Сонячна енергія має один прикрий недолік. Вона зникає, коли сонце перестає світити. Аби вирішити цю проблему вчені створюють системи, які накопичують сонячну енергію у вигляді тепла. Проте зробити це ефективно виявилося непростим завданням.
Про нове цікаве вирішення задачі пише Interesting Engineering
Традиційний підхід ґрунтується на багатошаровому з'єднанні різних матеріалів — один для поглинання сонячного світла, інший для накопичення тепла, а третій для захисту системи. Вчені запропонували новий варіант. Замість того, щоб збирати безліч окремих частин, вони перетворили деревину на універсальну систему сонячної енергії.
Як змінили деревину
- Дослідники почали з бальсової деревини, не через її міцність, а через її внутрішні структури. Під мікроскопом бальса виглядає як пучок вирівняних мікротрубок, кожна завширшки близько 20-50 мікрометрів. Ці канали можуть спрямовувати тепло та утримувати матеріали, утворюючи природний каркас.
- Однак необроблена деревина відбиває сонячне світло та вбирає воду. Тому дослідники спочатку видалили з деревини лігнін - компонент, що надає їй кольору та жорсткості. Цей етап делігніфікації підвищив пористість до більш ніж 93 відсотків, оголивши щільну мережу реактивних поверхонь усередині каналів.
- Стінки каналів покрили надтонкими листами чорного фосфорену — матеріалу, який поглинає сонячне світло в ультрафіолетовому, видимому та інфрачервоному діапазонах та перетворює його на тепло. На відміну від вуглецю, фосфорен також має вогнестійкі властивості, але у нього є недолік. Він швидко розкладається на повітрі.
- Для вирішення цієї проблеми дослідники покрили кожен нанолист захисним шаром, виготовленим із дубильної кислоти та іонів заліза. Ця метало-поліфенольна сітка діє як молекулярний щит, запобігаючи окисленню та одночасно покращуючи поглинання світла за рахунок ефектів перенесення заряду. Навіть після 150 днів дії сонячного світла покритий матеріал залишався стабільним.
- Потім команда додала наночастинки срібла, які посилюють поглинання світла за рахунок плазмонних ефектів – по суті посилюючи взаємодію матеріалу із сонячним світлом. Нарешті, вони прищепили до поверхні довгі вуглеводневі ланцюги, зробивши її надзвичайно водовідштовхувальною. Готова структура мала кут змочування 153 °, що означає, що вода просто скочується з поверхні.
- Підготувавши каркас, вони заповнили канали стеариновою кислотою - матеріалом, що біорозкладається, з фазовим переходом. При нагріванні ця речовина плавиться та накопичує енергію; при охолодженні воно твердне і вивільняє цю енергію.
Що продемонстрував новий матеріал
Ця стабільність безпосередньо позначилася високою продуктивністю. Вона акумулювала близько 175 кДж тепла на кілограм, перетворювала 91,27 відсотка сонячного світла, що надходить, у корисне тепло, проводила тепло майже в 3,9 раза ефективніше вздовж природних волокон деревини і, у поєднанні з термоелектричним генератором, виробляла до 0.
«Як підтвердження концепції продемонстровано стабільне перетворення сонячної енергії на теплову та електричну з вихідною напругою до 0,65 В при опроміненні сонячною радіацією», — зазначають автори дослідження.
Коли сонячне світло потрапляє на матеріал, воно нагрівається і плавить впроваджену кислоту стеаринову. Після припинення дії світла накопичене тепло поступово вивільняється, підтримуючи різницю температур на термоелектричному генераторі. Це дозволяє системі продовжувати виробляти електроенергію навіть після того, як джерело світла згасне.
Крім того, матеріал виявився довговічним. Після 100 циклів нагрівання-охолодження його характеристики мало змінилися. Він протистояв загорянню, самозагасаючи протягом двох хвилин, а його антимікробна поверхня запобігала зростанню бактерій, які могли б погіршити його характеристики при використанні на відкритому повітрі.
Однак це лише перший крок. Дослідникам необхідно переконатися, що їхня система може працювати у великих масштабах, забезпечуючи при цьому бажаний рівень вироблення енергії.
Метки: сонячна енергія