인공잎 냉각으로 수명 연장, PV 패널 효율성… - 베이징시뮬레이션케인유한회사

PV 리프는 효율성과 수명을 높이기 위해 펌프 없이 태양광 패널을 냉각시키기 위해 물을 운반하며 담수를 생산하는 데에도 사용할 수 있습니다.

열은 PV 패널의 적입니다. 햇빛이 많고 온도가 따뜻해지면 패널이 더 많이 가열됩니다. 따라서 가장 일반적인 Si 기반 PV 패널의 효율은 일반적으로 작동 온도가 10°C 증가할 때마다 4.0~6.5% 감소하고 노화 속도는 두 배로 늘어납니다.

Imperial에서 개발한 시스템은 대나무 섬유와 하이드로겔의 조합을 사용하여 펌핑할 필요 없이 PV 패널 뒷면을 따라 물을 운반합니다. 셀이 뜨거워질수록 나무가 스스로 냉각되는 것과 같은 방식으로 더 많은 액체가 냉각 시스템을 통해 끌어당겨집니다.

PV 리프의 증산 성능은 PV 셀 열의 75%인 590W/m2를 제거할 수 있는 것으로 실험적으로 입증되었으며, 이는 독립형 PV 셀에 비해 PV 셀의 작동 온도를 ~26°C까지 크게 낮춥니다.

PV 리프는 다양한 주변 온도에 적응하는 수동 제어 기능을 갖고 있으며 해수와 같은 다양한 작동 유체를 사용할 수도 있는 것으로 나타났습니다. 실험 결과에 따르면 냉각으로 인해 개방 회로 전압이 0.58V에서 0.63V로 향상되고 전기 효율이 13.2%에서 15.0%로 13.6% 증가한 것으로 나타났습니다.

태양광전지 뒷면에는 1mm 두께의 생체모방증산층(BT)을 부착해 태양전지에서 발생하는 열을 제거한다. 약 30개의 대나무 섬유다발 가지가 폴리아크릴산칼륨(PAAK) 초흡수성 폴리머(SAP) 하이드로겔 셀에 균일하게 내장되어 BT 층으로 덮인 전체 영역에 물을 분산시킵니다.

섬유 다발은 세포 표면에 액체 물을 운반하고 분배하는 혈관 다발을 모방한 반면, 비표면적이 크고 물 흡수 성능이 뛰어난 하이드로겔 셀은 효과적인 증발을 제공하는 해면 세포를 모방하는 데 사용됩니다.

PV 리프의 증산 성능은 바람이 없는 1000 W/m2 조도의 태양광 시뮬레이터에서 테스트한 후 동일한 재료의 독립형 PV 셀과 비교되었습니다. 독립형 PV 셀도 0.7mm 두께의 고투과율 유리층으로 덮여 보호되었지만 셀 뒷면에는 단열재나 백 시트가 없었고 자연 공기 대류에 의해 냉각되었습니다. 실험실의 주변 온도와 상대습도는 각각 33.5°C와 10%였습니다.

테스트 동안 독립형 PV 셀은 68.8°C의 온도에 도달한 반면, 생체 모방 증산 냉각 기능을 갖춘 PV 리프는 43.2°C의 온도에 도달했습니다.

바람의 영향을 조사하기 위해 3D 모델을 개발하고 실험 결과와 비교하여 검증했습니다. 이는 풍속이 1.5m/s보다 높을 때 PV 리프 온도가 주변 온도보다 낮을 수 있음을 보여줍니다. 상대 습도가 10%에서 100%로 증가함에 따라 온도 감소는 ~26°C에서 0°C까지 거의 선형입니다.

이번 연구의 공동저자이자 화학공학과 명예연구원인 Gan Huang 박사는 “이 혁신적인 디자인은 태양광 패널의 성능을 크게 향상시키는 동시에 비용 효율성과 실용성을 보장할 수 있는 엄청난 잠재력을 가지고 있습니다.”라고 말했습니다.

청정 에너지 프로세스 연구소 소장이자 연구 저자인 Christos Markides 교수는 이렇게 말했습니다. “이 혁신적인 나뭇잎 모양 디자인을 구현하면 글로벌 에너지 전환을 촉진하는 동시에 에너지와 담수 증가의 필요성이라는 두 가지 시급한 글로벌 과제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. ”