Фотоволтаичните панели генерират електричество, слънчевите термални колектори осигуряват топлина, докато охлаждането обикновено се осигурява от климатични системи, които сами по себе си консумират електричество. В резултат на това сградите изискват различни технологии за поддръжка, конкуриращи се за ограниченото пространство, налично на покривите и фасадите.
Ново решение едновременно осигурява охлаждане, електричество и отопление от една и съща покривна повърхност. Тази хибридна PDRC-слънчева система комбинира фотоволтаични и слънчеви термални технологии с пасивно дневно радиационно охлаждане (PDRC).
Изследователите виждат приложения на иновацията навсякъде, където са необходими едновременно охлаждане и енергия. Комбинацията е разработка на Технологичния институт в Карлсруе и е описана в списание Cell Reports Physical Science.
„Нашата визия е, че покривите и фасадите могат да се превърнат в активни енергийни повърхности, които едновременно осигуряват електричество, отопление и охлаждане“, казва д-р Ган Хуанг в Института за микроструктурни технологии на KIT.
„Концепцията може да бъде привлекателна и за енергоемки приложения, като например центрове за данни с изкуствен интелект, които се нуждаят от интензивно захранване и охлаждане“, допълва той.
Излъчване на топлина през атмосферния прозорец
В основата на системата е прозрачен емитер, състоящ се от силициев субстрат, покрит със силиконовия полимер полидиметилсилоксан. Слоят позволява на слънчевата светлина да преминава, като едновременно с това излъчва топлина като инфрачервено лъчение през атмосферния прозорец – диапазонът на дължината на вълната, в който земната атмосфера е силно прозрачна за топлинно лъчение.
Под прозрачния емитер има френелова леща, която концентрира пропусканата слънчева светлина върху компактен фотоволтаичен термичен колектор, където се генерират електричество и топлина.
По време на експерименти на открито прототипът едновременно постигна охлаждане до 6,5 °C под околната температура, плътност на електрическата мощност от 60,6 W/m² и температури на нагряване до 110,8°C.
„Огън“ и „лед“ в една система
„Демонстрираме, че една система може едновременно да събира горещото слънце и студената вселена“, казва Хуанг, който ръководи лабораторията за хибридни слънчеви технологии в KIT. Най-голямото предизвикателство е било да се комбинират два фундаментално противоположни процеса, казва ученият.
„Съчетаваме „огън“ и „лед“, обяснява Хуанг. „Докато слънчевият колектор трябва да абсорбира колкото е възможно повече слънчева енергия, радиационният охладител трябва да остане възможно най-хладен“.
Прозрачен охлаждащ слой разделя горещото и студеното
„Решихме този проблем, като позволихме на слънчевата светлина първо да премине през прозрачния охлаждащ слой. Под него френелова леща концентрира светлината върху много по-малък слънчев колектор. Това държи горещия слънчев колектор физически отделен от охлаждащия слой“, обяснява Иван-Алберто Круз Гарсия от Института по микроструктурни технологии на KIT, докторант и първи автор на изследването.
Към многофункционални енергийни системи
Изследването надгражда върху предишната работа на екипа. През 2024 г. учените представиха прозрачен материал, който пасивно охлажда сгради, като същевременно пропуска дневна светлина. Стъпвайщи върху тази концепция, екипът вече е интегрирал радиационно охлаждане с компонент за събиране на слънчева енергия.
„Въз основа на тази работа ние комбинирахме радиационно охлаждане със събиране на слънчева енергия. Това трансформира една повърхност в многофункционална енергийна система“, казва Хуанг. Следващите стъпки включват подобряване на оптичния дизайн, управлението на температурата и слънчевите клетки.
За Хуанг изследването – проведено в сътрудничество с професор Шанхуей Фан от Станфордския университет, водещ експерт по PDRC – представлява промяна в гледната точка.
„Слънцето не е единственият енергиен ресурс в небето. Студенината на космоса е друг възобновяем ресурс. Ако се научим да събираме заедно както горещото слънце, така и студената вселена, можем да отключим ново поколение енергийни системи“, заключава той.
