یک هیدروژل می تواند با رطوبت جمع آوری شده از اتمسفر، پنل های فتوولتائیک را در طول روز خنک کند و کارایی آنها را بهبود ببخشد. دانشمندان دانشگاه علوم و فناوری ملک عبدالله در عربستان سعودی و دانشگاه پلی تکنیک هنگ کنگ، هیدروژلی را از ترکیبی از نانولوله های کربنی در پلیمرها با نمک کلرید کلسیم رطوبت سنجی ساخته اند. این هیدروژل به ساخت پنل های خورشیدی خود خنک شونده کمک می کند. این فناوری می تواند روشی سازگار با محیط زیست برای افزایش تولید برق فتوولتائیک یا PV و همچنین خنک کردن سایر ابزارها باشد.
پنل های خورشیدی (PV) در حال حاضر بیش از 600 گیگاوات برق جهان را ایجاد می کنند و انتظار می رود این عدد تا سال 2025 به 1500 گیگاوات و همچنین تا سال 2030 به 3000 گیگاوات افزایش یابد. سلول‌های خورشیدی مبتنی بر سیلیکون می‌توانند بین 6 تا 25 درصد از نور خورشید جذب شده را مستقیماً به جریان الکتریکی تبدیل کنند. باقیمانده مستقیماً به گرمای زباله تبدیل می‌شود، که دمای یک پنل خورشیدی را تقریباً 40 درجه سانتیگراد افزایش می‌دهد. این کار سلول‌ها را کمتر کارآمد می‌کند و همچنین می‌تواند به آنها آسیب بیشتری وارد کند – به‌ویژه در آب‌وهوای گرم که مشکل حتی وجود دارد.
محصولی ژل مانند با علاقه زیاد به مولکول های آب
گروهی از دانشمندان به رهبری پنگ وانگ از نمک‌زدایی آب و همچنین مرکز استفاده مجدد KAUST و همچنین دپارتمان مهندسی عمران و محیط زیست در PolyU اخیراً یک رویکرد خنک‌کننده متفاوت ایجاد کرده‌اند. در این روش، یک محصول ژل مانند که متشکل از نانولوله های کربنی جاذب گرما (CNTs) نصب شده در پلی آکریل آمید متقاطع (PAM) و کلرید کلسیم (CaCl2) استفاده می‌شود. این ژل علاقه زیادی به مولکول های آب دارد و به همین دلیل می تواند مقادیر زیادی بخار آب از هوای محیط را اشغال کند.
نویسنده اصلی Renyuan Li:
این ژل توانایی خود چسبیدن به سطوح مختلف، متشکل از پنل های فتوولتائیک، از طریق پیوند هیدروژنی قوی را دارد.
در آزمایش‌های خود، محققان یک لایه هیدروژل به ضخامت ۱ سانتی‌متر را بر روی کف یک پنل خورشیدی سیلیکونی معمولی فشار دادند. دما در شب و در طول شب کاهش می یابد. آب جذب شده توسط محصول متراکم می شود تا آب مایع ایجاد شود، وانگ روشن می کند. در طول روز، با بالا رفتن سطح دما، گرمای پنل PV باعث تبخیر آب می‌شود. روشی که نه تنها گرمای پنل را از بین می‌برد، بلکه جاذب بخار را دوباره رشد می‌کند تا اطمینان حاصل شود که برداشت‌کننده آب اتمسفر ( AWH) برای چرخه بعدی شب و روز آماده است.
آزمایش‌های گروه KAUST-PolyU
آزمایش‌های گروه KAUST-PolyU بر روی پنل‌های PV در آزمایشگاه نشان داد که یک ژل کاملاً جوش‌خورده ممکن است آب کافی برای تولید قدرت خنک‌کنندگی 295 W/m2 تحت 1000 W/m2 تابش خورشیدی آزاد کند و دمای پنل را به حداقل برساند. سطح درجه حرارت، 10 درجه سانتیگراد کاهش یافته است. کاهش حرارت کارایی پنل را افزایش می دهد تا مقدار میوه و سبزیجات موجود الکتریکی را به طور متوسط 15% افزایش دهد.
انتظار می رود ظرفیت جهانی PV تا سال 2025 به 1500 گیگاوات برسد. محققان محاسبه می کنند که خنک کردن همه این پنل ها با استفاده از تکنیک آنها بیش از 150 گیگاوات توان اضافی ایجاد می کند. این افزایش منبع تغذیه به معنای کاهش 8.52 x 107 تن زغال سنگ مصرفی در سال و کاهش خروجی CO2 بیش از 1.48 x 108 تن در سال خواهد بود (با فکر کردن 20٪ برق خورشیدی PV اثربخشی تولید برق).
مزایای استفاده هیدروژل به ساخت پنل های خورشیدی
- خنک‌کنندگی مؤثر: هیدروژل باعث جذب آب و تبخیر آن می‌شود. این، دمای پنل‌های خورشیدی را کاهش می دهد. این عمل باعث می شود عملکرد پنل‌ها را بهبود بخشد و کارایی انرژی را افزایش دهد.
- کاهش دما: استفاده از آن به طور چشمگیری دمای سطح پنل‌ها را کاهش دهد و عمر مفید پنل ها را افزایش می‌دهد.
- محافظت از پنل‌ها: هیدروژل می‌تواند به عنوان یک عایق حرارتی عمل کند. این محلول از آسیب‌های ناشی از دماهای بالا جلوگیری کند.
- دوستدار محیط زیست: هیدروژل‌ها معمولاً از مواد طبیعی یا تجزیه‌پذیر تولید می‌شوند. به همین دلیل تأثیر منفی بر محیط زیست ندارند.
- انعطاف‌پذیری در طراحی: هیدروژل‌ها می‌توانند در شکل‌ها و اندازه‌های مختلف طراحی شوند و به راحتی با انواع پنل‌های خورشیدی سازگار شوند.
بهبود سینتیک جذب و دفع بخار آب
وانگ و همکارانش که کار خود را در Nature Sustainability گزارش می‌کنند. اکنون برای بهبود مقاومت در برابر خوردگی مزرعه‌دار آب جوی خود (AWH) و افزایش سینتیک جذب و دفع بخار آب (و همچنین توانایی آن) عمل می‌کنند. آنها در حال بررسی راه های بسیار بهتری برای مقابله با کثیفی پنل های PV هستند. انتقال ذرات با طوفان های گرد و غبار دائمی در مناطق خشک و نیمه خشک، باعث کاهش انرژی یک پنل خورشیدی می شود.
این فناوری را می توان به سرعت در محدوده های مختلف تنظیم کرد. از جمله Li. می توان آن را به اندازه چند میلی متر برای خنک کردن دستگاه های الکترونیکی و … برای تهویه مطبوع آسان مزارع PV در اندازه صنعتی ساخت.
معایب اسفاده از هیدروژل در پنل خورشیدی:
- جذب آب: در شرایط کم بودن آب، هیدروژل ممکن است نتواند به خوبی عمل کند و کارایی آن کاهش یابد. این موضوع می‌تواند در مناطقی که بارش کم و یا شرایط بیابانی است مشکل‌ساز باشد.
- فرسایش یا آسیب: اشعه فرابنفش و عوامل جوی باعث آسیب می شود. در اینصورت ممکن است به تعویض یا تعمیر نیاز داشته باشند.
- هزینه اولیه: استفاده از هیدروژل برای خنک کردن پنل‌ها ممکن است نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه بیشتری داشته باشد. این سرمایه گذاری برای برخی از پروژه‌ها توجیه‌پذیر نیست.
- نگهداری: برای حفظ کارایی هیدروژل، نیاز به مراقبت و نگهداری منظم وجود دارد. این مراقبت و نگهداری می‌تواند زمان‌بر باشد.
- اثر محدود در دماهای بسیار بالا: در شرایطی که دما بسیار بالا است. هیدروژل ممکن است نتواند به طور مؤثر دما را کاهش دهد و عملکرد آن محدود شود.