Фотоэлектрические модули (PV) — это устройства, которые преобразуют солнечный свет в электрическую энергию. Однако они страдают от низкой эффективности преобразования, составляющей около 20%, поскольку могут преобразовывать в электричество только волны ближнего инфракрасного диапазона, в то время как другие длины волн просто нагревают фотоэлектрический модуль, снижая его эффективность.
Чтобы противостоять этому, ученые разработали фотоэлектрическо-тепловые (PVT) системы, в которых вырабатываемое тепло отводится теплообменником, содержащим охлаждающую жидкость. Это, в свою очередь, охлаждает фотоэлектрический модуль, повышая его эффективность. Более того, захваченное тепло может быть использовано в виде тепловой энергии.
Для дальнейшего усиления охлаждающего эффекта фотоэлектрических модулей и сбора тепловой энергии были разработаны раздельные системы PVT, оснащенные жидкостными фильтрами. Эти фильтры, размещенные на фотоэлектрических модулях, улавливают солнечные лучи определенной длины волны, которые вносят минимальный вклад в выработку электроэнергии, включая ультрафиолет (UV), видимый свет и ближнюю инфракрасную область, облегчая их преобразование в тепловую энергию для различных применений. Однако вода, популярный жидкостный фильтр, не может поглощать ультрафиолетовые лучи.
Теперь команда исследователей, возглавляемая доцентом Джэ Вон Ли из Корейского университета моря и океана, представила инновационную эмульсию (смесь) рыбьего жира и воды в качестве жидкостного фильтра. Он эффективно поглощает как инфракрасный, так и ультрафиолетовый свет, увеличивая потенциал сбора энергии в разобщенных фотоэлектрических системах. Их работа была опубликована в Energy Conversion and Management.
«В большинстве жидкостных фильтров используется либо вода, либо смесь воды и твердых наночастиц для поглощения неиспользуемых длин волн солнечного излучения. Однако вода поглощает только инфракрасную часть солнечного света с длинами волн, превышающими 1250 нм. Твердые наночастицы, с другой стороны, имеют тенденцию со временем оседать, что снижает их эффективность», — отмечает доктор Ли. В отличие от этого, предлагаемая эмульсия остается стабильной при высоких температурах до 70 °C.
Кроме того, масляные капли в эмульсии эффективно поглощают ультрафиолетовый свет с длиной волны менее 500 нм.
Наличие эмульсионного фильтра значительно повысило эффективность преобразования и снизило рабочую температуру по сравнению с системами с одними теплообменниками. Эффективность увеличилась с 70,9% до 84,4%, в то время как температура снизилась с 46,7 °C до 33,1 °C.
Исследователи обнаружили, что при стандартной солнечной освещенности 1000 Вт/м2 отключенная система PVT с эмульсионным фильтром вырабатывала электрическую и тепловую энергию, составляющую 72,2 Вт*ч и 1176,7 Вт*ч в день соответственно. Это оказалось экономически выгодным, с меньшим временем окупаемости затрат, чем как системы PVT, так и системы PVT, не связанные с водяным фильтром.
Предлагаемая система может эксплуатироваться даже при определенных требованиях и условиях окружающей среды. Например, летом жидкость в жидкостном фильтре можно было бы пропускать, чтобы максимизировать выработку электроэнергии, в то время как зимой жидкостный фильтр мог бы улавливать тепловую энергию для обогрева помещений. Ожидается, что его реализация также будет простой.
«Эмульсионная технология уже хорошо зарекомендовала себя и находит применение в различных отраслях промышленности, таких как косметика и пищевая промышленность», — объясняет доктор Ли. «Таким образом, эмульсионные фильтры можно легко применять в существующих системах. Кроме того, они обладают огромным потенциалом для новых применений, включая селективное разделение спектра длин волн солнца».