Инновационное гибридное солнечное устройство, которое объединяет фотоэлектрическую панель и накопитель энергии, достигло рекордных уровней эффективности накопления энергии для такого устройства. И в отличие от обычных батарей, устройство молекулярного накопления солнечной тепловой энергии (MOST) не зависит от дефицитных материалов.
«Солнечная гибридная система» объединяет фотоэлектрические (PV) панели и систему хранения энергии в одном устройстве. Но разработка такого устройства подразумевает преодоление нескольких ключевых проблем для обеспечения эффективной работы системы. Одна из них — воздействие солнечного излучения, которое приводит к повышению температуры панели и — что несколько парадоксально — к снижению эффективности фотоэлектрических элементов на 10–25%. Другая проблема заключается в том, что современные технологии хранения энергии, такие как батареи, основаны на дефицитных, неустойчивых материалах.
Однако исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции и Политехнического университета Каталонии — Барселона Тех, Испания, придумали новое гибридное устройство, которое решает обе эти проблемы, одновременно максимально используя солнечную энергию и достигая рекордной эффективности хранения энергии.
Фотоэлектрические системы на основе кремния недаром стали доминирующей технологией солнечной энергетики. Кремний широко распространен, и его использование для производства фотоэлектрических модулей является экономически эффективным, масштабируемым и экологически устойчивым. Фотоэлектрические системы на основе кремния также высокоэффективны в преобразовании солнечного света в электричество. Тем не менее, они по-прежнему подвержены перегреву, что приводит к неэффективности.
Схема компонентов нового гибридного солнечного устройстваВан и др.
Итак, исследователи отошли от традиционного метода объединения слоя теплового поглотителя с фотоэлементом и объединили кремниевый солнечный элемент с инновационной молекулярной системой хранения солнечной тепловой энергии, сокращенно MOST. Система помещается поверх фотоэлемента и содержит органические молекулы, протекающие через микрожидкостный чип, который может хранить солнечный свет в виде химической энергии с помощью процесса фотоизомеризации. Распространенная фотореакция, фотоизомеризация, заключается в том, что органическая молекула меняет свою структуру под воздействием света.
Возвращаясь к основам физики, фотоны — это крошечные пакеты света, представляющие весь спектр электромагнитного излучения. Фотоны движутся волнообразно, от низкоэнергетических радиоволн до энергетических волн, которые производят видимый свет, и далее до более высокоэнергетических волн, таких как ультрафиолетовый свет.
Когда органические молекулы MOST облучаются высокоэнергетическими фотонами или частицами света, такими как ультрафиолетовый свет, они подвергаются химическому преобразованию, сохраняя созданную энергию для последующего использования. Кроме того, эти молекулы охлаждают фотоэлемент, действуя как оптический фильтр, который блокирует фотоны, которые обычно вызывают нагрев элемента и снижают эффективность. Таким образом, система MOST обеспечивает как генерацию электроэнергии, так и хранение химической энергии.
Инфографика электромагнитного спектраDepositphotos
Исследователи протестировали новое устройство в реальных условиях, вручную ориентируя его лицом к солнцу между 9 утра и 3 днями осеннего ноябрьского дня в Барселоне в 2022 году, когда температура достигла около 39 °C (102 °F). Новое устройство достигло эффективности накопления солнечной энергии 2,3%, что является самой высокой зарегистрированной молекулярной тепловой эффективностью солнечной энергии на сегодняшний день. Оно также снизило температуру фотоэлемента до 8 °C (46 °F), сократив потери энергии из-за тепла и увеличив эффективность преобразования энергии на 12,6%. Общее использование солнечной энергии достигло 14,9%.
С точки зрения устойчивости система MOST не только повышает энергоэффективность, чтобы снизить зависимость от ископаемого топлива, но и использует такие распространенные элементы, как углерод, водород, кислород и азот вместо дефицитных (и дорогих) материалов, таких как литий, кобальт и никель, которые обычно используются для изготовления батарей.
«Несмотря на потенциал для дальнейшей оптимизации, эта разработка является значительным шагом на пути к технологии долгосрочного хранения энергии, которая дополняет фотоэлектрические системы», — заявили исследователи.
Было доказано, что система MOST выдерживает более 1000 циклов заряда/разряда с минимальной деградацией, что означает, что система может работать непрерывно в течение нескольких месяцев. Исследователи ожидают, что их гибридное устройство удовлетворит растущую потребность в чистой энергии и эффективном хранении по мере того, как мы отказываемся от ископаемого топлива.
Исследование было опубликовано в журнале Joule.
