Солнечная батарея из дерева

Солнечная энергия при всех своих преимуществах, которые во многом еще не реализованы, имеет один принципиальный недостаток: она работает только днем. Решение очевидно – запастись.

Здесь возможны различные решения. Электричество, вырабатываемое солнечными панелями, можно хранить в литиевых батареях, которые дороги и взрывоопасны, или в огромных гидроаккумулирующих электростанциях, или даже в жидкости или воздухе. А можно обойтись без преобразования одного вида энергии в другой и сохранить ее в виде тепла.

Хорошо зарекомендовали себя для этих целей материалы с фазовым переходом, хорошо известные всем нам по соляной грелке. Однако у них есть свои недостатки: они могут течь при плавлении, медленно проводят тепло и легко воспламеняются. Разработка китайских учёных — многофункциональная солнечная тепловая батарея, которую они описали в журнале Advanced Energy Materials, лишена этих недостатков.

Исследователи изменили внутреннюю структуру пробкового дерева на нескольких уровнях, от нано до микро, чтобы создать материал, который поглощает солнечный свет и сохраняет его в виде тепла для дальнейшего использования. Кроме того, он может генерировать электроэнергию, когда накопленное тепло высвобождается через термоэлектрическое устройство.

Сначала они удалили из древесины лигнин, который скрепляет волокна. Образовалась пористая структура из крошечных открытых канальцев. Внутренняя поверхность каналов была покрыта ультратонким слоем черного фосфорена — он поглощает свет в широком диапазоне длин волн и превращает его в тепло. Но фосфорен быстро разрушается на воздухе, поэтому ученые добавили защитный слой из дубильной кислоты и ионов железа.

Следующим шагом было добавление наночастиц серебра, чтобы древесина лучше улавливала солнечный свет. В самом конце был нанесен водоотталкивающий слой – он сохраняет материал сухим и устойчивым к гниению в любую погоду.

Когда бальзовая основа была готова, ее пропитывали стеариновой кислотой. Этот легкоплавкий воск природного происхождения действует как материал с фазовым переходом – он плавится при нагревании, накапливая джоули, а при затвердевании выделяет их.

Одна из причин, почему эта древесина настолько эффективна с точки зрения теплопередачи, заключается в том, что тепло передается вдоль волокон, а не по поверхности. Это означает, что он быстрее достигает внешнего генератора и превращается в электричество.

Работоспособность деревянной батареи была доказана в серии испытаний. В солнечном симуляторе фототермическая эффективность материала достигла 91,27% — то есть почти весь попадающий на него свет преобразуется в полезное тепло. Один килограмм древесины хранит 175 килоджоулей энергии. При подключении к термоэлектрическому генератору модифицированная бальза выдает напряжение до 0,65 вольт.

Помимо энергетических характеристик, материал также хорошо защищает от распространенных угроз для наружных деревянных конструкций — огня, бактерий и грибков. «Гибридное покрытие также существенно повышает пожаробезопасность, снижая скорость тепловыделения на 27,4% и общее тепловыделение на 31,2%, а кроме того, эффективно борется с кишечной палочкой и S. aureus», — уточняют авторы.

Таким образом, эффективность технологии доказана с хорошими результатами; дальнейшие исследования будут направлены на его расширение.