Ученые из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США сообщают о прорыве в разработке термохромного окна нового поколения, которое не только снижает потребность в кондиционировании воздуха, но и одновременно вырабатывает электроэнергию.
Тепло, выделяемое солнечным светом, проникающим через окна, является самым большим фактором, влияющим на потребность в кондиционировании воздуха и охлаждении в зданиях. Поскольку жилые и коммерческие здания потребляют 74% всей электроэнергии и 39% всей энергии в Соединенных Штатах, эффект затенения от тонировки окон помогает зданиям потреблять меньше энергии.
Технология, называемая «термохромная фотоэлектрическая», позволяет окну менять цвет, чтобы блокировать блики и уменьшать нежелательный солнечный нагрев, когда стекло нагревается в жаркий солнечный день. Это изменение цвета также приводит к формированию функционирующего солнечного элемента, который генерирует бортовую энергию. Термохромные фотоэлектрические окна могут помочь зданиям превратиться в генераторы энергии, увеличивая их вклад в более широкие потребности энергосистемы. Новейший прорыв теперь позволяет использовать множество цветов и более широкий диапазон температур, которые управляют переключением цвета. Это повышает гибкость проектирования для повышения энергоэффективности, а также контроля над эстетикой здания, что очень желательно как для архитекторов, так и для конечных пользователей.
Исследование основано на более ранней работе NREL по термохромному окну, которое темнело, когда солнце нагревало его поверхность. Когда окно из прозрачного превратилось в тонированное, перовскиты, встроенные в материал, стали генерировать электричество. Перовскиты представляют собой кристаллическую структуру, демонстрирующую замечательную эффективность использования солнечного света.
«Прототип окна с использованием этой технологии может быть разработан в течение года», - сказал Брайан Росалес, научный сотрудник NREL и ведущий автор статьи «Обратимый многоцветный хромизм в слоистых формамидиниевых металлогалогенидных перовскитах». в журнале Nature Communications. Его соавторами из NREL являются Лэнс Уиллер, разработавший первое термохромное фотогальваническое окно, Тейлор Аллен, Дэвид Мур, Кевин Принс, Гарри Рамблс и Лаура Шелхас. Другими авторами являются Лаура Мундт из Национальной ускорительной лаборатории SLAC и Колин Уолден из Колорадской горной школы.
Солнечное окно первого поколения могло переключаться между прозрачным и красновато-коричневым цветом, требуя температуры от 150 до 175 градусов по Фаренгейту, чтобы вызвать преобразование. Последняя итерация предлагает широкий выбор цветов и работает при температуре от 95 до 115 градусов по Фаренгейту, температуре стекла, которую легко достичь в жаркий день.
Используя другой химический состав и материалы, исследователи также смогли быстро ускорить преобразование цвета. Время было сокращено примерно до семи секунд по сравнению с тремя минутами, которые потребовались во время проверки концепции термохромного фотоэлектрического окна, продемонстрированного в 2017 году.
Ученые поместили тонкую перовскитовую пленку между двумя слоями стекла и ввели пар. Пар запускает реакцию, в результате которой перовскит принимает различные формы, от цепочки до листа и куба. Цвета появляются вместе с изменяющимися формами. Понижение влажности возвращает перовскиту его нормальное прозрачное состояние.