Аккумулятор для солнечной энергии сделали из дерева

У солнечной энергетики, при всех ее преимуществах, во многом еще не реализованных, есть один принципиальный недостаток: она работает только днем. Выход очевиден — запасать.

Тут возможны различные решения. Выработанную солнечными панелями электроэнергию можно накапливать в литиевых батареях, дорогих и взрывоопасных, или в монструозных гидроаккумулирующих электростанциях, или даже в жидкости или воздухе. А можно обойтись вовсе без перевода одного вида энергии в другой и хранить ее в виде тепла.

Для этих целей хорошо себя зарекомендовали материалы с фазовым переходом, всем нам прекрасно известные по солевой грелке. Однако у них есть свои минусы: при плавлении они могут протекать, медленно проводят тепло и легко воспламеняются. Этих недостатков лишена разработка китайских ученых — многофункциональный солнечный тепловой аккумулятор, о которой они рассказали в журнале Advanced Energy Materials.

Исследователи перестроили внутреннюю структуру бальзового дерева в нескольких масштабах — от нано до микро, — чтобы получить материал, который поглощает солнечный свет и запасает его в виде тепла для последующего использования. Кроме того, он может генерировать электричество, когда накопленное тепло высвобождается через термоэлектрическое устройство.

Сначала они удалили из дерева скрепляющий волокна лигнин. Образовалась пористая структура из мельчайших открытых канальцев. Внутреннюю поверхность каналов покрыли 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 таниновой кислоты и ионов железа.

Следующим шагом стало внесение наночастиц серебра, чтобы древесина лучше улавливала солнечный свет. В самом конце нанесли водоотталкивающий слой — он сохраняет материал сухим и устойчивым к гниению в любую погоду.

Когда основа из бальзы была готова, ее пропитали стеариновой кислотой. Этот легкоплавкий воск натурального происхождения и выполняет роль материала с фазовым переходом — плавится при нагревании, накапливая джоули, а застывая, отдает их.

Одна из причин, почему эта древесина так эффективна с точки зрения теплопередачи, в том, что тепло идет вдоль волокон, а не поперек поверхности. Это значит, что оно быстрее достигает внешнего генератора и превращается в электричество.

Работоспособность деревянного аккумулятора доказали в серии испытаний. В солнечном симуляторе фототермический КПД материала достиг 91,27% — то есть почти весь попавший на него свет превращается в полезное тепло. Один килограмм древесины запасает 175 килоджоулей энергии. При подключении к термоэлектрическому генератору модифицированная бальза выдает до 0,65 вольта

Помимо энергетических показателей, материал показал себя хорошо и в отношении обычных угроз для деревянных конструкций на открытом воздухе — огня, бактерий и грибка. «Гибридное покрытие также значительно повышает пожарную безопасность, снижая скорость тепловыделения на 27,4% и общее тепловыделение на 31,2%, а кроме того, эффективно борется с E. coli и S. aureus», — уточняют авторы.

Таким образом, работоспособность технологии доказана, причем с неплохими результатами, дальнейшие исследования будут направлены на ее масштабирование.