Όσο και αν ακούγεται παράδοξο, ο ήλιος μπορεί να είναι υπερβολικός για τα ηλιακά πάνελ. Σύμφωνα με το Παγκόσμιο Οικονομικό Φόρουμ, σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες – όπως στη διάρκεια ενός καύσωνα – η απόδοση των ηλιακών πάνελ μειώνεται κατά 10 έως 25%.
Πρόκειται για ένα μακροχρόνιο πρόβλημα και μπορεί να εμποδίζει την μεγαλύτερη υιοθέτηση των ηλιακών πάνελ, τα οποία, το 1970 εμφανίστηκαν ως μια βιώσιμη πηγή ενέργειας για τους Αμερικανούς. Όσο οι παγκόσμιες απαιτήσεις ενέργειας, συνεχίζουν να αυξάνονται και ο κόσμος εγκαταλείπει τα ορυκτά καύσιμα, η αποδοτικότητα έχει γίνει κρίσιμος παράγοντας στην βιώσιμη παραγωγή ενέργειας. Κάτι που γίνεται όλο και πιο σημαντικό, καθώς οι καύσωνες, λόγω της κλιματικής αλλαγής, είναι όλο και πιο συχνοί.
Η λύση που βρήκαν οι επιστήμονες για τα ηλιακά πάνελ
Επιστήμονες στο Ηνωμένο Βασίλειο ενδέχεται να έχουν μια λύση που αξιοποιεί την περίσσεια θερμικής ενέργειας, μετατρέποντάς τη σε χημική ενέργεια, η οποία στη συνέχεια μπορεί να παρέχει την χαμένη ισχύ.
Κάθε παραδοσιακό φωτοβολταϊκό στοιχείο σε ένα σύστημα ηλιακών πάνελ διαθέτει ένα στρώμα ημιαγωγού πυριτίου, ειδικά σχεδιασμένο να απορροφά τα φωτόνια του ήλιου, ή τα σωματίδια φωτός, και να τα μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα φωτόνια μεταφέρουν την ενέργειά τους στα ηλεκτρόνια του ημιαγώγιμου υλικού, προκαλώντας την κίνησή τους. Αυτή η κίνηση δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα στο κύτταρο.
Τέτοια ηλιακά πάνελ λειτουργούν συνήθως σε θερμοκρασίες μεταξύ 15.56 και 35 βαθμών Κελσίου, αλλά μπορούν να απορροφήσουν υπερβολική θερμότητα, λόγω των ανώτερων ιδιοτήτων τους στην απορρόφηση ηλιακής ακτινοβολίας. Τα πάνελ μπορούν να φτάσουν μέχρι και τους 65.56 βαθμούς Κελσίου, ακόμα κι αν η εξωτερική θερμοκρασία είναι μόλις 29.44 βαθμοί. Τότε τα ηλεκτρόνια μέσα στο κύκλωμα κάθε φωτοβολταϊκού στοιχείου αρχίζουν να κινούνται ανεξέλεγκτα. Ως αποτέλεσμα αυτής της αστάθειας, η τάση πέφτει, μειώνοντας την απόδοση του πάνελ.
Μετατρέποντας ή αποθηκεύοντας τον ηλεκτρισμό
Η νέα έρευνα υπερβαίνει τα φωτοβολταϊκά και βασίζεται αντίθετα σε φωτοηλεκτροχημική κυψέλη (PEC) με βάση το πυρίτιο. Συγκεκριμένα, αυτά συνδυάζονται με ένα σύστημα αποθήκευσης, του οποίου η απόδοση αυξάνεται πραγματικά με τη θερμοκρασία. Το θετικό αυτό αποτέλεσμα περιγράφεται στο τεύχος Αυγούστου του The Journal of Chemical Physics.
Το σύστημα είναι παρόμοιο με την παραδοσιακή τεχνολογία ηλιακών πάνελ, αλλά έχει μια σημαντική διαφορά: μια χημική αντίδραση λαμβάνει χώρα στην επιφάνεια της κυψέλης, οδηγώντας τη μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας, δήλωσε ένας από τους συγγραφείς της μελέτης, ο Δρ. Dowon Bae από το Πανεπιστήμιο του Loughborough. «Ανάλογα με τον τύπο των χημικών στον ηλεκτρολύτη [που αποθηκεύει και μεταφέρει ηλεκτρικό φορτίο], μπορούμε να μετατρέψουμε την ηλεκτρική ενέργεια σε άλλα χημικά ή να την αποθηκεύσουμε υπό μορφή χημικής ενέργειας στον ηλεκτρολύτη», είπε.
Η φωτοηλεκτροχημική κυψέλη(PEC) λειτουργεί κυρίως μέσω μιας διαδικασίας δύο βημάτων. Αρχικά, η απορρόφηση φωτός από τη φωτοσυσκευή παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Στη συνέχεια, αυτή η ενέργεια τροφοδοτεί μια χημική αντίδραση που λαμβάνει χώρα σε μια διεπαφή μεταξύ της κυψέλης PEC και του ηλεκτρολύτη. «Αυτό που ανακαλύψαμε πειραματικά στην πρόσφατη εργασία μας είναι ότι μια συγκεκριμένη ποσότητα θερμότητας μπορεί να ενισχύσει τη χημική αντίδραση μετατροπής, αντισταθμίζοντας τη μείωση της τάσης», δήλωσε ο Bae.«Με απλά λόγια, υπάρχει ένα εύρος θερμοκρασίας στο οποίο η θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά χωρίς υπερθέρμανση.»
Η ιδανική θερμοκρασία για αυτήν την αυξημένη μετατροπή ενέργειας είναι περίπου στους 45 βαθμούς Κελσίου. Πέρα από αυτό το σημείο, η αύξηση της θερμοκρασίας μειώνει επίσης την αποτελεσματικότητα των PECs. Αν και αυτό το όριο μπορεί να αλλάξει ανάλογα με τα υλικά που χρησιμοποιούνται, ο Bae εξηγεί ότι καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, προσκολλάται περισσότερο υλικό στην επιφάνεια των κυψελών, και σε κάποιο σημείο γίνεται υπερβολικό.
Αν και οι κυψέλες PEC υπόσχονται να απορροφούν περισσότερο ηλιακό φως σε σχέση με την παραδοσιακή τεχνολογία ηλιακών πάνελ, πρέπει να αντιμετωπίσουν και τη δική τους «αχίλλειο πτέρνα»: απαιτούν αυτό που ο Bae ονομάζει «προκαταβολικό κόστος» για να ξεκινήσει η απαραίτητη χημική αντίδραση. Αυτή η «υπερβολική ισχύς» μειώνει τη συνολική απόδοση των κυψελών. Επιπλέον, οι κυψέλες είναι ιδιαίτερα ευάλωτες στη διάβρωση σε σύγκριση με τα συνηθισμένα ηλιακά πάνελ.
Οι περιορισμοί στην τεχνολογία των PEC
Έτσι, προς το παρόν, οι κυψέλες PEC δεν είναι ακόμη τόσο ανθεκτικές όσο θα έπρεπε. Αν και αυτοί οι περιορισμοί έχουν εμποδίσει τη διάδοση της τεχνολογίας σε ευρεία κλίμακα, ορισμένες βιομηχανίες τις χρησιμοποιούν για άλλες εφαρμογές, ιδιαίτερα στην παραγωγή πράσινου υδρογόνου ή στην δέσμευση άνθρακα.
Τα παραδοσιακά φωτοβολταϊκά μπορεί να παραμείνουν ο βασικός κινητήρας της πράσινης επανάστασης στην ενέργεια, αλλά ο Bae παραμένει πεπεισμένος ότι οι κυψέλες PEC προσφέρουν πολυάριθμα οφέλη. Μπορούν να είναι αρκετά ωφέλιμες σε περιπτώσεις που απαιτείται ανεξαρτησία από το κύριο ηλεκτρικό δίκτυο, καθώς είναι εξαιρετικά ικανές στην αποθήκευση ενέργειας. Είναι επίσης πιο απλές στη λειτουργία τους, αφού δεν χρειάζονται καλωδιώσεις ή άλλες παραδοσιακές ηλεκτρικές συνδέσεις. Στην πραγματικότητα, κάποιοι ερευνητές αναφέρονται στην κυψέλη PEC “τεχνητό φύλλο”.
Ο Bae είναι πολύ επιφυλακτικός ως προς τη χρήση της τεχνολογίας PEC για παραγωγή υδρογόνου ή μείωση του διοξειδίου του άνθρακα, λόγω των σημερινών προβλημάτων απόδοσης και διάβρωσης. Ωστόσο, σημειώνει ότι οι μπαταρίες redox, οι οποίες βασίζονται σε μια χημική αντίδραση οξείδωσης-αναγωγής (redox) για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, θα μπορούσαν να είναι μια καλύτερη επιλογή για τις κυψέλες PEC.
«Σε αντίθεση με άλλες χημικές διαδικασίες μετατροπής, οι μπαταρίες redox απαιτούν χαμηλό υπερδυναμικό και δεν χρειάζονται διαδικασίες φιλτραρίσματος αερίων ή προϊόντων», εξηγεί. «Αυτές οι δημιουργικές λύσεις θα είναι απαραίτητες σύντομα στο μέλλον», σημειώνει.
Αυτός ο τύπος δημιουργικών λύσεων θα γίνει αναγκαίος στο άμεσο μέλλον, προσθέτει. Το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας από φωτοβολταϊκά έχει μειωθεί κατά 85% από το 2010, και η δυνατότητα των ηλιακών πάνελ να απορροφούν περισσότερη ηλιακή ενέργεια θα μπορούσε να μειώσει περαιτέρω το κόστος, καθιστώντας την τεχνολογία ηλιακών πάνελ πιο ελκυστική σε παγκόσμιο επίπεδο.
Αν και οι μηχανικοί ηλιακής ενέργειας αντιμετώπιζαν τη θερμότητα ως εχθρό που πρέπει να παρακάμπτεται για δεκαετίες, αυτή η νέα έρευνα δείχνει, κατά τρόπο ειρωνικό, ότι ακόμη και οι καύσωνες θα μπορούσαν να τροφοδοτήσουν την επανάσταση της πράσινης ενέργειας.