пути развития этой технологии сейчас весьма актуально.

В большинстве случаев солнечных панелях используются кремниевые элементы. Они доступны, просты в производстве и неприхотливы. Вот только их эффективность оставляет желать лучшего: в электроэнергию преобразуется всего лишь 20% улавливаемой энергии Солнца. Оставшиеся 80% просто нагревают панель, что снижает эффективность работы. Допустимая нормальная температура для солнечных элементов составляет 25 °C, и с каждым превышенным градусом пропорционально уменьшается производительность панели.

Одним из лучших охладителей для систем солнечной энергетики долгое время была вода. Она обеспечивала эффективный теплообмен, поэтому на её основе в разное время были разработаны самые разные системы охлаждения. Используются они и сегодня – однако имеют немало недостатков. Прежде всего, это громоздкие размеры – из-за которых приходится:

• сооружать водяной контур;

• подключать к нему резервуар достаточных объёмов;

• устанавливать циркуляционный насос и т.д.

Выходит мало удобно и дорого. Кроме того, для регионов, где вода в большой цене, такой вариант едва ли подходит.

В качестве более рациональной и эффективной альтернативы предлагаются системы по сбору влаги из воздуха. Для этого разрабатываются различные инновационные материалы, которые за счёт своей структуры и состава способны забирать водяные пары из воздуха, накапливать в себе и конденсировать в жидкую форму. Изначально такие системы проектировались для обеспечения питьевой водой засушливых районов. Однако, постепенно развиваясь, они стали получать всё новые возможности использования.

Наиболее продвинутым из таких материалов, способных конденсировать воду, является специальный полимерный гель, содержащий нанотрубки на углеродной основе и соль CaCl, которая выступает в роли гигроскопичного агента. При охлаждении окружающего воздуха гель собирает водяной пар и преобразует в капли, надёжно удерживаемые в структуре материала. С нагревом воздуха днём вода испаряется обратно – однако если накрыть гель пластиковым колпаком, то пар будет собираться каплями. Далее его можно направлять в резервуары для хранения.

Именно эта способность геля конденсировать и отдавать влагу привлекла внимание учёных из Политехнического университета Гонконга, работающих над развитием концепции солнечной энергетики. Команда исследователей под руководством Пэна Вана высказала гипотезу, что с помощью этого материала можно обеспечивать эффективное отведение тепла от солнечных панелей и расходовать его на испарение накопленной в гелевой структуре воды. В свою очередь, водяной пар будет охлаждать панель аналогично тому, как испарение пота помогает охладиться человеческому телу.

Для проверки своей гипотезы на практике учёные взяли сантиметровый лист наноуглеродного геля и закрепили на нижней поверхности кремниевой панели. И в ходе испытаний было доказано, что предложенная концепция вполне жизнеспособна. Прежде всего, удалось достичь устойчивого снижения температуры панелей на 10 градусов. Кроме того, возросла и их производительность – средний объём вырабатываемой энергии вырос с 15% до 19%. При этом как показали проведённые эксперименты, если панель обдувается ветром, то эффективность охлаждения становится ещё выше.

Количество геля, достаточное для охлаждения солнечных панелей, напрямую зависит от уровня влажности воздуха. Так, для пустынного климата, где в воздухе содержится всего 35% влаги, обеспечить эффективное охлаждение 1 кв.м панелей можно с помощью 1 кг геля. Если же влажность воздуха составляет 80%, то для той же площади будет достаточно 300 г геля.