Исторически пробив: Германски учени постигнаха 31,3% ефективност при преобразуването на слънчевата енергия във водород

Изследователи от Института за слънчева енергетика „Фраунхофер“ създадоха инсталация, която превръща слънчевата светлина във водород с рекордна ефективност от 31,3% — най-добрият резултат в света за системи, работещи на открито. Технологията се основава на микроконцентраторни фотоелементи (микро-CPV) и електролизер с протонно-обменна мембрана (PEM). За 107 часа полеви изпитания системата не показа признаци на деградация.

За създаването на инсталацията учените са разработили системата HyCon. Тя използва масиви от лещи на Френел, които фокусират слънчевата светлина върху четири паралелно свързани четирипреходни слънчеви елемента с размер едва 7 мм² всеки. Лещите са разположени на разстояние 80 мм от елементите с възможност за прецизна настройка. Слънчевите елементи се състоят от четири слоя специални полупроводникови материали на базата на галий, индий и арсен, които улавят различни части от слънчевия спектър. Тази технология по-рано демонстрира рекордна ефективност при преобразуването на светлина в електричество — 47,6%.

Електролизерът с протонно-обменна мембрана е изграден на базата на две пластини от хлориран поливинилхлорид. Те подават филтрирана вода в реакционната камера. Вътре се намира мембранно-електроден блок с активна площ 1,13 см² — тук водата се разлага на водород и кислород. Мембраната се състои от перфторсулфонова киселина с пори от 175 мкм. На анода е нанесен иридиев катализатор, а на катода — платинен. Титанова мрежа, притисната с титанов винт, разпределя водата, отвежда газовете и осигурява електрически контакт. Конструкцията трябва да работи при повишени температури за сметка на топлината от слънчевите елементи, но в настоящата версия се наложи допълнително подгряване на водата.

Полевите изпитания бяха проведени в продължение на 13 летни дни във Фрайбург с използване на двуосов слънчев тракер. Максималната производителност на преобразуването на слънчева енергия в водород (31,3%) беше постигната, когато ефективността на фотоелектрическата батерия беше 34,7%, а на електролизера — 91,1%. При това системата работеше при плътност на тока 368 мА/см² и напрежение на клетката 3,25 V. За 107 часа работа и 13 динамични цикъла инсталацията не показа никакви признаци на деградация.

По-рано дву- и трипреходните концентриращи системи достигаха максимум 19,8% ефективност на открито и 30% в лабораторни условия. Новата четирипреходна система надмина всички известни фотоелектрически и електролизни инсталации с 5%.

Въпреки това, технологията все още се намира в ранен етап на потвърждаване на концепцията. Заедно с компанията Clearsun Energy екипът създава стартъп за комерсиализация на своите фотоелектрически системи.

Изследователите смятат, че увеличаването на коефициента на използване на мощността на технологията HyCon до 35% ще позволи да се намали еквивалентната цена на водорода под 3 долара за килограм. Това ще направи технологията конкурентоспособна на пазара на чисти горива. В бъдещите версии се планира подобряване на топлинната връзка между фотоелектрическите елементи и електролизера, за да се избегне необходимостта от подгряване на водата.