Дослідники Інституту мікроструктурних технологій KIT під керівництвом доктора Ган Хуанга розробили інноваційний пристрій, який водночас охолоджує приміщення, генерує електроенергію та виробляє тепло — три функції, що раніше вимагали окремих технологій.
Традиційний підхід до енергозабезпечення будівель передбачає використання фотоелектричних панелей для електроенергії, сонячних теплових колекторів для опалення та систем кондиціонування для охолодження. Така система не тільки займає багато місця на дахах та фасадах, але й створює конкуренцію за вільні площі, заразом споживаючи значні обсяги енергії на охолодження.
Як працює гібридна PDRC-сонячна система
Нова гібридна система поєднує три технології в одному пристрої: фотоелектричні модулі, сонячні теплові колектори та пасивне денне радіаційне охолодження (PDRC). За словами розробників, такий формат може застосовуватися скрізь, де одночасно потрібні охолодження й генерація електрики — від житлових будинків до високоенергомістких центрів обробки даних для штучного інтелекту.
«Наша концепція передбачає, що дахи та фасади трансформуються в активні енергетичні поверхні, які одночасно постачають електроенергію, забезпечують опалення та охолодження. Це особливо актуально для ЦОД, яким необхідне інтенсивне електропостачання та безперервне охолодження», — пояснює керівник дослідження доктор Хуанг.
Технічне рішення та результати випробувань
В основі системи функціонує напівпрозорий випромінювач із кремнієвої підкладки, вкритої силіконовим полімером полідиметилсилоксаном (ПДМС). Цей матеріал пропускає сонячне світло, одночасно виводячи тепло у вигляді інфрачервоного випромінення через атмосферне вікно — спеціальний діапазон довжин хвиль, в якому земна атмосфера максимально прозора.
Під прозорим шаром лінза Френеля концентрує сонячне світло на компактному фотоелектричному тепловому колекторі. Під час польових випробувань прототип продемонстрував:
- охолодження до 6,5°C нижче температури навколишнього середовища
- питому електричну потужність 60,6 Вт/м²
- температуру нагріву до 110,8°C
Найвідповідальнішим етапом розроблення стало об’єднання двох діаметрально протилежних процесів: охолодження та нагрів. Сонячний колектор має поглинати максимум сонячної енергії, тоді як охолоджувач повинен залишатися якомога холоднішим. Першому автору дослідження Івану Альберто Крусу Гарсії й його команді вдалось розв’язати цю проблему, дозволивши світлу спочатку проходити крізь прозорий охолоджуючий шар, а потім зосереджуватись лінзою на меншому колекторі. Цей підхід фізично розділяє гаряче й холодне області системи.
Розвиток технології та майбутні перспективи
Дослідження спирається на попередні напрацювання команди, яка у 2024 році представила прозорий матеріал для пасивного охолодження будівель. Об’єднавши радіаційне охолодження з компонентом для збору сонячної енергії, науковці перетворили звичайну будівельну поверхню в багатофункціональну енергетичну систему.
На наступних етапах розроблювачі планують оптимізувати оптичну конструкцію, системи керування тепловим режимом та параметри самих накопичувачів енергії.
Результати дослідження опубліковані в журналі Cell Reports Physical Science.
