O tehnologie finanțată de UE transformă aceeași lumină solară în electricitate și căldură fără să supraîncălzească celulele

Un proiect european a dezvoltat un fluid cu nanoparticule capabil să împartă lumina solară între două utilizări diferite: lungimile de undă potrivite sunt trimise către celulele fotovoltaice pentru producerea electricității, iar radiația care generează căldură este captată separat și transformată în energie termică. Tehnologia NANOSPLIT urmărește astfel să producă simultan electricitate și căldură, menținând în același timp celulele solare la temperaturi mai reduse.

Panourile fotovoltaice transformă numai o parte din energia luminii solare în electricitate. O altă parte este absorbită sub formă de căldură, iar încălzirea celulelor poate reduce chiar eficiența cu care acestea produc electricitate.

Problema este mai accentuată în sistemele fotovoltaice cu concentrare, unde lentile sau oglinzi focalizează cantități mari de lumină pe o suprafață relativ mică de celule solare. Intensitatea radiației crește producția potențială de energie, dar ridică în același timp temperatura celulelor.

Sistemele fotovoltaic-termice încearcă să folosească ambele forme de energie. Ele produc electricitate prin celulele fotovoltaice și recuperează căldura pentru alte utilizări, în loc să o lase să se piardă în mediul înconjurător.

NANOSPLIT a pornit în 2021 cu obiectivul de a îmbunătăți această combinație în sistemele fotovoltaic-termice cu concentrare. Proiectul finanțat de UE s-a concentrat asupra unui separator spectral care intervine înainte ca întreaga radiație solară să ajungă la celule.

Principiul este separarea diferitelor lungimi de undă din lumina solară în funcție de modul în care acestea pot fi utilizate cel mai eficient. Radiația favorabilă producerii electricității este transmisă către celulele fotovoltaice, iar componentele care contribuie în principal la încălzire sunt captate pentru producerea energiei termice.

În acest fel, aceeași sursă de radiație solară poate furniza două produse energetice. Sistemul obține electricitate de la partea de spectru trimisă către celulele fotovoltaice și căldură de la radiația absorbită de fluid.

Tehnologia dezvoltată în proiect utilizează nanofluide hibride construite din foi de oxid de zinc și nanoparticule de aur. Aceste materiale formează un filtru care interacționează diferit cu diverse componente ale luminii.

Fluidul permite luminii vizibile și unei părți din radiația infraroșie apropiată să treacă spre celulele fotovoltaice. În același timp, absoarbe radiația ultravioletă și partea din infraroșu asociată mai puternic cu transportul căldurii.

Energia absorbită nu este tratată drept pierdere. Ea încălzește fluidul și poate fi transferată către componenta termică a instalației.

CORDIS indică apa caldă menajeră și încălzirea spațiilor printre posibilele utilizări ale acestei călduri. Cercetarea ulterioară vizează și temperaturi mai ridicate, care ar putea permite folosirea energiei termice în procese industriale.

Menținerea celulelor la o temperatură mai redusă are o funcție separată. Randamentul fotovoltaic scade atunci când temperatura celulei crește, astfel încât îndepărtarea unei părți din radiația care ar genera căldură poate proteja performanța electrică.

Temperatura mai redusă poate contribui și la prelungirea duratei de funcționare a celulelor, prin limitarea stresului termic la care acestea sunt expuse în timpul operării.

NANOSPLIT urmărește astfel utilizarea unei proporții mai mari din energia totală a spectrului solar, în locul maximizării exclusive a cantității de electricitate produsă. Performanța sistemului trebuie evaluată prin combinația dintre energia electrică și energia termică recuperată.

CORDIS nu furnizează în materialul publicat o valoare unică a eficienței comerciale finale a sistemului și nici o comparație procentuală care să permită afirmarea unei anumite creșteri a producției față de panourile fotovoltaice convenționale.

Documentul nu precizează nici costul estimat al unei instalații comerciale, perioada de amortizare sau momentul în care tehnologia ar putea deveni disponibilă la scară largă. NANOSPLIT rămâne o tehnologie aflată în dezvoltare, iar cercetarea continuă după încheierea finanțării inițiale.

Rezultatele proiectului au fost prezentate în 2024 la conferința internațională ECOS din Rodos, dedicată termodinamicii și tranziției energetice sustenabile.

După încheierea proiectului în 2023, echipa a continuat colaborarea cu parteneri existenți și noi din Europa și India. Obiectivul declarat este continuarea dezvoltării până la aplicații în condiții reale.

Una dintre direcțiile actuale de cercetare folosește nanofluide pe bază de puncte de carbon. Proprietățile acestora pot fi ajustate astfel încât fluidul să interacționeze selectiv cu anumite culori sau lungimi de undă.

Materialele pot fi combinate sau structurate în diferite configurații pentru îmbunătățirea stabilității, rezistenței și eficienței. Această etapă ar putea permite adaptarea separatorului spectral la diferite tipuri de celule fotovoltaice sau aplicații termice.

Dezvoltarea tehnologiei a generat și activitate comercială. Solar Flow, o companie desprinsă din Imperial College London, lucrează la utilizarea conceptului pentru producerea căldurii industriale la temperaturi mai ridicate.

Aplicațiile industriale sunt diferite de încălzirea unei locuințe. Numeroase procese de fabricație necesită căldură, iar în prezent aceasta este produsă frecvent prin arderea gazului sau a altor combustibili.

Folosirea energiei solare pentru o parte dintre aceste procese ar putea reduce consumul de combustibili și emisiile asociate acolo unde temperatura și continuitatea necesare pot fi asigurate tehnic și economic.

Materialul CORDIS nu precizează industriile în care Solar Flow va implementa prima instalație comercială și nici temperatura maximă atinsă de sistemul aflat în dezvoltare.

Un alt element care trebuie demonstrat înaintea utilizării extinse este stabilitatea nanofluidelor. Particulele trebuie să rămână distribuite și să își păstreze proprietățile optice și termice într-un sistem expus repetat la temperaturi ridicate și radiație solară.

Folosirea aurului în nanofluid ridică și problema costului materialelor la extinderea producției. Documentul nu prezintă costul nanoparticulelor necesare pentru o instalație și nici cantitatea care ar fi necesară pentru un sistem comercial.

Prin urmare, rezultatul proiectului nu reprezintă lansarea unui nou tip de panou solar disponibil pentru consumatori. Este demonstrarea unei metode de gestionare a spectrului solar care continuă să fie dezvoltată pentru integrarea în sisteme fotovoltaic-termice.

Coordonatorul NANOSPLIT, profesorul de tehnologii pentru energie curată la Imperial College London Christos Markides, a descris rezultatul drept o demonstrație a modului în care managementul optic și termic poate fi combinat în generația următoare de tehnologii solare.

„NANOSPLIT has been successful in demonstrating how advanced optical and thermal management solutions can be used effectively to unlock the next generation of solar utilisation technologies,” a declarat Markides.

NANOSPLIT este acronimul pentru Nanofluid Spectral Beam Splitter Assisted Hybrid CPV/T System. Proiectul, lansat în 2021 și încheiat în 2023, a fost finanțat de Uniunea Europeană și coordonat de Imperial College London.

Sistemele CPV/T combină fotovoltaica cu concentrare și recuperarea termică. Oglinzile sau lentilele concentrează lumina pe celule, iar căldura generată este captată și folosită în loc să fie disipată complet.

CORDIS urmărește proiectele de cercetare finanțate de UE și rezultatele acestora. Materialul din august 2026 face parte din seria care analizează evoluția proiectelor după încheierea finanțării europene și descrie continuarea dezvoltării NANOSPLIT, fără să anunțe comercializarea tehnologiei.