Πρωτοποριακό ηλιακό panel παράγει και αποθηκεύει ενέργεια ταυτόχρονα

Μια καινοτόμος υβριδική ηλιακή συσκευή που συνδυάζει φωτοβολταϊκό πάνελ και αποθήκευση ενέργειας πέτυχε επίπεδα ρεκόρ απόδοσης αποθήκευσης ενέργειας για μια τέτοια συσκευή. Και σε αντίθεση με τις συμβατικές μπαταρίες, η συσκευή μοριακής αποθήκευσης ηλιακής θερμικής ενέργειας (MOST - Molecular Solar Thermal Energy Storage) δεν βασίζεται σε σπάνια υλικά.

Το «ηλιακό υβριδικό σύστημα» συνδυάζει φωτοβολταϊκά πάνελ και ένα σύστημα αποθήκευσης ενέργειας σε μία συσκευή. Ωστόσο, η ανάπτυξη μιας τέτοιας συσκευής προϋποθέτει την υπέρβαση ορισμένων βασικών προκλήσεων για να εξασφαλιστεί η αποτελεσματική λειτουργία του συστήματος. Η μία είναι η επίδραση της ηλιακής ακτινοβολίας, η οποία προκαλεί αύξηση της θερμοκρασίας των πάνελ και - κάπως αντιφατικά - οδηγεί σε μείωση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών στοιχείων κατά 10% έως 25%. Μια άλλη είναι ότι οι τρέχουσες τεχνολογίες αποθήκευσης ενέργειας, όπως οι μπαταρίες, βασίζονται σε σπάνια, μη βιώσιμα υλικά.

Όμως, ερευνητές από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers της Σουηδίας και το Universitat Politècnica de Catalunya - Barcelona Tech της Ισπανίας, κατέληξαν σε μια νέα υβριδική συσκευή που αντιμετωπίζει και τα δύο αυτά ζητήματα, ενώ μεγιστοποιεί την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας και επιτυγχάνει ρεκόρ απόδοσης στην αποθήκευση ενέργειας.

Τα φωτοβολταϊκά συστήματα με βάση το πυρίτιο έχουν αναδειχθεί ως η κυρίαρχη τεχνολογία ηλιακής ενέργειας για καλό λόγο. Το πυρίτιο είναι άφθονο και η χρήση του για την κατασκευή φωτοβολταϊκών μονάδων είναι οικονομικά αποδοτική, κλιμακούμενη και περιβαλλοντικά βιώσιμη. Τα φωτοβολταϊκά συστήματα με βάση το πυρίτιο είναι επίσης εξαιρετικά αποδοτικά στη μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Παρ' όλα αυτά, εξακολουθούν να είναι επιρρεπή στην υπερθέρμανση, η οποία προκαλεί αναποτελεσματικότητα.

Έτσι, οι ερευνητές παρέκκλιναν από την παραδοσιακή μέθοδο συνδυασμού ενός θερμικού απορροφητικού στρώματος με ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο και συνδύασαν ένα ηλιακό στοιχείο πυριτίου με ένα καινοτόμο μοριακό σύστημα αποθήκευσης ηλιακής θερμικής ενέργειας. Το σύστημα τοποθετείται στην κορυφή του φωτοβολταϊκού στοιχείου και περιέχει οργανικά μόρια που ρέουν μέσω ενός μικρορευστικού τσιπ, τα οποία μπορούν να αποθηκεύσουν το ηλιακό φως ως χημική ενέργεια μέσω της διαδικασίας του φωτοϊσομερισμού. Μια κοινή φωτοαντίδραση, η φωτοϊσομερίωση είναι η περίπτωση όπου ένα οργανικό μόριο αλλάζει τη δομή του κατά την έκθεση του στο φως.

Επιστρέφοντας στα βασικά στοιχεία της Φυσικής, τα φωτόνια είναι μικροσκοπικά δέματα φωτός που αντιπροσωπεύουν ολόκληρο το φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Τα φωτόνια ταξιδεύουν σε ένα κυματοειδές μοτίβο, από τα ραδιοκύματα χαμηλής ενέργειας μέχρι τα ενεργειακά κύματα που παράγουν το ορατό φως και στη συνέχεια σε κύματα υψηλότερης ενέργειας όπως το υπεριώδες φως.

Όταν τα οργανικά μόρια του MOST ακτινοβολούνται με φωτόνια υψηλής ενέργειας ή σωματίδια φωτός, όπως το υπεριώδες φως, υφίστανται χημικό μετασχηματισμό, αποθηκεύοντας τη δημιουργηθείσα ενέργεια για μετέπειτα χρήση. Επιπλέον, τα μόρια αυτά ψύχουν το φωτοβολταϊκό στοιχείο δρώντας ως οπτικό φίλτρο που εμποδίζει τα φωτόνια που κανονικά θα προκαλούσαν τη θέρμανση του στοιχείου και τη μείωση της απόδοσης. Με αυτόν τον τρόπο, το σύστημα MOST επιτρέπει τόσο την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας όσο και την αποθήκευση χημικής ενέργειας.

Οι ερευνητές δοκίμασαν τη νέα συσκευή σε πραγματικές συνθήκες, προσανατολίζοντάς την με το χέρι προς τον Ήλιο μεταξύ 9 π.μ. και 3 μ.μ. σε μια φθινοπωρινή ημέρα του Νοεμβρίου στη Βαρκελώνη το 2022, η οποία έφτασε σε υψηλή θερμοκρασία περίπου 39 °C. Η νέα συσκευή πέτυχε απόδοση ηλιακής αποθήκευσης 2,3%, την υψηλότερη καταγεγραμμένη απόδοση μοριακής θερμικής ηλιακής ενέργειας που έχει καταγραφεί μέχρι σήμερα. Μείωσε επίσης τη θερμοκρασία των φωτοβολταϊκών κυττάρων έως και 8 °C, μειώνοντας τις απώλειες ενέργειας λόγω θερμότητας και αυξάνοντας την απόδοση μετατροπής ισχύος κατά 12,6%. Η συνολική αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας έφθασε το 14,9%.

Από άποψη βιωσιμότητας, το σύστημα MOST όχι μόνο ενισχύει την ενεργειακή απόδοση για να μειώσει την εξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα, αλλά χρησιμοποιεί επίσης κοινά στοιχεία όπως ο άνθρακας, το υδρογόνο, το οξυγόνο και το άζωτο αντί για σπάνια (και ακριβά) υλικά όπως το λίθιο, το κοβάλτιο και το νικέλιο, τα οποία χρησιμοποιούνται συνήθως για την κατασκευή μπαταριών.

«Παρά τις δυνατότητες περαιτέρω βελτιστοποίησης, η εξέλιξη αυτή αποτελεί ένα σημαντικό βήμα προς μια τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας μακράς διάρκειας που συμπληρώνει τα φωτοβολταϊκά συστήματα», δήλωσαν οι ερευνητές.

Το σύστημα MOST έχει αποδειχθεί ότι διαρκεί για πάνω από 1.000 κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης με ελάχιστη υποβάθμιση, πράγμα που σημαίνει ότι θα ήταν εφικτό το σύστημα να λειτουργεί συνεχώς για μήνες. Οι ερευνητές αναμένουν ότι η υβριδική τους συσκευή θα αντιμετωπίσει την αυξανόμενη ανάγκη για καθαρή ενέργεια και αποτελεσματική αποθήκευση καθώς μεταβαίνουμε μακριά από τα ορυκτά καύσιμα.

[via]