Ερευνητές από την Κίνα ανέπτυξαν μια νέα τεχνολογία ακτινοβολιακής ψύξης για φωτοβολταϊκά, η οποία μπορεί, όπως αναφέρεται, να επιτύχει πυκνότητα ψύξης έως και 40 W/m² και πυκνότητα φωτοβολταϊκής ισχύος έως και 103,33 W/m².
Η ακτινοβολιακή ψύξη πραγματοποιείται όταν η επιφάνεια ενός αντικειμένου απορροφά λιγότερη ακτινοβολία από την ατμόσφαιρα και εκπέμπει περισσότερη. Ως αποτέλεσμα, η επιφάνεια χάνει θερμότητα και επιτυγχάνεται ψύξη χωρίς την ανάγκη ηλεκτρικής ενέργειας.
Οι επιστήμονες εξήγησαν ότι το σύστημά τους για ακτινοβολιακή ψύξη κατά τη διάρκεια της ημέρας αποτελείται από έναν θάλαμο κατασκευασμένο από αιθυλένιο-τετραφθοροαιθυλένιο (ETFE) και πολυδιμεθυλοσιλοξάνη (PDMS), ο οποίος τοποθετείται πάνω από το ηλιακό κύτταρο. Τα υλικά αυτά δισπερνούν αρκετά το ηλιακό φως και διαθέτουν υψηλή εκπομπή υπέρυθρης ακτινοβολίας στο μεσαίο υπέρυθρο φάσμα.
Προκλήσεις
«Τα ηλιακά κύτταρα επιδεικνύουν σημαντική απορροφητικότητα στο μεσαίο υπέρυθρο φάσμα μαζί με το φάσμα του ηλιακού φωτός», εξήγησε η ομάδα. «Τα παραδοσιακά υλικά ακτινοβολιακής ψύξης κατά τη διάρκεια της ημέρας παρουσιάζουν υψηλή ανακλαστικότητα στο φάσμα του ηλιακού φωτός (0,28–2,5 μm) και υψηλή εκπομπή στο μεσαίο υπέρυθρο παράθυρο της ατμόσφαιρας (8–13 μm). Η συμβατότητα της ακτινοβολιακής ψύξης κατά τη διάρκεια της ημέρας με τα ηλιακά κύτταρα για αποτελεσματική μετατροπή ενέργειας έχει αποτελέσει πρόκληση λόγω της ανάγκης ανακλαστικότητας του ηλιακού φωτός.»
Για να ξεπεράσουν αυτές τις προκλήσεις, η ομάδα ξεκίνησε με την ανάλυση λειτουργικών ομάδων, καταλήγοντας στο ETFE και το PDMS ως τις καλύτερες επιλογές. Στη συνέχεια, δοκιμάστηκαν διάφορα πάχη φιλμ ETFE και PDMS. Τελικά, αποφασίστηκε να χρησιμοποιηθεί ETFE με πάχος 150 μm ως το ανώτερο στρώμα του θαλάμου και PDMS με πάχος 5 μm ως το κατώτερο στρώμα. «Χρησιμοποιήθηκε μηχάνημα χάραξης λέιζερ για την επεξεργασία δύο ακρυλικών πάνελ, καθένα από τα οποία είχε μήκος 20 εκ. και πλάτος 12 εκ., δημιουργώντας ένα ορθογώνιο άνοιγμα 17 εκ. μήκους και 10 εκ. πλάτους στο κέντρο», ανέφεραν οι ακαδημαϊκοί. «Τα φιλμ ETFE και PDMS στερεώθηκαν ανάμεσα στα ακρυλικά πάνελ και ασφαλίστηκαν με βίδες, δημιουργώντας έναν θάλαμο πάχους 5 mm ανάμεσα στα δύο φιλμ.» Ο θάλαμος τοποθετήθηκε πάνω από ένα μονοκρυσταλλικό ηλιακό κύτταρο με απόδοση 13%. Για τη βελτιστοποίηση της αποδοτικότητας της ακτινοβολιακής ψύξης, μια αντλία αέρα εισάγει αέρα στον θάλαμο με ρυθμό ροής 20 L/min. Το πειραματικό σύστημα δοκιμάστηκε σε εξωτερικό χώρο μια ηλιόλουστη μέρα του Οκτωβρίου στη Ναντζίνγκ, ανατολική Κίνα.
«Η συσκευή παρουσιάζει εξαιρετική σταθερότητα για έξι ώρες, με μέση ισχύ ψύξης περίπου 40 W/m²», δήλωσαν οι επιστήμονες. «Η μέγιστη φωτοβολταϊκή ισχύς φτάνει έως και 120 W/m² το μεσημέρι χωρίς τον θάλαμο· ωστόσο, αυτή η τιμή μειώνεται ελαφρώς στα 103,33 W/m² όταν καλύπτεται από τον θάλαμο. Επιπλέον, η απόδοση μετατροπής ισχύος του ηλιακού κυττάρου είναι 11,42%, σε σύγκριση με 12,92% για το γυμνό ηλιακό κύτταρο.»
Μετά το πείραμα, η ομάδα πραγματοποίησε μια προσομοίωση πολυφυσικής με το λογισμικό COMSOL για να δει αν το σύστημα μπορούσε να βελτιωθεί. «Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης δείχνουν ότι η αύξηση της ροής αέρα στον θάλαμο και η μείωση της απορροφητικότητας στο φάσμα του ηλιακού φωτός μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την απόδοση. Όταν η απορροφητικότητα του ψυκτικού μειωθεί στο 1%, η ισχύς ψύξης μπορεί να φτάσει έως και 68,74 W/m²», εξήγησαν περαιτέρω.
Η ακτινοβολιακή ψύξη έχει εφαρμοστεί πρόσφατα στην ψύξη ηλιακών πάνελ από ερευνητές των εξής ιδρυμάτων: Πανεπιστήμιο Σαγκάης Τζιάο Τονγκ (Κίνα), Πανεπιστήμιο Περντιού (ΗΠΑ), Ινστιτούτο Νανοεπιστήμης και Νανοτεχνολογίας της Καταλονίας (Ισπανία), Instituto de Ciencia de Materiales (Ισπανία), Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Ιορδανίας και το Australian College of Kuwait.
