KTU mokslininkai ieško būdų, kaip ne tik pagerinti saulės elementų veikimo efektyvumą, bet ir kaip sumažinti jų priežiūros kaštus bei užtikrinti, kad elementai tarnautų kaip įmanoma ilgiau. Jie kuria dangą, kurioje panaudojamas superhidrofobinis – vandens riedėjimą sukeliantis – efektas.
Saulės elementų populiarumas tiek tarp verslininkų, tiek tarp privačių gyventojų vis dar didėja – tai greičiausiai auganti atsinaujinančių energijos šaltinių šaka. Tačiau jau eksploatuojamų saulės elementų efektyvumas laikui bėgant dėl įvairių išorės veiksnių paprastai mažėja: tyrimai rodo, kad šie elementai praranda apie 0,5–1 proc. efektyvumo per metus.
Saules baterijos padengtos KTU mokslininkų sukurta danga ant KTU Elektros ir elektronikos fakulteto stogo. KTU nuotr.
Kauno technologijos universiteto (KTU) mokslininkai ieško būdų, kaip ne tik pagerinti saulės elementų veikimo efektyvumą, bet ir kaip sumažinti jų priežiūros kaštus bei užtikrinti, kad elementai tarnautų kaip įmanoma ilgiau. Jie kuria dangą, kurioje panaudojamas superhidrofobinis – vandens riedėjimą sukeliantis – efektas.
„Mūsų duomenimis, rinkoje vis dar nėra tokių dangų. Dauguma jų tiesiog chemiškai mažina paviršiaus sušlapinimą, bet nesukelia riedėjimo, todėl danga negali taip efektyviai savaime nusivalyti“, – teigia KTU Medžiagų mokslo instituto vyriausiasis mokslo darbuotojas, Technologinių ir fizinių mokslų ekscelencijos centro (TiFEC) mokslininkas dr. Simas Račkauskas.
Mažina nešvarumus ir sugeria daugiau šviesos
Mokslininkas pasakoja, kad daugelis rinkoje esančių sprendimų, kurie gerintų saulės elementų veikimą, orientuoti į vieną funkciją, pavyzdžiui, vien tik hidrofobiškumą arba vien tik antirefleksines savybes.
„KTU mokslininkų kuriama technologija sujungia šiuos dalykus – ji vienu metu yra ir antirefleksinė, ir superhidrofobiška. Cinko oksido pagrindu sukurtos nanodalelės padeda sumažinti atspindį, o paviršiaus struktūra ir cheminė sudėtis leidžia vandeniui lengvai riedėti bei surinkti dulkes nuo modulio“, – sako S. Račkauskas.
Superhidrofobinis paviršius – tai paviršius, kuris vandenį atstumia taip stipriai, kad vandens lašas paviršiaus praktiškai nebesušlapina, o susiformuoja į „rutuliuką“ ir lengvai nurieda, vietoj to, kad nuslystų paviršiumi. Tai sumažina dulkių, žiedadulkių ir kitų nešvarumų kaupimąsi, nes lietaus vanduo riedėdamas paviršiumi lengvai nusineša dulkes nuo paviršiaus, dulkės neprilimpa, kaip būtų vandens slydimo atveju.
KTU mokslininkas Simas Račkauskas. KTU nuotr.
„Tai dar vadinama „lotoso efektu“: gamtoje tą patį matome ant lotoso, kitų augalų, kurių lapai nusivalo nuo dulkių – lietaus lašai riedėdami lapu surenka dulkes“, – teigia mokslininkas.
Tuo tarpu antirefleksinės savybės, pasak S. Račkausko, leidžia į modulį patekti daugiau saulės šviesos, nes mažinamas atspindys nuo stiklo paviršiaus. „Laboratoriniais tyrimais paremtame straipsnyje, išspausdintame prestižiniame žurnale „Solar RRL“, pademonstravome, kad vien jau pati danga gali padidinti komercinio saulės elemento efektyvumą virš 1 procento. Be to, danga taip pat sugeria UV spinduliuotę – tai padidina saulės panelės atsparumą ir padeda jai tarnauti ilgiau“, – sako mokslininkas.
Gali užtikrinti maksimalų efektyvumą nuolat
Superhidrofobinio paviršiaus naudojimas saulės elementuose gali sumažinti ir jų priežiūros kaštus. Purvas sunkiau prikimba, lietus savaime nuplauna nešvarumus, todėl modulių valyti nereikia.
„Toks sprendimas mažina vandens ir valymo chemijos sąnaudas, taip pat darbo laiką, ypač dideliuose saulės parkuose, kuriuose kiekvienas valymo ciklas kainuoja nemažus pinigus“, – pastebi S. Račkauskas.
Pasak jo, realiomis lauko sąlygomis saulės panelės efektyvumas gali sumažėti 15 procentų per mėnesį, o kai kada ir daugiau (didmiesčiuose ar prie ariamų laukų), tad toks efektyvumo sumažėjimas išlieka iki artimiausio plovimo. „Naudojant mūsų dangą galima išvengti tokių saulės panelių efektyvumo svyravimų – jos visada veiks maksimaliu efektyvumu“, – sako mokslininkas.
S. Račkauskas ir saulės baterijos ant KTU EEF stogo. KTU nuotr.
Ilguoju laikotarpiu tai reiškia, kad moduliai rečiau būna užteršti, todėl per metus gali pagaminti daugiau elektros energijos iš to paties ploto.
„Konkreti nauda priklauso nuo klimato, dulkių kiekio ir priežiūros dažnio, tačiau tokio tipo dangos paprastai leidžia tikėtis kelių papildomų procentų pagamintos energijos, o dulkėtose vietose efektas gali būti dar didesnis“, – teigia S. Račkauskas.
Laukia tarptautinio patento patvirtinimo
KTU mokslininkų kuriama danga saulės paneles galima padengti ne tik gamykloje, bet ir užpurškiant ją ant jau veikiančių modulių, pavyzdžiui, saulės parke.
„Jau dabar galime padengti saulės elementus šia medžiaga tiems, kurie to pageidauja, nors pats produktas dar nėra masiškai taikomas ir vis dar ieškome geriausio pritaikymo modelio. Toliau vystome padengimo technologiją, siekiant padengti efektyviai didesnius saulės modulių plotus“, – tikina mokslininkas.
Šiai sukurtai technologijai mokslininkai jau yra pateikę tarptautinę patento paraišką. „Pats faktas, kad einame tarptautinio patento keliu, rodo, jog technologiją matome kaip turinčią potencialo ne tik Lietuvoje, bet ir užsienyje. Verslo susidomėjimą jau jaučiame, ypač iš saulės elektrinių gamintojų Lietuvoje, su kuriais kalbamės dėl bandomųjų dangos pritaikymo projektų ir ilgalaikio bendradarbiavimo galimybių, atliekame ir bandymus“, – teigia S. Račkauskas.
Galima periodiškai atnaujinti
Vystydami šį sprendimą mokslininkai nuo pat pradžių nusistatė, kad danga turi tarnauti 1–3 metus, idealiu atveju – 5 metus, be didelių efektyvumo pokyčių.
„Laboratorinėmis sąlygomis bandomi paviršiai tarnauja ganėtinai ilgai – dar dabar turime pirmus bandinius, kurie vis dar veikia. Tikėtina, kad natūraliomis sąlygomis danga tarnaus bent kelerius metus, tačiau tikslų laiką parodys ilgalaikiai lauko bandymai ant realių saulės modulių“, – sako S. Račkauskas.
KTU mokslininkų kuriamos dangos privalumas tas, kad dangą galima atnaujinti pakartotiniu užpurškimu ant to paties stiklo paviršiaus, be poreikio keisti patį modulį.
„Visų superhidrofobinių paviršių silpnoji vieta – mechaninis poveikis, todėl vos pradėjus mažėti efektyvumui, danga gali būti atnaujinama. Mechaninio valymo ši danga nereikalauja – valymas sugadintų dangos veikimą. Būtent tai ir yra komercinė dangos nauda, nes ją galima periodiškai atnaujinti ir užpurkšti ant jau eksploatuojamų saulės elementų ir išvengti dažnesnių valymų“, – tikina S. Račkauskas.
Iš pradžių atrodė nepavykęs mokslinis darbas
Idėja apie superhidrofobinę dangą S. Račkauskui kilo podoktorantūros stažuočių metu. Dirbant su nanodalelėmis jis pastebėjo įdomų dalyką: bandant prijungti tam tikrus organinius junginius jam tai sekėsi labai sunkiai.
„Iš pirmo žvilgsnio tai atrodė kaip nepavykęs mokslinis darbas, nes tikiesi, kad funkcionalizavimas vyks sklandžiai. Tačiau mane sudomino, kodėl taip vyksta, todėl pradėjau gilintis į šio reiškinio priežastis. Taip pamažu išryškėjo, kad paviršius turi stiprų atstumiantį poveikį, o kartu ir superhidrofobinių savybių, kurias galima panaudoti praktikoje“, – teigia mokslininkas.
Saulės elementai pasirodė labai tinkama niša ne tik dėl superhidrofobinių savybių, mažinančių užterštumą, bet ir dėl šių nanodalelių optinių savybių, leidžiančių valdyti šviesos sklidimą ir atspindį nuo stiklo paviršiaus.
„Taip susijungė mokslinis smalsumas, iš pradžių atrodęs kaip „blogas rezultatas“, su labai konkrečiu pritaikymu saulės energetikoje“, – prisimena S. Račkauskas.
Dangos pritaikomumas – platus
Superhidrofobiniai ir antirefleksiniai paviršiai yra gana universalūs, todėl juos būtų galima panaudoti ne tik saulės elementuose, bet ir ant pastatų stiklo fasadų ir langų, kur aktualus mažesnis užterštumas ir retesnis valymas.
„Potencialo matome ir ant saulės kolektorių, šiluminių sistemų, įvairių jutiklių bei išorėje veikiančių elektronikos įrenginių, kurie nuolat veikiami aplinkos sąlygų ir dulkių. Tam tikrais atvejais tokios dangos gali padėti ir ant automobilių stiklų ar kitose srityse, kur svarbus skaidrumas ir mažesnis purvo prilipimas“, – tikina S. Račkauskas.
Šiuo metu projekto TiFEC rėmuose mokslininkai ieško minėtų sprendimų bei galimų pritaikymo krypčių, vertina, kur ši technologija duotų didžiausią pridėtinę vertę tiek techniniu, tiek ekonominiu požiūriu.
„Žinoma, kiekvienai sričiai dangos sudėtį reikėtų pritaikyti, tačiau pagrindinis principas išliktų tas pats“, – sako mokslininkas.
Toliau atlieka bandymus
Artimiausiu metu TiFEC dirbantys mokslininkai daugiausia dėmesio planuoja skirti gilesniam pačios dangos savybių supratimui ir kiekybiniam įvertinimui.
„Mums svarbu ne tik parodyti, kad superhidrofobinis ir antirefleksinis paviršius veikia, bet ir labai aiškiai išmatuoti, kaip keičiasi šviesos pralaidumas, atspindys, užterštumo dinamika, kokia yra ilgalaikė dangos elgsena skirtingomis sąlygomis. Tai reiškia ilgalaikius laboratorinius bandymus, papildomą optinių ir paviršiaus savybių charakterizavimą bei modeliavimo darbus“, – teigia S. Račkauskas.
Kita kryptis – nanodalelių ir dangos sistemos optimizavimas, ieškant ryšio tarp nanodalelių struktūros, cheminės sudėties ir paviršiaus funkcinių savybių.
„Siekiame šiuos fundamentinius tyrimus sujungti su praktinio pritaikymo paieškomis, bendradarbiaujant su skirtingų sričių specialistais ir vertinant, kaip mūsų kuriamos dangos veikia realiomis eksploatavimo sąlygomis.
Tokiu būdu tikimės ne tik toliau vystyti konkrečią dangą saulės elementams, bet ir prisidėti prie platesnio funkcinių nanomedžiagų taikymo supratimo ir jų integracijos į pramoninius sprendimus“, – tikina TiFEC dirbantis mokslininkas S. Račkauskas.
