Inovatívny solárny hybridný systém je svojou vlastnou batériou

„Solárny hybridný systém“ kombinuje fotovoltické panely a systém skladovania energie v jednom zariadení. Vývoj takéhoto zariadenia však zahŕňa prekonanie niekoľkých kľúčových výziev, aby sa zabezpečilo efektívne fungovanie systému. Jedným z nich je vplyv slnečného žiarenia, ktoré spôsobuje zvýšenie teploty panelov a trochu protichodne vedie k zníženiu účinnosti fotovoltických článkov o 10 až 25 %. Ďalším problémom je, že súčasné technológie skladovania energie, ako sú batérie, sa spoliehajú na vzácne a neudržateľné materiály.

Výskumníci z Chalmersovej technickej univerzity vo Švédsku a Universitat Politècnica de Catalunya v Barcelone v Španielsku však prišli s novým hybridným zariadením, ktoré rieši oba tieto problémy a zároveň maximalizuje využitie slnečnej energie a dosahuje rekordnú účinnosť skladovania energie.

Fotovoltické systémy na báze kremíka sa stali dominantnou technológiou solárnej energie z dobrého dôvodu. Kremíka je dostatok a jeho použitie na výrobu fotovoltických modulov je nákladovo efektívne, škálovateľné a ekologicky udržateľné. Fotovoltické systémy na báze kremíka sú tiež vysoko účinné pri premene slnečného svetla na elektrickú energiu. Napriek tomu sú stále náchylné na prehrievanie, ktoré spôsobuje ich neefektívnosť.

Výskumníci sa teda odklonili od tradičnej metódy kombinácie tepelnej absorpčnej vrstvy s fotovoltickým článkom a skombinovali kremíkový solárny článok s inovatívnym systémom molekulárneho solárneho tepelného skladovania energie - MOST. Systém je umiestnený na vrchnej časti fotovoltického článku a obsahuje organické molekuly prúdiace cez mikrofluidný čip, ktoré dokážu ukladať slnečné svetlo ako chemickú energiu prostredníctvom procesu fotoizomerizácie. Fotoizomerizácia je bežná fotoreakcia, pri ktorej organická molekula mení svoju štruktúru po vystavení svetlu.

Ak sa vrátime k základom fyziky, fotóny sú malé balíky svetla, ktoré predstavujú celé spektrum elektromagnetického žiarenia. Fotóny sa pohybujú v tvare vlny, od nízkoenergetických rádiových vĺn cez energetické vlny, ktoré vytvárajú viditeľné svetlo, až po vlny s vyššou energiou, ako je ultrafialové svetlo.

Keď sú organické molekuly MOST ožiarené vysokoenergetickými fotónmi alebo svetelnými časticami, napríklad ultrafialovým svetlom, prechádzajú chemickou premenou, pričom sa vytvorená energia ukladá na neskoršie použitie. Okrem toho tieto molekuly ochladzujú fotovoltický článok tým, že fungujú ako optický filter, ktorý blokuje fotóny, ktoré by za normálnych okolností spôsobili zahriatie článku a zníženie účinnosti. Týmto spôsobom systém MOST umožňuje výrobu elektrickej energie aj uskladnenie chemickej energie.

Výskumníci testovali nové zariadenie v reálnych podmienkach, pričom ho manuálne orientovali tak, aby bolo otočené k slnku medzi 9.00 a 15.00 hodinou v jesenný novembrový deň v Barcelone v roku 2022, ktorý dosiahol vysokú teplotu približne 39 °C. Nové zariadenie dosiahlo účinnosť solárnej akumulácie 2,3 %, čo je doteraz najvyššia zaznamenaná účinnosť molekulárnej tepelnej solárnej energie. Znížilo tiež teplotu fotovoltických článkov až o 8 °C, čím sa znížili straty energie spôsobené teplom a zvýšila sa účinnosť premeny energie o 12,6 %. Celkové využitie solárnej energie bolo až 14,9 %.

Z hľadiska udržateľnosti systém MOST nielenže zvyšuje energetickú účinnosť, aby sa znížila závislosť od fosílnych palív, ale využíva aj bežné prvky ako uhlík, vodík, kyslík a dusík namiesto vzácnych a drahých materiálov, ako sú lítium, kobalt a nikel, ktoré sa zvyčajne používajú na výrobu batérií.

„Napriek potenciálu ďalšej optimalizácie je tento vývoj významným krokom smerom k technológii dlhodobého skladovania energie, ktorá dopĺňa fotovoltické systémy,“ uviedli výskumníci.

Bolo preukázané, že systém MOST vydrží viac ako 1 000 cyklov nabíjania / vybíjania s minimálnou degradáciou. To znamená, že by bolo možné, aby systém fungoval nepretržite niekoľko mesiacov. Výskumníci očakávajú, že ich hybridné zariadenie bude riešiť rastúcu potrebu čistej energie a účinného skladovania v čase, keď sa prechádza od fosílnych palív.

Štúdia bola nedávno uverejnená v magazíne Joule.