熱障壁の突破: ヒドロゲル-コート紙は、PV モジュールに低コストの受動的冷却の画期的な進歩をもたらします-

太陽光発電 (PV) モジュールの効率は、本質的に動作温度に関連しています。標準テスト条件 (25 度) を超えるごとに、結晶シリコン ソーラー パネルは通常、効率の 0.4 ～ 0.5% を失います。太陽放射量が豊富な熱帯および亜熱帯地域では、パネルの表面温度が簡単に 60 ～ 70 度を超える可能性があり、大幅なエネルギー収量の損失につながります。アクティブ冷却システム (ウォーター ポンプやファンなど) は存在しますが、寄生エネルギー消費、メンテナンス コスト、システムの複雑さが増加します。放射冷却や蒸発冷却などの受動的冷却技術は有望であることが示されていますが、多くの場合、高価な材料が必要になったり、急速な劣化が発生したりします。

しかし、ベトナムの研究チームによる最近の進歩は、パッシブ PV 冷却の経済学を書き換えた可能性があります。ヒドロゲル-でコーティングされた紙基材と遅い水流および界面蒸発を組み合わせることで、動作温度を最大 14 度下げ、効率を 16.8% も高めるという非常に効果的なシステムを開発しただけでなく、コストが著しく低く、淡水と天然海水の両方に適合するシステムを開発しました。-

この革新には、エレガントでシンプルなデザイン手法が使用されています。研究チームは、薄い多孔質紙のシートを、親水性ポリマーネットワークから作られたヒドロゲルコーティングでカプセル化しました。したがって、大量の水を吸収し保持する非常に大きな容量を持っています。紙が包まれると、PV パネルの背面にラミネートされます。このようにして、重力供給またはパッシブソーラーパネルの背面にある小さな貯水池から、ゆっくりとした水滴を継続的に導入することができます。

ヒドロゲルには 2 つの主な機能があります。 1 つ目は、紙による水分の吸収が起こった後も多孔質紙内に水分を長時間保持し、直射日光や高温に長時間さらされた場合でも水分を保持し続けることです。 2 つ目は、界面蒸発 (バルク液体表面からの水の蒸発ではなく、ヒドロゲルと周囲の空気の間の界面で起こる水の蒸発) を促進することです。界面蒸発を可能にしながら水を吸収するヒドロゲルの組み合わせにより、消費される水の単位あたりの冷却効果が大きくなり、バルク蒸発よりもはるかにエネルギー効率が高くなります。水が蒸発すると、 PV パネルから潜熱を直接引き出すため、PV パネルの動作温度が低下します。 PV パネルの背面にラミネートされた多孔質紙は、蒸発を最大限に高めるための高い表面積を持ち、同時にヒドロゲル用途の材料コストを比較的低く抑えます。

ベトナムチームは徹底した屋外テストを実施しました。これらのテスト中、ヒドロゲルでコーティングされたパネルは、コーティングされていないパネル（非冷却）と比較して、パネルを摂氏 14 度冷却することが判明しました。これは、熱損失が最も大きくなる太陽のピーク時に、冷却されたパネルはコーティングされていないパネルと比較して相対効率が 16.8% も増加したことを意味します。

この例を使用すると、摂氏 65 度の動作温度で定格出力を生成する標準パネル (400 ワット) が、熱損失により約 320 ワットしか出力されないと考えてください。熱損失ゼロの冷却システムを使用すると、同じパネルで約 374 ワットの出力が得られます。したがって、この冷却システムを使用するパネルによって生成される電力量により、公共施設または商業用屋上システムに使用できるエネルギー量が大幅に増加し、平準化電力コスト (LCOE) が大幅に削減されます。

このイノベーションの最も注目すべき点の 1 つは、淡水と天然海水の両方で稼働できることです。多くの沿岸地域や島嶼では淡水が不足しているか高価であるため、従来の蒸発冷却は現実的ではありません。しかし、ヒドロゲル-コート紙は、未処理の海水を供給した場合でも安定した性能を示しました。ヒドロゲルマトリックスは、塩イオンが蒸発表面に蓄積するのではなく、バルク水の流れに拡散して戻ることを可能にすることで、塩の結晶化と汚れ（従来の蒸発冷却器を悩ませる一般的な問題）に抵抗するようです。この機能により、海洋設置、水上太陽光発電所、塩水しか利用できない乾燥した沿岸地域でも PV 冷却が可能になります。

従来のアクティブ冷却（空気または水の強制循環）は、PV 温度を 10 ～ 20 度下げることができますが、システム出力の 1 ～ 3% を消費し、ポンプ、パイプ、および定期的なメンテナンスが必要です。受動放射冷却フィルムは有望ではありますが、多くの場合、複雑なフォトニック構造や高価なポリマーに依存しており、湿気や曇りの条件下では効果が失われる可能性があります。対照的に、ヒドロゲル-紙システムは、最小限の水の供給（重力によって駆動される場合がある）を除いてほぼ完全に受動的です。-紙とハイドロゲルの材料は、特殊な冷却フィルムよりも桁違いに安価です。さらに、このシステムは既存のモジュールに非常に低コストで後付けできます。

限界のないテクノロジーはありません。ヒドロゲル-でコーティングされた紙には、たとえゆっくりであっても、一定の水の供給が必要です（たとえば、1 平方メートルあたり 1 日あたり数リットル）。水が少ない-送電網内部では、これは物流上の課題となる可能性がありますが、捕らえられた雨や凝縮水が使用される可能性があります。長期耐久性も別の要素です。紙は紫外線劣化に耐える必要があり、ヒドロゲルは数千回の熱サイクルにわたって膨張収縮サイクルを維持する必要があります。-ベトナムのチームは、初期のテスト期間にわたって安定性が期待できると報告していますが、複数年にわたるフィールドデータが不可欠です。-

それにもかかわらず、潜在的なアプリケーションは膨大です。農業発電所（作物の灌漑にすでに水が使用されている場所）では、最小限の追加水で PV 冷却を統合できます。湿気の多い熱帯都市の屋上システムでは、蒸発冷却が引き続き効果的であり、即座にパフォーマンスが向上する可能性があります。そして、高いモジュール温度と海水の利用可能性によって制限されることが多い洋上浮体式太陽光発電は、完璧にマッチしているように思えます。

ベトナムの研究者によるヒドロゲル-コート紙受動的冷却システムの開発は、低コストの PV 熱管理における重要な前進を表しています。-このイノベーションは、紙、ヒドロゲル、そして淡水または生理食塩水の滴だけを使用して、温度を 14 度低下させ、効率をほぼ 17% 向上させることにより、効果的な冷却には費用がかかるか、エネルギーを大量に消費する必要があるという思い込みに疑問を投げかけます。-。世界が高温多湿な地域での太陽光の透過率向上を推進する中、このようなシンプルな生体模倣ソリューションは不可欠となるでしょう。次のステップには、パイロット製造、長期信頼性テスト、-水回収システムとの統合などが含まれます。-これらのハードルをクリアできれば、ハイドロゲルでコーティングされた紙が間もなく次世代ソーラー パネルの標準付属品となる可能性があります。-