Китайські вчені винайшли фотоелектричне вікно з контролем теплового потоку

Група вчених з Китаю розробила новий розумне фотоелектричне (SPV) вікно, який генерує електроенергію, калібруючи кількість сонячного випромінювання, що надходить у будівлю.

«У нашому дослідженні представлено спеціальне вікно та стратегію керування його роботою для одночасного підвищення енергоефективності будівлі та зручності роботи з мережею», — сказав автор-кореспондент Юйтонг Тан. «Результати дослідження показують, що вікно SPV зі стратегією контролю теплового потоку значно зменшує надмірне співвідношення денного світла до світла, пікове навантаження, середню добову різницю від піку до спаду та річне чисте споживання енергії порівняно зі звичайним низьким коефіцієнтом випромінювання. (Low-E) вікна».

Система поєднує кристалічні кремнієві комірки та електрохромні плівки. Пропонований фотохромний пристрій (PECD) поєднує фотоелектричну функцію, яка перетворює сонячне світло в енергію, та електрохромну (EC) функцію, яка змінює прозорість вікна та вимірює сонячне випромінювання, що потрапляє на будівлю.

Вікно складається з прозорого скляного покриття, функціонального шару, прозорої скляної підкладки, аргонової газової камери та листа низькоемісійного скла. Плівка ЄС розміщена між другою та третьою поверхнями скла, і покриття Low-E наноситься на п'яту поверхню. Зона ефективного денного освітлення була оснащена смужкою 3 мм тонкої з кристалічного кремнію з ефективністю 11,6%.

Дослідницька група пояснює: «ЕС-плівка розміщена між двома прозорими підкладками з п’ятьма шарами, включаючи два прозорі електроди, шар зберігання іонів, шар іонної провідності та електрохромний шар». Коли напруга не прикладалася, EC-плівка була в вибіленому стані з максимальним видимим пропусканням. Коли на мембрану EC подається напруга, іони літію з шару зберігання іонів спрямовуються до електрохромного шару, і триоксид вольфраму в електрохромному шарі починає забарвлюватися при зустрічі з іонами літію. Що вища прикладена напруга, то темніший колір електрохромної плівки, що призводить до нижчої швидкості пропускання видимого світла.

Конструкцію було побудовано в програмі Window, а потім експортовано в програмне забезпечення моделювання будівлі EnergyPlus. Розміри будівлі складають 50,0 метрів у довжину, 4,6 метрів у глибину та 2,7 метрів у висоту, а співвідношення вікон до стін становить 77%. Будинки були змодельовані в містах Фучжоу, Сямень, Гонконг і Хайкоу протягом сезону охолодження з травня по жовтень. Середньомісячні середньогодинні максимуми сонячної радіації становили 482 Вт/м2, 444 Вт/м2, 468 Вт/м2 і 534 Вт/м2 відповідно.

Для запропонованого розумного вікна було створено дві стратегії керування, тобто контроль сонячного випромінювання (CtrlRad) і контроль теплового потоку (CtrlFlux). У CtrlRad стан забарвлення змінюється відповідно до порогу падаючого сонячного випромінювання, тоді як у CtrlFlux стан забарвлення змінюється відповідно до щільності теплового потоку через вікно. Крім того, звичайне вікно Low-E імітується як еталон.

Аналіз науковців показав, що вікно SPV зі стратегією керування CtrlFlux змогло досягти зниження коефіцієнта надмірної інсоляції, пікового навантаження, середньодобової різниці між піком і низьким рівнем енергії та річного чистого споживання енергії з 81,6% до 93,1% , 49,3% до 54,5%, 54,7% до 65,8% і 49,1% до 69,2%, відповідно, порівняно з системою Low-E. У випадку стратегії керування CtrlRad зниження становило від 92,1% до 96,6%, від 50,9% до 57,3%, від 44,0% до 54,2% і від 44,0% до 54,2% відповідно, порівняно з системою Low-E.< p>

«Враховуючи ефективне використання денного світла, пікове навантаження, різницю між вершинами та чистим споживанням енергії, середнє загальне покращення продуктивності вікон SPV зі стратегіями контролю теплового потоку становить 55,5%», — підсумувала команда. Доктор Чен додав: «У майбутньому ми також досліджуватимемо, як створити в приміщенні денне освітлення та теплове середовище за допомогою розумних фотоелектричних вікон».

Про цю систему було опубліковано статтю «Оцінка енергоефективності та зручність використання електромережі розумних фотоелектричних вікон, що поєднують кристалічні кремнієві елементи та електрохромні тонкі плівки» в журналі Applied Energy. Дослідження проводили вчені з Університету Хунань у Китаї та Ключової лабораторії безпеки будівель та енергозбереження Міністерства освіти Китаю.