Китайские ученые изобрели фотоэлектрическое окно с контролем теплового потока

Группа ученых из Китая разработала новый умное фотоэлектрическое (SPV) окно который генерирует электроэнергию, одновременно калибруя количество солнечного излучения, попадающего в здание.

«В нашем исследовании представлено специальное окно и стратегия управления его работой для одновременного повышения энергоэффективности здания и удобства подключения к сети», — сказал автор-корреспондент Ютун Тан. «Результаты исследования показывают, что окно SPV со стратегией управления тепловым потоком значительно снижает избыточное отношение дневного света к освещению, пиковую нагрузку, среднесуточную разницу пика к впадине и годовое чистое потребление энергии по сравнению с обычными окнами с низкой излучательной способностью (Low-E)».

Система объединяет кристаллические кремниевые ячейки и электрохромные пленки. Предлагаемое фотохромное устройство (PECD) объединяет фотоэлектрическую функцию, которая преобразует солнечный свет в энергию, и электрохромную (EC) функцию, которая изменяет прозрачность окна и измеряет солнечное излучение, попадающее на здание.

Окно состоит из прозрачного стеклянного покрытия, функционального слоя, прозрачной стеклянной подложки, камеры с аргоном и листа низкоэмиссионного стекла. EC-пленка зажата между второй и третьей поверхностями стекла, а низкоэмиссионное покрытие нанесено на пятую поверхность. Область под эффективным дневным светом была оснащена полоской толщиной 3 мм из 11,6% эффективного кристаллического кремния.

Исследовательская группа объясняет: «Пленка EC зажата между двумя прозрачными подложками с пятью слоями, включая два прозрачных электрода, слой хранения ионов, слой ионной проводимости и электрохромный слой». Когда напряжение не подавалось, пленка EC находилась в обесцвеченном состоянии с максимальной видимой пропускаемостью. Когда напряжение подается на мембрану EC, ионы лития из слоя хранения ионов устремляются в электрохромный слой, и триоксид вольфрама в электрохромном слое начинает окрашиваться при столкновении с ионами лития. Чем выше подаваемое напряжение, тем темнее цвет электрохромной пленки, что приводит к снижению скорости пропускания видимого света.

Структура была построена в программе Window, а затем экспортирована в программное обеспечение для моделирования зданий EnergyPlus. Размеры здания составляют 50,0 метров в длину, 4,6 метра в глубину и 2,7 метра в высоту, с соотношением окон к стенам 77%. Здания были смоделированы в городах Фучжоу, Сямынь, Гонконг и Хайкоу в течение сезона охлаждения с мая по октябрь. Среднемесячные часовые максимумы солнечного излучения составили 482 Вт/м2, 444 Вт/м2, 468 Вт/м2 и 534 Вт/м2 соответственно.

Для предлагаемого интеллектуального окна были созданы две стратегии управления, а именно управление солнечным излучением (CtrlRad) и управление тепловым потоком (CtrlFlux). В CtrlRad состояние окраски меняется в зависимости от порога падающего солнечного излучения, тогда как в CtrlFlux состояние окраски меняется в зависимости от плотности теплового потока через окно. Кроме того, в качестве эталона моделируется обычное окно Low-E.

Анализ ученых показал, что окно SPV со стратегией управления CtrlFlux смогло достичь снижения избыточного коэффициента инсоляции, пиковой нагрузки, среднесуточной разницы пика и долины и годового чистого потребления энергии на 81,6% до 93,1%, 49,3% до 54,5%, 54,7% до 65,8% и 49,1% до 69,2% соответственно по сравнению с системой Low-E. В случае стратегии управления CtrlRad снижение составило от 92,1% до 96,6%, 50,9% до 57,3%, 44,0% до 54,2% и 44,0% до 54,2% соответственно по сравнению с системой Low-E.

«Учитывая эффективное использование дневного света, пиковую нагрузку, разницу пика и впадины и чистое потребление энергии, среднее общее улучшение производительности окон SPV со стратегиями управления тепловым потоком составляет 55,5%», — заключила команда. Доктор Чен добавил: «В будущем мы также изучим, как создать внутреннюю среду дневного света и тепла с помощью умных окон PV».

Система была опубликована в статье «Оценка энергоэффективности и сетевой дружественности интеллектуальных фотоэлектрических окон, объединяющих кристаллические кремниевые ячейки и электрохромные тонкие пленки» в журнале Applied energy. Исследование было проведено учеными из Университета Хунань в Китае и Ключевой лаборатории безопасности зданий и энергосбережения Министерства образования Китая.