Хоча стійка сонячна енергія потенційно може задовольнити наші глобальні потреби в електроенергії, вона має один істотний недолік. Коли сонячне світло зникає, сонячні панелі перестають виробляти електрику. Проблема в тому, що, хоча вони чудово справляються з перетворенням світла на енергію, вони погано накопичують зібрану енергію.
Одним із рішень є використання матеріалів, відомих своєю здатністю вловлювати тепло та вивільняти його пізніше, таких як матеріали з фазовим переходом (PCM). Однак вони можуть витікати при плавленні, погано проводять тепло і легко спалахують. Тому дослідники з Китаю вирішили використати інший підхід, перетворивши деревину на багатофункціональний матеріал для зберігання сонячної теплової енергії, як вони докладно описують у статті, опублікованій у журналі Advanced Energy Materials.
Перепроєктування бальсової деревини
Команда перепроєктувала внутрішню структуру бальсової деревини на кількох рівнях, від нано до мікро, щоб створити матеріал, який поглинає сонячне світло та накопичує його у вигляді тепла для подальшого використання. Він також може генерувати електрику, коли це накопичене тепло вивільняється через термоелектричний пристрій.
Спочатку вони видалили природний лігнін деревини, який діє як клей, що скріплює волокна. У результаті утворилася пориста структура із крихітних відкритих каналів. Потім внутрішню поверхню цих каналів покрили ультратонкими шарами чорного фосфорену, який поглинає сонячне світло у різних діапазонах довжин хвиль і перетворює його на тепло. Однак фосфорен швидко розкладається на повітрі, тому вчені додали захисний шар із дубильної кислоти та іонів заліза.
Наступним кроком стало додавання наночастинок срібла, щоб допомогти деревині вловлювати сонячне світло. Нарешті був доданий водовідштовхувальний шар, завдяки якому матеріал залишався сухим і стійким до гниття в будь-яку погоду.
Після того як каркас із бальсової деревини був готовий, дослідники заповнили його теплоакумулювальним воском, званим стеариновою кислотою. Цей матеріал з фазовим переходом плавиться і накопичує енергію при нагріванні, а потім твердне і вивільняє цю енергію при охолодженні.
Одна з причин такої високої теплової ефективності цієї деревини полягає в тому, що тепло поширюється вздовж волокон, а не поверхнею. Це означає, що воно швидше переміщається до зовнішнього генератора перетворення на енергію.
Вражальні результати
Щоб довести працездатність власної інновації, команда провела кілька тестів. У сонячному симуляторі було досягнуто фототермічної ефективності 91,27%, що означає, що майже все світло, що падає на нього, перетворилося на корисне тепло. Матеріал також накопичував 175 кілоджоулів енергії на кілограм. При підключенні термоелектричного генератора модифікована бальсова деревина виробляла до 0,65 вольта.
Крім енергоощадження покриття добре показало себе в боротьбі з поширеними небезпеками, з якими стикаються дерев'яні конструкції на відкритому повітрі, такими як пожежа, бактерії та грибки. "Гібридне покриття також значно підвищує пожежну безпеку, знижуючи швидкість виділення тепла і загальну кількість тепла, що виділяється на 27,4% і 31,2% відповідно, і ефективно бореться з кишковою паличкою і золотистим стафілококом", - зазначили автори дослідження у своїй статті.
Вирішуючи деякі з цих проблем, команда наближається до практичного рішення для використання сонячної енергії навіть після заходу сонця. "Ця робота є масштабованою та екологічно чистою платформою на основі деревини для вдосконаленого збору сонячної теплової енергії".
