Aus der Welt: Neues Kühlgel könnte den Wirkungsgrad von PV-Modulen um 12 % steigern

Eine Gruppe unter der Leitung von Wissenschaftlern der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saudi-Arabien hat eine neuartige, kostengünstige passive Kühltechnologie für PV-Module entwickelt.

Es besteht aus Polyacrylsäure-Natriumsalz (PAAS) und Lithiumchlorid (LiCl)-Hydrogel-Verbundstoffen, die auf die Rückseite des Solarmoduls aufgebracht werden. „Wir sind auf Materialien spezialisiert, die eine passive Kühlung ermöglichen“, sagte der Forscher Qiaoqiang Gan. „Diese Materialien sind dünn und können auf verschiedenen Systemen angebracht werden, die für ihren Betrieb gekühlt werden müssen, wie Gewächshäuser und Solarzellen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.“

Um den Verbundwerkstoff herzustellen, kombinierten die Forscher LiCl und PAAS im Verhältnis 2:1. Nach dem Mischen der Materialien gossen sie die Mischung in eine Form, wo sie eine Stunde lang aushärtete, um eine flache Form zu erhalten. Laut den Wissenschaftlern wurde das spezifische Verhältnis gewählt, um die Widerstandsfähigkeit des Verbundwerkstoffs unter extremen Bedingungen wie einer relativen Luftfeuchtigkeit von über 90 % und Temperaturen über 30 °C zu gewährleisten.

„Der Verbundwerkstoff nutzt die hygroskopischen Eigenschaften des Trockenmittels, sodass er über Nacht Feuchtigkeit aufnehmen und während der Tagesstunden die Verdunstungskühlung fördern kann“, erklärten sie. „In diesem Verbundwerkstoff erhöhen PAAS-Moleküle durch ihre stark hydrophilen Carboxylatgruppen die Wasserspeicherkapazität. Während LiCl-Kristalle als hygroskopische Mittel aktiv Feuchtigkeit aus der Umgebung aufnehmen, wird das im Verbundwerkstoff gespeicherte Wasser aufgrund des ausgewogenen LiCl-Gehalts über den gesamten Tag hinweg allmählich wieder abgegeben, sodass die Kühlschicht nicht ausgetauscht werden muss.“

Um ihre neue Entwicklung zu testen, verwendete das Team ein polykristallines Silizium-PV-Panel mit den Maßen 54 mm × 54 mm. Auf dessen Rückseite wurde eine 7 mm dicke Schicht aufgetragen, die sich nach Aufnahme von Wasser auf etwa 10 mm ausdehnte. Anschließend wurde sie an mehreren Standorten, in Laboren in Saudi-Arabien und den Vereinigten Staaten sowie in Feldversuchen getestet. Ein 21-tägiger Feldversuch fand in der saudischen Stadt Thuwal statt, während ein einmonatiger Feldversuch in Buffalo, New York, durchgeführt wurde.

„Wir haben in Labortests eine beeindruckende Kühlleistung erzielt“, so das Team. „Bei einer kontinuierlichen Sonneneinstrahlung von 1 kW/m² über einen Zeitraum von drei Stunden erreichte die Kühlleistung 373 W/m², die nach Verlängerung der Betriebsdauer auf zwölf Stunden auf 187 W/m² sank. Unter simulierten realen Sonnenstrahlungsbedingungen im Freien lieferte das System eine durchschnittliche Kühlleistung von 160 W/m², mit Spitzenwerten von 247 W/m² zwischen 10:00 und 11:00 Uhr.“

Bei den Freilandversuchen in Saudi-Arabien mit einer Temperatur von 37 °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 53 % wurde eine nachhaltige Verdunstungskühlleistung von 175 W/m² erreicht. „Um die Mittagszeit wurde ein deutlicher Temperaturabfall von bis zu 14,1 °C gemessen (durchschnittlich 12,5 °C zwischen 12:00 und 13:00 Uhr), was zu einer erheblichen Steigerung der Energieumwandlungseffizienz von 13,1 % auf 14,7 % führte – eine Verbesserung von etwa 12,2 %“, betonten sie.

Durch die Tests in den Vereinigten Staaten kam das Team auch zu dem Schluss, dass die Verbesserung der Kühlleistung die Lebensdauer von PV-Modulen um über 200 % verlängert und die Stromgestehungskosten um 18 % senkt. Sie berechneten außerdem, dass die Materialkosten bei etwa 37 USD/m² liegen, und hoben hervor, dass diese „niedriger sind als in den meisten früheren Studien, in denen Hydrogel- oder Nicht-Hydrogel-Kühlverfahren verwendet wurden“.