Солнечные панели могут быть невероятно горячими — почти на 40 °С выше, чем температура окружающей среды. Особенно, в засушливых регионах. Эти условия возникают из-за того, что кремниевые фотоэлектрические элементы обычно преобразуют только четверть поглощенной солнечной энергии в электричество, в то время как остальная часть нагревает саму панель — и это крайне негативный фактор, так как суровые рабочие температуры весьма заметно снижают эффективность и срок её службы.
Однако учёные нашли выход: небольшие изменения в конструкции мембраны фотоэлемента могут оказать большое влияние на дальнейшую её производительность. Новая технология, разработанная в Научно-технологическом университете имени короля Абдаллы (KAUST), будет отводить и использовать отработанное тепло солнечных элементов для опреснения морской воды.
Пэн Ван и его команда в 2019 году поняли, что нагретую поверхность солнечных элементов можно использовать для очистки воды. Они разработали устройство, которое крепится под фотоэлектрической панелью и втягивает морскую воду в ряд многослойных каналов. Испаренная в самом верхнем канале вода проходит через пористую мембрану в нижний слой, где подвергается повторной дистилляции. После трех уровней очистки пресная вода производится со скоростью, близкой к 1.6 литрам в час.
Однако даже при водяном охлаждении команда отметила, что рабочая температура их фотоэлектрической панели оставалась неизменно высокой. Чтобы исправить это, исследователи Венбин Ван и Сара Алейд помогли разработать теоретическую модель для изучения взаимосвязи между конкретными параметрами мембраны, такими как толщина и пористость, с температурой солнечного элемента.
«Достижение более низкой температуры солнечного элемента зависит от регулирования теплопередачи через гидрофобную мембрану в многоступенчатом устройстве, — объясняет Ван. — Простым модулированием параметров мембраны мы обнаружили, что использование более тонкой гидрофобной структуры с более высокой пористостью позволяет одновременно улучшить характеристики опреснения и понизить температуру солнечных элементов».
Перенос этих результатов из лаборатории в реальные условия потребовал от команды минимизирования потребностей в энергии. Черпая вдохновение из инфузионной технологии, используемой в капельницах, исследователи разработали гравитационную систему, которая подает морскую воду в устройство на солнечных батареях без внешних насосов. Кроме того, специальная ткань отводит твердые соли и минералы, предотвращая выброс токсичной соленой жидкости. Технология получилась не энергозатратной, а значит, вполне жизнеспособной.
«Поскольку наше устройство предназначено для опреснения морской воды и обеспечения электроэнергией населенных пунктов, не подключенных к электросети, полагаться на механический насос для управления расходом воды — не лучший выбор», — говорит Венбин Ван.
Эксперименты, включая испытания на открытом воздухе в солнечном кампусе KAUST, показали, что новая конструкция мембраны увеличила выработку электроэнергии на 8 процентов, а также удвоила предыдущие темпы производства пресной воды.
