Умные окна с управляемым остеклением могут дополнить системы освещения, охлаждения и отопления, изменяя их оттенок, экономя до 40 процентов затрат на электроэнергию в среднем здании.
Эти умные окна требуют питания для работы, поэтому их относительно сложно установить в существующих зданиях. Но, применив новую технологию солнечных батарей, исследователи из Принстонского университета разработали умные окна другого типа: версию с автономным питанием, которая обещает быть недорогой и простой в применении к существующим окнам. В этой системе используются солнечные элементы, которые избирательно поглощают свет ближнего ультрафиолетового (ближнего ультрафиолетового) спектра, поэтому новые окна полностью автономны.
«Солнечный свет представляет собой смесь электромагнитного излучения, состоящего из ближнего ультрафиолетового излучения, видимого света и инфракрасной энергии, или тепла», - сказал Юэ-Лин (Линн) Лу, директор Эндлингерского центра энергетики и Окружающая среда и профессора инженерии Теодоры Д. '78 и Уильяма Х. Уолтона III '74. «Мы хотели, чтобы интеллектуальное окно динамически контролировало количество естественного света и тепла, которые могут проникать внутрь, экономя затраты на электроэнергию и делая пространство более комфортным».
Умное окно контролирует передачу видимого света и инфракрасного тепла в здание, в то время как новый тип солнечных батарей использует излучение, близкое к ультрафиолетовому, для питания системы.
«Эта новая технология на самом деле является разумным управлением всем спектром солнечного света», - сказал Лу, профессор химической и биологической инженерии. Лу - один из авторов статьи, опубликованной 30 июня, в которой описывается эта технология, разработанная в ее лаборатории.
Поскольку ближний ультрафиолет невидим для человеческого глаза, исследователи решили использовать его для получения электроэнергии, необходимой для активации технологии окрашивания.
«Использование ближнего ультрафиолетового света для питания этих окон означает, что солнечные элементы могут быть прозрачными и занимать ту же площадь окна, не конкурируя за один и тот же спектральный диапазон или накладывая эстетические и дизайнерские ограничения», - добавил Лу. «Обычные солнечные элементы из кремния черного цвета, потому что они поглощают весь видимый свет и некоторое количество инфракрасного тепла, поэтому они не подходят для этого приложения».
В статье, опубликованной в журнале Nature Energy, исследователи описали, как они использовали органические полупроводники - искаженные производные гексабензокоронена (cHBC) - для создания солнечных элементов. Исследователи выбрали этот материал, потому что его химическая структура может быть изменена для поглощения узкого диапазона длин волн - в данном случае ближнего ультрафиолетового света. Чтобы построить солнечный элемент, молекулы полупроводника осаждаются в виде тонких пленок на стекле с использованием тех же методов производства, которые используются производителями органических светодиодов. Когда солнечный элемент работает, солнечный свет возбуждает полупроводники cHBC для производства электричества.
В то же время исследователи сконструировали умное окно, состоящее из электрохромных полимеров, которые контролируют оттенок и могут работать исключительно за счет энергии, вырабатываемой солнечным элементом. Когда солнечный свет в ближнем ультрафиолетовом диапазоне генерирует электрический заряд в солнечном элементе, этот заряд вызывает реакцию в электрохромном окне, в результате чего его цвет меняется с прозрачного на темно-синий. В затемненном состоянии окно может блокировать более 80 процентов света.
Николас Дэви, докторант кафедры химической и биологической инженерии и ведущий автор статьи, сказал, что другие исследователи уже разработали прозрачные солнечные элементы, но они нацелены на инфракрасную энергию. Однако инфракрасная энергия переносит тепло, поэтому ее использование для выработки электроэнергии может конфликтовать с функцией умного окна по управлению потоком тепла в здание или из него. С другой стороны, прозрачные солнечные элементы ближнего ультрафиолета не производят столько энергии, сколько инфракрасная версия, но не препятствуют передаче инфракрасного излучения, поэтому они дополняют задачу умного окна.
Дэви сказал, что цель команды Принстона состоит в том, чтобы создать гибкую версию умной оконной системы на солнечной энергии, которую можно будет применять к существующим окнам с помощью ламинирования.
«Кто-то в своем доме или квартире может взять эти беспроводные умные ламинаты для окон, которые могут иметь липкую подложку, которая отслаивается, и установить их на внутреннюю часть своих окон», - сказал Дэви. «Тогда вы сможете управлять солнечным светом, проникающим в ваш дом, с помощью приложения на своем телефоне, тем самым мгновенно повышая энергоэффективность, комфорт и конфиденциальность».
Джозеф Берри, старший научный сотрудник Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, изучающий солнечные элементы, но не участвовавший в исследованиях, сказал, что исследовательский проект интересен тем, что устройство хорошо масштабируется и нацелено на определенную часть солнечного спектра..
«Интеграция солнечных элементов в умные окна делает их более привлекательными для модернизации, и вам не нужно иметь дело с электропроводкой», - сказал Берри. «И характеристики напряжения довольно хорошие. Напряжение, которое они смогли произвести, может напрямую управлять электронными устройствами, что довольно интересно с технологической точки зрения».
Дэви и Лу основали новую компанию под названием Andluca Technologies, основанную на технологии, описанной в документе, и уже изучают другие области применения прозрачных солнечных элементов. Они объяснили, что технология солнечных элементов, работающих в ближнем ультрафиолетовом диапазоне, также может питать датчики Интернета вещей и другие потребительские товары с низким энергопотреблением.
«Он не вырабатывает достаточно энергии для автомобиля, но может обеспечить вспомогательное питание для небольших устройств, например, вентилятора для охлаждения автомобиля, когда он припаркован под палящим солнцем», - сказал Лу.