Охлаждение фотоэлектрических модулей с помощью бумаги, пропитанной гидрогелем
Аккумуляторная батарея Challenger EVG6-335
Вьетнамская исследовательская группа разработала недорогую систему пассивного охлаждения для фотоэлектрических модулей на основе бумаги с гидрогелевым покрытием, которая сочетает в себе циркуляцию воды и межфазное испарение для снижения рабочей температуры. Испытания на открытом воздухе показали снижение температуры до 14 °C и повышение эффективности до 16,8 % при стабильной работе как с пресной, так и с морской водой.
Схема метода пассивного охлаждения
Исследовательская группа из Вьетнама предложила новый метод пассивного охлаждения фотоэлектрических модулей с использованием бумаги, покрытой гидрогелем, в качестве охлаждающей среды. Этот подход обеспечивает конвективную теплопередачу через проточную воду, а скрытая теплота рассеивается за счет межфазного испарения. Система была протестирована в реальных условиях на открытом воздухе в сравнении с эталонным модулем без охлаждения.
«Новизна нашего исследования заключается в разработке простой и недорогой стратегии пассивного охлаждения на основе бумаги с гидрогелевым покрытием, которая сочетает в себе циркуляцию воды и межфазное испарение, — рассказал автор исследования Вантан Нгуен. — В отличие от традиционных гидрогелевых систем, в нашей конструкции используется тонкая пористая структура, которая минимизирует тепловое сопротивление, сохраняя при этом эффективную циркуляцию воды. Это обеспечивает эффективное охлаждение в реальных условиях на открытом воздухе, в том числе стабильную работу даже при использовании морской воды».
Чтобы получить бумагу с гидрогелевым покрытием, команда сначала заморозила расправленную бумагу для авиалайнеров при температуре −20 °C на четыре часа. Тем временем был приготовлен гидрогелевый раствор: поливиниловый спирт (ПВС) растворяли в воде при температуре 95 °C в течение трех часов, после чего добавляли глутаровый альдегид, додецилсульфат натрия и соляную кислоту. Затем бумагу с одной стороны покрыли раствором и снова заморозили при температуре −20 °C на 20 часов. После этого ее разморозили и несколько раз промыли.
Сначала система была протестирована в ходе эксперимента в помещении с использованием эпоксидных поликристаллических солнечных панелей размером 5,5 см × 6,0 см. Мокрые листы бумаги были прикреплены к панелям и покрывали примерно две трети их поверхности. Оставшиеся края бумаги были погружены в два резервуара с водой, что обеспечивало циркуляцию воды из верхнего резервуара в нижний через бумагу. Эксперименты проводились при однонаправленном солнечном излучении с использованием как дистиллированной, так и природной морской воды с соленостью около 32 промилле.
Для экспериментов на открытом воздухе на крыше здания в Хошимине были установлены две одинаковые панели. Одна панель размером 5,5 × 6 см не охлаждалась, а на другой была установлена система с бумажным покрытием, пропитанным гидрогелем. Площадь покрытия составляла 4,0 × 5,5 см, как и в эксперименте в помещении. Обе панели были установлены под углом 25° к горизонтальной плоскости, обращены на юг и подключены к резистору сопротивлением 35 Ом.
Испытания показали, что при однонаправленном освещении система снижала температуру фотоэлектрической панели на 7 °C в безветренную погоду и на 14 °C при скорости ветра 1 м/с. Это привело к повышению относительной электрической эффективности на 12,8 % и 16,8 % соответственно. Бумага с гидрогелевым покрытием также продемонстрировала высокую долговременную стабильность при испытаниях в естественной морской воде как в помещении, так и на открытом воздухе.
«Одним из самых неожиданных результатов стала высокая производительность в реальных условиях на открытом воздухе, — говорит Нгуен. — Нам удалось снизить температуру на 14 °C, что привело к повышению относительной эффективности на 16,8 % и увеличению выработки энергии примерно на 14,6 % без использования внешнего источника энергии. Система также стабильно работала с морской водой, предотвращая накопление соли и обеспечивая ее концентрацию».
Новая технология была представлена в статье «Пассивное фотоэлектрическое охлаждение с помощью потока воды и межфазного испарения с использованием бумаги с гидрогелевым покрытием», опубликованной в журнале Solar Energy. В исследовании приняли участие ученые из Вьетнамского университета Ван Ланга, Университета Нго Куен, Вьетнамского института тропических технологий и защиты окружающей среды, Вьетнамско-немецкого университета, Университета Донгтхап и Университета Феникаа.
В настоящее время они работают над масштабированием системы, чтобы повысить ее долговечность при использовании в реальных условиях. «Будущие исследования будут направлены на оптимизацию материалов для различных климатических условий, усиление защиты от коррозии и интеграцию этого подхода в крупномасштабные солнечные системы. Мы также планируем и дальше изучать возможность совмещения производства энергии и очистки воды на одной платформе», — сказал Нгуен.