Британские ученые разработали концепцию «solar leaf» (солнечного листа), сочетающую в себе элементы биологии и фотоэлектрических технологий. Новые солнечные панели имеют форму листьев и способны испарять воду, а также использовать излишнюю тепловую энергию. Благодаря этой конструкции они захватывают больше солнечного света, чем стандартные солнечные панели, и значительно повышают выработку электричества.
Проще говоря, солнечные панели работают, поглощая солнечный свет и преобразовывая его энергию в электрическую. Они делают это с помощью фотоэлектрических элементов (ФЭ), которые позволяют фотонам (частицам света) выбивать электроны из атомов. Из-за особенностей структуры фотоэлементов, электроны могут двигаться только в одну сторону, создавая электрический ток, который можно направить на нужное устройство (например, на домашний аккумулятор).
Большинство солнечных элементов, используемых в домах, офисных зданиях, покрытиях парковок и других сооружениях, как правило, способны собирать не более 24,5% солнечного света. Экспериментальные элементы не намного лучше (хотя последние наработки нескольких исследовательских групп помогли собрать от 31,25% до 33,5% солнечной энергии). Ученые объясняют это тем, что фотоэлементы могут собирать только определенную часть солнечного спектра. Неиспользованная энергия, которая не может быть поглощена фотоэлементами, рассеивается в виде тепла, повышая рабочую температуру элементов. Когда клетки нагреваются, они становятся еще менее эффективными и имеют тенденцию «стареть» быстрее. Некоторые производители пытаются предотвратить повышение температуры, используя активные методы управления температурой, включающие поток воды или воздуха, но в результате они потребляют энергию и требуют дополнительных материалов.
Схема, показывающая слои фотоэлектрического листа. Авторы и права: Ган Хуанг, Nature Communications
Новая технология “солнечного листа” или PV-листа, как его называют ученые, решает эти проблемы. "Система работает как «гибридный» солнечный коллектор без насоса", — утверждают исследователи из Имперского колледжа Лондона, чья статья о PV-листах была опубликована недавно в Nature Communications. Деревья и другие растения используют транспирацию для перемещения воды от корней к листьям, охлаждая себя и защищая такие важные функции, как фотосинтез. Согласно концепции исследователей, сложенные друг на друга гидрогелевые элементы и бамбуковые волокна пассивно направляют воду из резервуара для воды в солнечный элемент. Разветвленная конструкция волокон позволяет воде охлаждать всю клетку. Этот метод охлаждения снижает до 75% солнечного нагревательного эффекта, предотвращая потерю эффективности PV-листьев из-за повышения рабочей температуры. В результате PV-лист может собирать на 13,2% больше солнечного света, чем обычный солнечный элемент.
Концептуальный дизайн PV-листьев. Автор: Д-р Ган Хуанг
Но это еще не все. Концепция PV-листьев включает в себя новую возможность: «синергетическое» использование тепла для производства пресной воды и тепловой энергии. В тесте с использованием физиологического раствора процесс транспирации системы производил чистый пар, который можно было превратить в пресную воду. Процесс конденсации производит «низкопотенциальную» тепловую энергию, которую, по словам исследователей, можно использовать «для обогрева бытовых помещений или предварительного нагрева горячей воды для бытовых нужд». Исследователи полагают, что в случае коммерциализации система PV-листьев может быть настроена по желанию для производства электроэнергии, пресной воды или тепловой энергии.
Важно помнить, что PV-лист в настоящее время является только концепцией. Хотя технология, лежащая в основе системы, была протестирована в лаборатории (и на крыше здания), она еще не обладает идеальной конструкцией, о которой мечтают исследователи. Поэтому пройдет еще немало времени, прежде чем мы увидим солнечные панели в виде листьев на улицах городов.