Chlazení bioolejem sráží teplotu solárních panelů o 34 stupňů

Když se v letních měsících opře slunce do střech, teplota křemíkových článků běžně stoupá k 65 až 75 °C. Pro fyziku polovodičů jde o zásadní komplikaci. Se stoupající teplotou křemíku klesá napětí článku a s ním i celková produkce elektřiny. Na každý stupeň Celsia nad referenční teplotou 25 °C přicházejí běžné křemíkové panely přibližně o 0,3 až 0,4 procenta svého výkonu. Přebytečná sluneční energie, kterou článek nedokáže přeměnit na elektřinu, se mění v odpadní teplo.

Zatímco vývoj v materiálovém inženýrství posouvá samotné články kupředu — jak ukazuje například tandemové vrstvení křemíku s perovskity —, provozní přehřívání zůstává univerzální překážkou. Výzkumníci proto dlouhodobě hledají způsoby, jak solární články nejen chladit, ale odpadní teplo zároveň smysluplně využít. Odpovědí jsou takzvané hybridní fotovoltaicko-tepelné systémy (PVT), které v jednom celku generují elektřinu i teplou vodu.

Dvojitý štít: Rostlinný olej a hliníkový výparník

Nově představené řešení, o kterém informoval odborný magazín pv magazine, staví na souhře pasivního a aktivního chlazení. Přední stranu monokrystalického solárního modulu o výkonu 150 W (plocha 1,0064 m²) opatřili inženýři ochrannou nanovrstvou o tloušťce pouhých 100 nanometrů. Ta se skládá z 85 hmotnostních procent běžného lněného oleje a 15 procent nanočástic oxidu titaničitého (TiO₂).

Tento bio-povlak funguje jako pasivní tepelný filtr. Nanočástice oxidu titaničitého v kombinaci s polymerovanou strukturou lněného oleje odrážejí část nechtěného infračerveného záření, které panely pouze zahřívá, aniž by přispívalo k fotoelektrickému jevu. Povlak zároveň chrání povrch panelu před usazováním jemného prachu, což je v suchých a slunečných oblastech klíčový faktor degradace výkonu.

Druhou, aktivní část systému tvoří hliníková deska s integrovanými kanálky (roll-bond výparník) o rozměrech 1,30 m × 0,40 m připevněná přímo na zadní stranu fotovoltaického panelu. Tento výparník slouží jako chladicí těleso přímo napojené na kompresorový okruh tepelného čerpadla s elektrickým příkonem pouhých 120 W.

Jak funguje přímé odpařování

Klasické kapalinové PVT systémy prohánějí za panely vodu nebo nemrznoucí směs. V parném létě je však teplota chladicí kapaliny často příliš vysoká na to, aby dokázala panel efektivně zchladit pod 45 °C. Irácký koncept proto využívá přímé odpařování chladiva (DX-SAHPTR).

Chladivo vstupuje do výparníku za panelem skrze kapiláru o vnitřním průměru 0,787 mm. Přímo uvnitř kanálků za solárním článkem dochází k fázové přeměně — chladivo se za nízkého tlaku vaří a odpařuje. Během tohoto procesu absorbuje obrovské množství latentního tepla přímo z křemíkových článků. Kompresor následně stlačené plynné chladivo odvádí do vodou chlazeného kondenzátoru, kde se teplo odebrané ze střechy předává do zásobníku užitkové vody.

Experimentální testy potvrdily, že kombinace obou principů dokázala stlačit teplotu křemíkového panelu v provozu až o 34 °C oproti referenčnímu nechlazenému panelu. Tím se stabilizovala elektrická účinnost samotné fotovoltaiky a současně vznikl vydatný zdroj tepla pro domácnost.

Srovnání chladiv a celková bilance

Důležitou součástí studie bylo testování chování různých chladicích médií. Výzkumníci porovnávali tři látky s odlišnými termodynamickými vlastnostmi i ekologickou stopou:

• R134a: Běžné fluorované chladivo (HFC), které dosahuje vynikající stability a vysokého topného faktoru, avšak jeho nevýhodou je vysoký potenciál globálního oteplování (GWP).
• R600a (izobutan): Přírodní uhlovodíkové chladivo s minimálním dopadem na klima a velmi dobrým odpařovacím teplem, které však vyžaduje důsledné bezpečnostní zajištění kvůli hořlavosti.
• R1234yf: Moderní hydrofluorolefin (HFO) navržený jako ekologická náhrada za starší plyny, s nízkým GWP a velmi slušným výkonem v kondenzační části okruhu.

Při započtení vyrobené elektřiny i využitelného tepla ohřáté vody dosáhl celý systém maximální celkové účinnosti 77,32 %. Samotný odběr tepla z panelu navíc zvyšuje účinnost tepelného čerpadla (COP), protože výparník pracuje s vyšší teplotou než u klasických vzduchových čerpadel odebírajících energii z okolního venkovního vzduchu.

Systém tak ukazuje praktickou cestu pro stísněné střešní instalace, kde není prostor pro oddělené fotovoltaické elektrárny a termické kolektory. Pro komerční nasazení však zbývá dořešit dlouhodobou degradaci bio-povlaku vlivem atmosférických vlivů a optimalizaci výrobních nákladů hliníkových roll-bond výparníků.