Il raffreddamento artificiale delle foglie aumenta la durata, l'efficienza dei pannelli fotovoltaici...

La foglia fotovoltaica trasporta l'acqua per raffreddare i pannelli fotovoltaici senza la necessità di pompe per aumentare l'efficienza e la durata e può essere utilizzata anche per produrre acqua dolce.

Il calore è il nemico dei pannelli fotovoltaici. Una maggiore luce solare e temperature più calde significano che una parte maggiore del pannello si riscalda, quindi l’efficienza dei più comuni pannelli fotovoltaici a base di Si diminuisce tipicamente dal 4,0 al 6,5% e il loro tasso di invecchiamento raddoppia per ogni aumento di 10 °C della temperatura operativa.

Il sistema sviluppato all'Imperial utilizza una combinazione di fibre di bambù e idrogel per trasportare l'acqua lungo il retro di un pannello fotovoltaico senza dover essere pompata. Più calda è la cella, più liquido viene trascinato attraverso il sistema di raffreddamento, nello stesso modo in cui gli alberi si raffreddano.

È stato dimostrato sperimentalmente che le prestazioni di traspirazione della foglia fotovoltaica sono in grado di rimuovere 590 W/m2, il 75% del calore nella cella fotovoltaica, diminuendo significativamente la temperatura operativa della cella fotovoltaica di ~26 °C rispetto a una cella fotovoltaica autonoma.

È dimostrato che la foglia fotovoltaica ha una capacità di controllo passivo, adattandosi a diverse temperature ambientali e può anche utilizzare diversi fluidi di lavoro come l'acqua di mare. I risultati sperimentali hanno mostrato che il raffreddamento aumenta la tensione a circuito aperto da 0,58 V a 0,63 V e l'efficienza elettrica aumenta del 13,6% dal 13,2% al 15,0%.

Lo strato di traspirazione biomimetica (BT) spesso 1 mm è attaccato al retro di una cella solare fotovoltaica per rimuovere il calore generato nella cella. Circa 30 rami di fasci di fibre di bambù sono incorporati in modo omogeneo nelle celle idrogel del polimero superassorbente (SAP) di poliacrilato di potassio (PAAK), distribuendo l'acqua su tutta l'area coperta dallo strato BT.

I fasci di fibre imitano i fasci vascolari nel trasporto e nella distribuzione dell'acqua liquida sulla superficie della cellula, mentre le cellule di idrogel con ampia area superficiale specifica ed eccellenti prestazioni di assorbimento dell'acqua vengono utilizzate per imitare le cellule di spugna nel fornire un'evaporazione efficace.

Le prestazioni di traspirazione della foglia fotovoltaica sono state testate sotto un simulatore solare con un irraggiamento di 1000 W/m2 in assenza di vento e poi confrontate con quelle di una cella fotovoltaica autonoma dello stesso materiale. Anche la cella fotovoltaica autonoma è stata coperta e protetta da uno strato di vetro ad alta trasmittanza spesso 0,7 mm, ma senza alcun isolamento o foglio posteriore sul retro della cella ed è stata raffreddata mediante convezione naturale dell'aria. La temperatura ambiente e l'umidità relativa nel laboratorio erano rispettivamente di 33,5 °C e 10%.

Durante i test la cella fotovoltaica autonoma ha raggiunto una temperatura di 68,8 °C mentre la foglia fotovoltaica con raffreddamento tramite traspirazione biomimetica ha raggiunto una temperatura di soli 43,2 °C.

Per esaminare l'effetto del vento, è stato sviluppato un modello 3D e validato rispetto ai risultati sperimentali. Ciò dimostra che la temperatura della foglia FV può essere inferiore alla temperatura ambiente quando la velocità del vento è superiore a 1,5 m/s. e la riduzione della temperatura è quasi lineare da ~26 °C a 0 °C mentre l'umidità relativa aumenta dal 10% al 100%.

“Questo design innovativo racchiude un enorme potenziale per migliorare in modo significativo le prestazioni dei pannelli solari, garantendo allo stesso tempo efficienza in termini di costi e praticità”, ha affermato il dottor Gan Huang, ricercatore onorario presso il Dipartimento di ingegneria chimica e coautore dello studio.

Il professor Christos Markides, capo del Clean Energy Processes Laboratory e autore dello studio, ha dichiarato: “L’implementazione di questo innovativo design a forma di foglia potrebbe aiutare ad accelerare la transizione energetica globale, affrontando al contempo due urgenti sfide globali: la necessità di maggiore energia e acqua dolce. "