Neuartiger Flüssigkeitsfilter für eine verbesserte Nutzung der Solarenergie

Entkoppelte photovoltaisch-thermische Systeme nutzen Flüssigkeitsfilter, um nicht wirksame Wellenlängen wie Ultraviolett, sichtbares Licht und nahes Infrarot zu absorbieren. Allerdings kann Wasser, ein beliebter Filter, ultraviolette Strahlen nicht effektiv absorbieren, was die Systemleistung einschränkt. Um dieses Problem anzugehen, haben Forscher aus Korea einen neuartigen Emulsionsfilter eingeführt, der die gleichzeitige Umwandlung von Sonnenenergie in Strom und Wärmeenergie mit einem beispiellosen Wirkungsgrad von 84,4 % ermöglicht. (Siehe Infografik hier.)

Photovoltaik (PV)-Module sind Geräte, die Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln. Allerdings weisen sie einen geringen Umwandlungswirkungsgrad von etwa 20 % auf, da sie nur Wellenlängen im nahen Infrarot in Strom umwandeln können, während andere Wellenlängen das PV-Modul lediglich aufheizen und so dessen Effizienz verringern. Um dem entgegenzuwirken, haben Wissenschaftler photovoltaisch-thermische (PVT) Systeme entwickelt, bei denen die erzeugte Wärme von einem Wärmetauscher abgeführt wird, der eine Kühlflüssigkeit (Luft oder Flüssigkeit) enthält. Dies wiederum kühlt das PV-Modul ab und steigert so dessen Effizienz. Darüber hinaus kann die aufgenommene Wärme in Form von Wärmeenergie genutzt werden.

Um die Kühlwirkung von PV-Modulen weiter zu verbessern und thermische Energie zu gewinnen, wurden entkoppelte PVT-Systeme entwickelt, die mit Flüssigkeitsfiltern ausgestattet sind. Diese über PV-Modulen angebrachten Filter fangen bestimmte Wellenlängen des Sonnenlichts ein, die nur minimal zur Stromerzeugung beitragen, einschließlich ultraviolettem (UV), sichtbarem Licht und nahem Infrarot, und erleichtern so deren Umwandlung in Wärmeenergie für verschiedene Anwendungen. Allerdings kann Wasser, ein beliebter Flüssigkeitsfilter, keine UV-Strahlen absorbieren.

Jetzt hat ein Forscherteam unter der Leitung von Assistenzprofessor Jae Won Lee von der Korea Maritime & Ocean University eine innovative Emulsion (Mischung) aus Fischöl und Wasser als Flüssigkeitsfilter eingeführt. Es absorbiert effizient sowohl Infrarot- als auch UV-Licht und erhöht so das Energiegewinnungspotenzial entkoppelter PVT-Systeme. Ihre Arbeit wurde am 28. April 2023 online verfügbar gemacht und in veröffentlicht Band 287 der Zeitschrift Energieumwandlung und -managementt am 1. Juli 2023.

„Die meisten Flüssigkeitsfilter verwenden entweder Wasser oder eine Mischung aus Wasser und festen Nanopartikeln, um die ungenutzten Wellenlängen der Sonnenstrahlung zu absorbieren. Allerdings absorbiert Wasser nur den Infrarotanteil des Sonnenlichts mit Wellenlängen über 1250 nm. Feste Nanopartikel hingegen neigen dazu, sich mit der Zeit abzusetzen, was ihre Effizienz verringert“, betont Dr. Lee. Im Gegensatz dazu bleibt die vorgeschlagene Emulsion bei hohen Temperaturen von bis zu 70 °C stabil. Darüber hinaus absorbieren die Öltröpfchen in der Emulsion effektiv UV-Licht mit Wellenlängen unter 500 nm.

Das Vorhandensein des Emulsionsfilters verbesserte die Umwandlungseffizienz deutlich und senkte die Betriebstemperatur im Vergleich zu Systemen mit reinen Wärmetauschern. Der Wirkungsgrad stieg von 70,9 % auf 84,4 %, während die Temperatur von 46,7 °C auf 33,1 °C sank. Die Forscher fanden heraus, dass das entkoppelte PVT-System mit Emulsionsfilter bei einer standardmäßigen Sonneneinstrahlung von 1000 W/m² elektrische und thermische Energien in Höhe von 72,2 Wh bzw. 1176,7 Wh pro Tag erzeugte. Dies erwies sich als wirtschaftlich vorteilhaft, da die Amortisationszeit kürzer war als bei PVT-Systemen und entkoppelten PVT-Systemen mit Wasserfilter.

Das vorgeschlagene System kann sogar unter spezifischen Anforderungen und Umgebungsbedingungen betrieben werden. Beispielsweise könnte im Sommer die Flüssigkeit im Flüssigkeitsfilter umgangen werden, um die Stromproduktion zu maximieren, während der Flüssigkeitsfilter im Winter Wärmeenergie für Heizanwendungen auffangen könnte. Auch die Umsetzung dürfte unkompliziert sein. „Die Emulsionstechnologie ist bereits gut etabliert und findet Anwendung in verschiedenen Branchen, beispielsweise in der Kosmetik- und Lebensmittelindustrie“, erklärt Dr. Lee. „Daher lassen sich Emulsionsfilter problemlos in bestehende Systeme integrieren. Darüber hinaus bergen sie ein enormes Potenzial für neue Anwendungen, einschließlich der selektiven Trennung des solaren Wellenlängenspektrums.“

Hoffen wir, dass diese Technologie uns der Verwirklichung einer CO2-neutralen Gesellschaft einen Schritt näher bringt!

Referenz

Um National Korea Maritime & Ocean University

Südkoreas renommierteste Universität für maritime Studien, Verkehrswissenschaften und Ingenieurwesen, die National Korea Maritime & Ocean University, befindet sich auf einer Insel in Busan. Die Universität wurde 1945 gegründet und hat sich seitdem mit anderen Universitäten zusammengeschlossen, um derzeit die einzige postsekundäre Einrichtung zu sein, die sich auf maritime Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften spezialisiert hat. Es gibt vier Hochschulen, die sowohl Bachelor- als auch Masterstudiengänge anbieten.

Webseite: http://www.kmou.ac.kr/english/main.do

Über den Autor

Dr. Jae Won Lee ist Assistenzprofessor in der Abteilung für Maschinenbau an der Korea Maritime & Ocean University (KMOU). Er erhielt seinen Doktortitel in Wärmetechnik von der Korea University im Jahr 2017. Seine Gruppe betreibt experimentelle und theoretische, grundlegende und angewandte Forschung, um die Leistung einer breiten Palette wärmetechnischer Systeme zu verbessern. Bevor er an die KMOU kam, war er Forschungsprofessor am Labor für Energie- und Materialzirkulation und trug zur Forschung zur Gebäudeenergiereduzierung bei.

Mit freundlicher Genehmigung von Korea Maritime and Ocean University, Südkorea.