“Hybrydowy system słoneczny” łączy panele fotowoltaiczne (PV) i magazyn energii w jednym urządzeniu. Jednak opracowanie takiego urządzenia wiąże się z pokonaniem kilku kluczowych wyzwań. Jednym z nich jest wpływ promieniowania słonecznego, który powoduje wzrost temperatury paneli i – co nieco sprzeczne z intuicją – spadek wydajności ogniw fotowoltaicznych o 10-25 proc. Innym jest to, że obecne technologie magazynowania energii opierają się na rzadkich, niezrównoważonych materiałach.
Czytaj też: Te panele słoneczne to prawdziwy ewenement. Nikt wcześniej czegoś takiego nie stworzył
Naukowcy z Chalmers University of Technology w Szwecji i Universitat Politècnica de Catalunya – Barcelona Tech w Hiszpanii rozwiązali oba te problemy, efektem czego jest rekordowe urządzenie. Szczegóły opisano w czasopiśmie Joule.
Hybrydowe urządzenie generuje i magazynuje energię jednocześnie
Nie przez przypadek to systemy fotowoltaiczne na bazie krzemu są dzisiaj dominującą technologią pozyskiwania energii słonecznej. Krzem to powszechny pierwiastek, a jego zastosowanie do produkcji modułów fotowoltaicznych jest opłacalne, skalowalne i przyjazne dla środowiska. Takie panele są wydajne w przekształcaniu energii słonecznej na energię elektryczną.
Czytaj też: Zużyte panele słoneczne źródłem cennego surowca. Można odzyskać go aż 99 procent
Teraz uczeni odeszli od tradycyjnej metody łączenia warstwy absorbera termicznego z ogniwem fotowoltaicznym i połączyli krzemowe ogniwo z innowacyjnym molekularnym systemem magazynowania energii cieplnej (MOST). Jest on umieszczany na górze ogniwa fotowoltaicznego i zawiera cząsteczki organiczne przepływające przez mikroprzepływowy układ scalony, który może magazynować światło słoneczne jako energię chemiczną poprzez proces fotoizomeryzacji.
Fotoizomeryzacja to proces chemiczny, w którym izomery (cząsteczki o tej samej formule chemicznej, ale różnej strukturze) zmieniają się pod wpływem światła. W wyniku absorpcji fotonów o odpowiedniej energii, cząsteczka może zmienić swój kształt lub układ przestrzenny wiązań.
Gdy cząsteczki organiczne MOST są napromieniowywane fotonami o wysokiej energii (np. światłem UV), przechodzą one przemianę chemiczną, przechowując wytworzoną energię do późniejszego wykorzystania. Ponadto cząsteczki te chłodzą ogniwo fotowoltaiczne, działając jako filtr optyczny, blokujący fotony, które normalnie powodowałyby nagrzewanie się ogniwa i zmniejszanie wydajności. W ten sposób system MOST umożliwia zarówno generowanie energii elektrycznej, jak i magazynowanie energii chemicznej.
Naukowcy przetestowali nowe urządzenie w rzeczywistych scenariuszach, ręcznie ustawiając je w kierunku Słońca między godziną 9:00 a 15:00 jesiennego listopadowego dnia w Barcelonie w 2022 r. Nowe urządzenie osiągnęło wydajność magazynowania energii słonecznej na poziomie 2,3 proc., co jest najwyższą odnotowaną dotychczas molekularną wydajnością cieplną energii słonecznej. Obniżyło również temperaturę ogniw fotowoltaicznych nawet o 8oC, zmniejszając straty energii z powodu ciepła i zwiększając wydajność konwersji mocy o 12,6 proc. Całkowite wykorzystanie energii słonecznej wzrosło do 14,9 proc.
Udowodniono, że system MOST wytrzymuje ponad 1000 cykli ładowania/rozładowania przy minimalnej degradacji, co oznacza, że mógłby działać nieprzerwanie przez miesiące. Naukowcy spodziewają się, że ich hybrydowe urządzenie zaspokoi rosnące zapotrzebowanie na czystą energię i wydajne magazynowanie w miarę odchodzenia od paliw kopalnych.