Учёные создали солнечную систему которая одновременно вырабатывает электричество тепло и охлаждает здания
Учёные из Германии разработали гибридную энергетическую систему, которая на одной поверхности одновременно вырабатывает электричество и тепло, а также охлаждает здание. Устройство объединяет фотоэлектрическую и солнечную тепловую технологии с пассивным радиационным охлаждением, позволяя использовать одну крышу вместо отдельных систем для каждого из этих процессов.
Разработкой руководил доктор Ган Хуан из Технологического института Карлсруэ. Основная проблема заключалась в том, что солнечный коллектор и система радиационного охлаждения предъявляют противоположные требования к поверхности. Коллектору необходимо поглощать как можно больше солнечного излучения, тогда как радиационному охладителю, наоборот, нужно оставаться холодным и отводить тепло в окружающее пространство.
Исследователи решили эту проблему с помощью прозрачного излучателя, изготовленного из кремниевой подложки с покрытием из силиконового полимера. Материал пропускает солнечный свет внутрь системы, одновременно излучая тепловую энергию в виде инфракрасного излучения через так называемое атмосферное окно. Это узкий диапазон длин волн, в котором земная атмосфера сравнительно хорошо пропускает тепловое излучение, позволяя ему уходить непосредственно в космос.
Под прозрачным охлаждающим слоем расположена линза Френеля, которая концентрирует проходящий солнечный свет на компактном фотоэлектрическом тепловом коллекторе. Он одновременно производит электричество и нагревает теплоноситель. Таким образом, горячая часть системы физически отделена от расположенного над ней охлаждающего слоя.
По словам первого автора исследования, докторанта Ивана Альберто Круса Гарсии, солнечный свет сначала проходит через охлаждающий слой, а затем линза направляет его на значительно меньший по площади коллектор. Благодаря такому разделению каждый элемент выполняет свою функцию, практически не мешая работе другого.
Во время испытаний прототип продемонстрировал сразу три результата. Система могла охлаждаться до 6,5 градуса Цельсия ниже температуры окружающего воздуха. Одновременно она обеспечивала удельную электрическую мощность до 60,6 ватта на квадратный метр. При работе теплового коллектора температура нагрева достигала 110,8 градуса Цельсия.
Новая разработка продолжает исследование команды Гана Хуана, опубликованное в 2024 году. В той работе учёные создали прозрачный материал, способный пассивно охлаждать здания, одновременно пропуская дневной свет. Теперь к этой технологии добавили сбор солнечной энергии, превратив одну поверхность в многофункциональную энергетическую систему.
По замыслу исследователей, в будущем подобные покрытия можно будет использовать на крышах и фасадах зданий, превратив их в активные энергетические поверхности, способные одновременно обеспечивать объект электричеством, теплом и охлаждением. Одним из потенциальных применений могут стать центры обработки данных с искусственным интеллектом, которым одновременно требуется большое количество электроэнергии и интенсивное охлаждение, причём зачастую круглосуточно.
В работе также участвовал профессор Стэнфордского университета Шаньхуэй Фань, специалист в области радиационного охлаждения. На следующем этапе исследователи планируют усовершенствовать оптическую конструкцию системы, управление тепловыми потоками и используемые солнечные элементы.
Исследование в журнале Cell Reports Physical Science.