Mendobrak Penghalang Panas: Hidrogel-Kertas Berlapis Menawarkan Terobosan Pendinginan Pasif-Berbiaya Rendah untuk Modul PV

Efisiensi modul fotovoltaik (PV) secara intrinsik terkait dengan suhu pengoperasian. Untuk setiap derajat Celcius di atas kondisi pengujian standar (25 derajat ), panel surya silikon kristal biasanya kehilangan efisiensinya sebesar 0,4–0,5%. Di wilayah tropis dan subtropis, di mana radiasi matahari melimpah, suhu permukaan panel dapat melebihi 60–70 derajat celcius, yang menyebabkan hilangnya hasil energi dalam jumlah besar. Meskipun ada sistem pendingin aktif (seperti pompa air dan kipas angin), hal ini menambah konsumsi energi parasit, biaya pemeliharaan, dan kompleksitas sistem. Teknik pendinginan pasif, termasuk pendinginan radiasi dan evaporatif, telah menunjukkan hasil yang menjanjikan, namun seringkali membutuhkan bahan yang mahal atau mengalami degradasi yang cepat.

Namun, terobosan baru-baru ini dari tim peneliti Vietnam mungkin telah mengubah manfaat pendinginan PV pasif. Dengan menggabungkan substrat kertas berlapis hidrogel-dengan aliran air yang lambat dan penguapan antar muka, mereka telah mengembangkan sistem yang tidak hanya sangat efektif – menurunkan suhu pengoperasian hingga 14 derajat dan meningkatkan efisiensi sebanyak 16,8% – namun juga sangat murah-dan kompatibel dengan air tawar dan air laut alami.

Inovasi tersebut melibatkan penggunaan teknik desain yang elegan dan sederhana. Tim peneliti merangkum selembar kertas tipis berpori dengan lapisan hidrogel yang terbuat dari jaringan polimer hidrofilik; Oleh karena itu, ia mempunyai kapasitas yang sangat besar untuk menyerap dan menahan air dalam jumlah besar. Setelah kertas terbungkus, kertas tersebut akan dilaminasi ke bagian belakang panel PV; dengan cara ini, tetesan air secara perlahan dapat terus menerus masuk baik dari umpan gravitasi atau reservoir kecil yang terletak di bagian belakang panel surya pasif.

Hidrogel memiliki dua fungsi utama. Yang pertama, untuk mempertahankan kelembapan pada kertas berpori lama setelah penyerapan air oleh kertas terjadi, dan untuk terus mempertahankan kelembapan selama paparan sinar matahari langsung dan suhu tinggi dalam waktu lama. Yang kedua adalah mendorong penguapan antar muka (penguapan Air yang terjadi pada antarmuka antara hidrogel dan udara di sekitarnya, bukan penguapan Air dari permukaan cairan curah). Kombinasi hidrogel yang menyerap air sekaligus memungkinkan penguapan antar muka menghasilkan efek pendinginan yang lebih besar per unit Air yang dikonsumsi serta jauh lebih hemat energi dibandingkan penguapan massal. Saat Air menguap; ini akan menarik panas laten langsung dari panel PV, sehingga mengurangi suhu pengoperasian panel PV. Kertas berpori yang telah dilaminasi di bagian belakang panel PV memiliki luas permukaan yang tinggi untuk penguapan maksimum, sekaligus menjaga biaya material aplikasi Hidrogel relatif rendah.

Tim Vietnam melakukan pengujian luar ruangan secara menyeluruh; selama pengujian ini, panel berlapis hidrogel ditemukan dapat mendinginkan panel sebesar 14 derajat Celcius bila dibandingkan dengan panel tidak dilapisi (tidak didinginkan). Ini berarti bahwa selama puncak sinar matahari ketika kehilangan panas paling tinggi, panel yang didinginkan meningkatkan efisiensi relatif sebanyak 16,8% dibandingkan panel yang tidak dilapisi.

Menggunakan contoh ini: Bayangkan sebuah panel standar yang menghasilkan keluaran terukur pada suhu pengoperasian 65 derajat Celcius (400 watt) hanya akan menghasilkan keluaran sekitar 320 watt karena kehilangan panas. Dengan sistem pendingin tanpa kehilangan panas, panel yang sama akan menghasilkan output hampir 374 watt. Oleh karena itu, jumlah daya yang dihasilkan oleh panel yang menggunakan sistem pendingin ini memberikan peningkatan yang signifikan dalam jumlah energi yang tersedia untuk digunakan pada sistem atap utilitas atau komersial, sehingga sangat mengurangi levelized cost of electrical (LCOE).

Salah satu aspek paling luar biasa dari inovasi ini adalah kemampuannya untuk beroperasi di air tawar dan air laut alami. Di banyak lokasi pesisir atau pulau, air tawar langka atau mahal, sehingga pendinginan evaporatif konvensional menjadi tidak praktis. Namun, kertas yang dilapisi hidrogel-menunjukkan kinerja yang stabil bahkan ketika disuplai dengan air laut yang tidak diolah. Matriks hidrogel tampaknya tahan terhadap kristalisasi dan pengotoran garam – masalah umum yang sering terjadi pada pendingin evaporatif konvensional – dengan membiarkan ion garam berdifusi kembali ke dalam aliran air besar daripada terakumulasi di permukaan evaporatif. Kemampuan ini membuka peluang pendinginan PV untuk instalasi lepas pantai, pembangkit listrik tenaga surya terapung, dan wilayah pesisir kering yang hanya tersedia air asin.

Pendinginan aktif tradisional (sirkulasi udara atau air paksa) dapat mengurangi suhu PV sebesar 10–20 derajat namun menghabiskan 1–3% output sistem, memerlukan pompa, pipa, dan perawatan rutin. Film pendingin radiasi pasif, meskipun menjanjikan, sering kali bergantung pada struktur fotonik yang kompleks atau polimer yang mahal dan mungkin kehilangan efektivitasnya dalam kondisi lembab atau berawan. Sebaliknya, sistem kertas-hidrogel hampir seluruhnya bersifat pasif kecuali pasokan air yang minimal (yang dapat digerakkan-gravitasi). Bahannya – kertas dan hidrogel – jauh lebih murah dibandingkan film pendingin khusus. Selain itu, sistem ini dapat dipasang ke modul yang sudah ada dengan biaya yang sangat rendah.

Tidak ada teknologi yang tanpa keterbatasan. Kertas berlapis hidrogel-membutuhkan pasokan air yang konstan, meskipun lambat (misalnya, beberapa liter per meter persegi per hari). Di bagian dalam-yang kekurangan air-jaringan listrik, hal ini masih dapat menjadi tantangan logistik, meskipun air hujan atau kondensat dapat digunakan. Daya tahan-jangka panjang adalah faktor lainnya: kertas harus tahan terhadap degradasi sinar ultraviolet, dan hidrogel harus mempertahankan siklus penyusutan-pengembangannya selama ribuan siklus termal. Tim Vietnam telah melaporkan stabilitas yang menjanjikan selama periode pengujian awal, namun data lapangan{11}}tahunan akan sangat penting.

Namun demikian, potensi penerapannya sangat besar. Pertanian agrivoltaik (yang airnya sudah digunakan untuk irigasi tanaman) dapat mengintegrasikan pendinginan PV dengan tambahan air yang minimal. Sistem atap di kota-kota tropis yang lembab – dimana pendinginan evaporatif tetap efektif – dapat memperoleh peningkatan kinerja secara instan. Dan tenaga surya terapung lepas pantai, yang seringkali dibatasi oleh suhu modul yang tinggi dan ketersediaan air laut, tampaknya merupakan kombinasi yang sempurna.

Pengembangan sistem pendingin pasif kertas berlapis hidrogel oleh para peneliti Vietnam mewakili langkah maju yang signifikan dalam pengelolaan termal PV berbiaya rendah. Dengan memberikan penurunan suhu sebesar 14 derajat dan peningkatan efisiensi hampir 17% hanya dengan menggunakan kertas, hidrogel, dan sedikit air – segar atau asin – inovasi ini menantang asumsi bahwa pendinginan yang efektif harus mahal atau boros energi. Ketika dunia mendorong penetrasi matahari yang lebih tinggi di wilayah yang panas dan lembab, solusi biomimetik yang sederhana seperti itu akan sangat diperlukan. Langkah selanjutnya mencakup pembuatan percontohan,-pengujian keandalan jangka panjang, dan integrasi dengan sistem-pemanenan air. Jika kendala tersebut dapat diatasi, kertas-berlapis hidrogel akan segera menjadi aksesori standar pada-panel surya generasi berikutnya.