Künstliche Blattkühlung steigert Lebensdauer und Effizienz von PV-Modulen ...

Der PV-Blatt transportiert Wasser zur Kühlung von Photovoltaikmodulen, ohne dass Pumpen erforderlich sind, um die Effizienz und Lebensdauer zu steigern, und kann auch zur Erzeugung von Frischwasser verwendet werden.

Hitze ist der Feind von PV-Modulen. Mehr Sonnenlicht und wärmere Temperaturen führen zu einer stärkeren Erwärmung des Moduls, sodass der Wirkungsgrad der meisten gängigen Si-basierten PV-Module typischerweise um 4,0 bis 6,5 % abnimmt und sich ihre Alterungsrate mit jedem Anstieg der Betriebstemperatur um 10 °C verdoppelt.

Das bei Imperial entwickelte System nutzt eine Kombination aus Bambusfasern und Hydrogel, um Wasser entlang der Rückseite eines PV-Moduls zu transportieren, ohne dass es gepumpt werden muss. Je heißer die Zelle, desto mehr Flüssigkeit wird durch das Kühlsystem gezogen, so wie Bäume sich selbst kühlen.

Experimentell wurde nachgewiesen, dass die Transpirationsleistung des PV-Blatts in der Lage ist, 590 W/m2, also 75 % der Wärme in der PV-Zelle, abzuleiten, wodurch die Betriebstemperatur der PV-Zelle im Vergleich zu einer eigenständigen PV-Zelle deutlich um ~26 °C gesenkt wird.

Das PV-Blatt verfügt nachweislich über die Fähigkeit zur passiven Steuerung, passt sich an unterschiedliche Umgebungstemperaturen an und kann auch unterschiedliche Arbeitsflüssigkeiten wie Meerwasser verwenden. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass die Kühlung die Leerlaufspannung von 0,58 V auf 0,63 V erhöht und der elektrische Wirkungsgrad um 13,6 % von 13,2 % auf 15,0 % steigt.

Die 1 mm dicke biomimetische Transpirationsschicht (BT) wird auf der Rückseite einer Solar-PV-Zelle angebracht, um die in der Zelle erzeugte Wärme abzuleiten. Rund 30 Äste aus Bambusfaserbündeln sind homogen in die Hydrogelzellen aus Kaliumpolyacrylat (PAAK) und superabsorbierendem Polymer (SAP) eingebettet und verteilen das Wasser über die gesamte von der BT-Schicht bedeckte Fläche.

Die Faserbündel ahmen die Gefäßbündel beim Transport und der Verteilung von flüssigem Wasser über die Zelloberfläche nach, während Hydrogelzellen mit großer spezifischer Oberfläche und ausgezeichneter Wasserabsorptionsleistung verwendet werden, um die Schwammzellen nachzuahmen und für eine effektive Verdunstung zu sorgen.

Die Transpirationsleistung des PV-Blatts wurde unter einem Sonnensimulator mit einer Bestrahlungsstärke von 1000 W/m2 ohne Wind getestet und dann mit der einer eigenständigen PV-Zelle aus dem gleichen Material verglichen. Die eigenständige PV-Zelle war ebenfalls von einer 0,7 mm dicken hochdurchlässigen Glasschicht bedeckt und geschützt, jedoch ohne Isolierung oder Rückfolie auf der Rückseite der Zelle, und wurde durch natürliche Luftkonvektion gekühlt. Die Umgebungstemperatur und die relative Luftfeuchtigkeit im Labor betrugen 33,5 °C bzw. 10 %.

Während der Tests erreichte die eigenständige PV-Zelle eine Temperatur von 68,8 °C, während das PV-Blatt mit biomimetischer Transpirationskühlung eine Temperatur von nur 43,2 °C erreichte.

Um den Einfluss des Windes zu untersuchen, wurde ein 3D-Modell entwickelt und anhand der experimentellen Ergebnisse validiert. Dies zeigt, dass die PV-Lamellentemperatur niedriger als die Umgebungstemperatur sein kann, wenn die Windgeschwindigkeit mehr als 1,5 m/s beträgt. und der Temperaturabfall verläuft nahezu linear von ~26 °C auf 0 °C, wenn die relative Luftfeuchtigkeit von 10 % auf 100 % ansteigt.

„Dieses innovative Design birgt ein enormes Potenzial für eine deutliche Leistungssteigerung von Solarmodulen und gewährleistet gleichzeitig Kosteneffizienz und Praktikabilität“, sagte Dr. Gan Huang, Honorary Research Fellow am Department of Chemical Engineering und Mitautor der Studie.

Professor Christos Markides, Leiter des Clean Energy Processes Laboratory und Autor der Studie, sagte: „Die Umsetzung dieses innovativen blattähnlichen Designs könnte dazu beitragen, die globale Energiewende zu beschleunigen und gleichzeitig zwei drängende globale Herausforderungen anzugehen: den Bedarf an mehr Energie und Süßwasser.“ ”