Один дах може одночасно виробляти електрику, тепло й холод: випробувано гібридну енергосистему
Сонячний дах зазвичай асоціюється з одним завданням — виробленням електроенергії. Дослідники Karlsruhe Institute of Technology запропонували іншу модель: одна поверхня може одночасно збирати сонячну енергію, виробляти тепло і відводити частину теплового випромінювання в небо, створюючи охолодження. Під час зовнішнього експерименту всі три процеси відбувалися одночасно.
Система поєднує фотоелектричний і тепловий сонячний колектор із пасивним денним радіаційним охолодженням. Останній принцип використовує так зване атмосферне вікно — діапазон інфрачервоних довжин хвиль, у якому атмосфера відносно добре пропускає теплове випромінювання. Правильно спроєктована поверхня може випромінювати тепло через це «вікно» у напрямку холодного космічного простору.
Як поєднати гаряче й холодне на одній поверхні
Головна інженерна суперечність очевидна. Сонячний колектор повинен поглинати якомога більше енергії й нагріватися, тоді як радіаційний охолоджувач має залишатися холодним і максимально ефективно віддавати тепло. Якщо просто накласти одну функцію на іншу, вони почнуть заважати одна одній.
Команда використала прозорий випромінювальний шар на основі кремнеземної підкладки з полімерним покриттям. Він пропускає значну частину сонячного світла вниз, але водночас випромінює інфрачервоне тепло в атмосферне вікно. Під ним розташована лінза Френеля, яка концентрує промені на значно меншому фотоелектрично-тепловому приймачі. Така геометрія фізично розділяє холодну поверхню та гарячу зону збору сонячної енергії.
На відкритому повітрі прототип продемонстрував охолодження до 6,5 градуса Цельсія нижче температури навколишнього середовища. Одночасно електрична потужність сягала 60,6 ват на квадратний метр, а теплова частина нагрівалася до 110,8 градуса Цельсія. Ці величини були отримані в експериментальній установці й не означають, що готовий дах будинку автоматично матиме такі самі характеристики в будь-якому кліматі.
Навіщо будівлі одразу три функції
У містах площа дахів та фасадів обмежена, тому конкуренція між сонячними панелями, вентиляційним обладнанням і системами охолодження стає дедалі помітнішою. Мультифункціональна поверхня могла б використовувати один і той самий простір ефективніше. Електрика потрібна будівлі протягом дня, тепло можна застосовувати для гарячої води або технологічних процесів, а охолодження — для зниження температурного навантаження.
Окремий потенційний напрямок — дата-центри та інфраструктура штучного інтелекту, де одночасно потрібні великі обсяги електроенергії та відведення тепла. Навіть часткове пасивне охолодження може зменшувати навантаження на компресорні системи, хоча для реального застосування необхідні інженерні розрахунки для конкретної будівлі й клімату.
Наступними кроками дослідники називають удосконалення оптичної схеми, теплового менеджменту та сонячних елементів. Нинішній прототип насамперед показує принцип: сонячне випромінювання і здатність поверхні віддавати тепло в холодне небо можна не протиставляти, а використовувати одночасно в одній енергетичній архітектурі.
