ابداع راهکاری ساده و خلاقانه برای خنک سازی پنل های خورشیدی

پژوهشگران توانسته‌‌اند با به‌‌کارگیری هیدروژلی در سطح پشتی پنل‌‌های خورشیدی، سازوکاری مشابه با تعریق پوست برای کاهش دمای سلول‌‌های فتوولتائیک ابداع کنند.

پنل‌‌های خورشیدی همانند بسیاری از تجهیزات الکترونیکی دیگر تاب تحمل دماهای زیاد را ندارند و در آب‌وهوای بسیار گرم با افت خروجی چشمگیری مواجه می‌‌شوند. به‌همین‌دلیل، پژوهشگران به فکر چاره‌‌ای افتاده‌‌اند تا بتوانند با ایجاد تعریق مصنوعی، سلول خورشیدی را خنک کنند و بازدهی آن را در ساعات گرم افزایش دهند. لیانگ‌‌بینگ هو، دانش‌‌آموخته‌‌ی علم مواد دانشگاه مریلند از شهر کالج‌‌پارک در ایالات متحده، معتقد است: «این روشی ساده و زیبا و مؤثر برای تجهیز پنل‌‌های خورشیدی فعلی با هدف افزایش فوری میزان بازدهی آن‌‌ها است».

امروزه، ظرفیت نیروگاه‌‌های خورشیدی جهان به بیش از ۶۰۰ گیگاووات رسیده است که به‌‌معنای تأمین حدود ۳ درصد از کل انرژی مصرفی سیاره است. انتظار می‌‌رود این ظرفیت در دهه‌‌ی آینده پنج‌برابر شود. هم‌اکنون، بخش عمده‌‌ی این تجهیزات از عنصر سیلیکون در ساختار سلول‌‌های خود بهره می‌‌برند. متأسفانه این سلول‌‌های سیلیکونی به‌‌صورت میانگین تنها ۲۰ درصد از انرژی را به الکتریسیته تبدیل می‌‌کنند و بقیه‌‌ی انرژی دریافتی به‌‌شکل حرارت درمی‌‌آید که می‌‌تواند دمای سطح پنل‌‌ها را به بیش‌ ‌از ۴۰ درجه‌‌ی سانتی‌‌گراد برساند. با هر یک درجه افزایش دمای پنل‌‌ها از دمای شرایط استاندارد (۲۵ درجه‌‌ی سانتی‌‌گراد)، توان خروجی پنل بسته به کیفیت ساخت و کاربری پنل‌‌ها می‌‌تواند بین ۰/۲ تا ۰/۴ درصد افت کند.  شاید این میزان افت چندان چشمگیر به‌نظر نرسد؛ ولی از دیدگاه جون ژو، دانشمند علم مواد از دانشگاه علم و فناوری هواژونگ، برای این سطح از فناوری که پژوهشگران برای هر درصد افزایش بهره‌وری چندین ماه تلاش می‌‌کنند، حتی جلوگیری از افت توان ۱ درصدی نیز دستاوردی بزرگ به‌‌شمار می‌‌آید.

چند دهه‌‌ی پیش، پژوهشگران دریافتند خنک‌‌سازی پنل‌‌های خورشید با کمک آب می‌‌تواند مزایای فراوانی داشته باشد. امروزه، حتی برخی شرکت‌‌ها درصدد فروش تجهیزات خنک‌‌کننده‌‌ی آبی برای نیروگاه‌‌های خورشیدی برآمده‌‌اند که به‌‌کارگیری آن‌‌ها، مستلزم دسترسی به حجم زیادی از آب و تجهیزاتی نظیر مخازن ذخیره‌‌سازی و لوله‌‌کشی و پمپ‌‌ها خواهد بود؛ امکاناتی که دسترسی به آن در نقاط گرم‌‌وخشک یا کشورهای درحال‌‌توسعه با زیرساخت‌‌های ضعیف به‌‌ندرت امکان‌‌پذیر است.

برای خنک‌‌سازی یک مترمربع از پنل خورشیدی در منطقه‌ای بیابانی با رطوبت نسبی ۳۵ درصد، به یک کیلوگرم ژل نیاز خواهد بود

چندی قبل فناوری تازه‌‌ای به‌نام کلکتورهای جوّی در صنعت تأمین آب آشامیدنی معرفی شد و پژوهشگران انواع جدیدی از مواد را معرفی کردند که می‌‌توانستند بخارآب را از هوا جذب کنند و پس از  تقطیر، آن را به‌‌شکل آب آشامیدنی دربیاورند. یکی از بهترین مواد استفاده‌شده، نوعی ژل متشکل ‌‌از نانولوله‌‌های کربنی در پلیمر و نمک جاذب کلسیم‌‌کلرید است. این ماده در ساعاتی از شب که هوا سردتر و میزان رطوبت آن بیشتر است، می‌‌تواند ازطریق تقطیر ذرات بخار به‌‌شکل قطرات آب، حجم درخورتوجهی از آب را در ساختار ژل‌‌گونه‌‌ی خود جذب کند. با افزایش دما در ساعات روز، ژل آرام‌‌آرام این بخارآب را آزاد می‌‌کند. چنانچه روی ژل را با کمک لایه‌ی پلاستیک شفافی بپوشانیم، خواهیم توانست بخارآب آزادشده را در دام بینداریم و با تبدیل دوباره‌‌ی آن به آب مایع، امکان ذخیره‌‌سازی آن را در مخازن آب آشامیدنی فراهم کنیم.

پنگ‌‌وانگ، مهندس محیط‌‌زیست دانشگاه پلی‌‌تکنیک هونگ‌‌کونگ و همکارانش کاربردی تازه برای این آب تقطیرشده یافته‌‌اند و آن خنک‌‌سازی پنل‌‌های خورشیدی است. آن‌‌ها یک لایه‌‌ی ژل یک‌سانتی‌‌متری را در پشت صفحات خورشیدی جای‌گذاری کردند. ایده‌‌ی اصلی بدین‌صورت است که لایه‌‌ی ژل یادشده در ساعات روز، گرمای پشت پنل را جذب می‌‌کند و از آن برای تبخیر آب جذب‌‌شده از اتمسفر در شب قبل بهره می‌‌برد و درنهایت، بخار تولیدشده از بخش انتهایی ژل خارج می‌‌شود. درست مانند فرایند تعریق در پوست انسان، با تبخیر آب از سطح ژل پنل خورشیدی نیز خنک خواهد شد.

پژوهشگران دریافته‌‌اند میزان ژل موردنیاز برای خنک‌‌سازی پنل وابسته به میزان رطوبت موجود در محیط خواهد بود. به‌‌عنوان مثال، در منطقه‌ای بیابانی با رطوبت نسبی ۳۵ درصد، برای خنک‌‌سازی هر مترمربع از سطح پشتی پنل خورشیدی، به یک کیلوگرم ژل نیاز است؛ درحالی‌که در منطقه‌ا‌‌ی گرم و شرجی با رطوبت نسبی ۸۰ درصدی، تنها به ۳۰۰ گرم ژل در ازای هر مترمربع پنل نیاز خواهیم داشت.

حال اجازه دهید میزان تغییرات در خروجی توان پنل‌‌های خنک‌‌شده را بررسی کنیم. با اعمال لایه‌‌ی ژل، دمای سطح پنل فتوولتائیک به‌‌اندازه‌‌ی ۱۰ درجه‌‌ی سانتی‌‌گراد افت خواهد کرد و درعوض، خروجی برق تولید از این پنل‌‌ها به‌‌طورمیانگین ۱۵ درصد افزایش می‌‌یابد. بنابر گزارش وانگ و همکارانش در ژورنال Nature Sustainability، افزایش توان خروجی در وضعیت واقعی و در حضور باد تا ۱۹ درصد نیز خواهد رسید.

از دیدگاه ژو، این میزان از افزایش بازدهی چشمگیر است؛ با‌این‌حال، معتقد است بارش باران می‌‌تواند با حل‌‌کردن کلسیم کلرید موجود در ژل، به‌‌مرور خاصیت جذب‌‌کنندگی رطوبت را  از آن سلب کند. وانگ نیز با او موافق است؛ ولی اضافه می‌‌کند هیدروژل در سطح پشتی پنل قرار می‌‌گیرد و این موضوع می‌‌تواند ژل را از تماس مستقیم با باران مصون نگاه دارد. او و همکارانش درصدد هستند روی نسل جدیدی از این ژل‌‌ها کار کنند که حتی درصورت تماس باران نیز خاصیت خود را از دست ندهند.

وانگ از طرح دیگری نیز سخن می‌‌گوید با به‌‌دام‌‌انداختن و تقطیر مجدد آب تبخیرشده از ژل می‌‌تواند در سیکلی بسته کار کند. او می‌‌افزاید این آب می‌‌تواند برای تمیزکردن سطح پنل‌‌ها از گردوغبار نیز استفاده شود و بدین‌‌ترتیب، به‌‌طورهم‌زمان یکی دیگر از موانع مهم پیش ‌‌رو در افزایش بازدهی پنل‌‌های خورشیدی را از میان بردارد. به‌‌گفته‌‌ی وانگ، این آب می‌‌تواند حتی برای مصارف آشامیدنی نیز ذخیره‌‌سازی شود؛ سازوکاری که می‌‌تواند برای بسیاری از ساکنان مناطق بیابانی راه‌حلی حیاتی قلمداد شود.