新型節(jié)能發(fā)電窗技術(shù)

可同時實現(xiàn)高效節(jié)能與透明發(fā)電

●創(chuàng)新點

近年來，全球建筑總面積大幅增長，建筑能耗逐年攀升。根據(jù)國際能源署(IEA)統(tǒng)計，建筑及其相關(guān)能耗已占全球總能耗的1/3 以上，建筑用能對全球二氧化碳排放的“貢獻率”接近40%。因此，利用建筑物實現(xiàn)節(jié)能甚至發(fā)電成為推動城市綠色發(fā)展的重要舉措，對全面實現(xiàn)節(jié)能減排、達成碳中和遠景目標具有重要意義。窗戶作為建筑物與外界環(huán)境最主要的熱交換通道，占據(jù)建筑物流入/ 流失能量的50%，利用窗戶進行節(jié)能和發(fā)電是對屋頂、墻面利用的一種有力補充?，F(xiàn)有發(fā)電窗技術(shù)主要是將透明光伏電池與建筑玻璃相結(jié)合，但提高發(fā)電效率往往以犧牲窗戶透明度為代價。例如，超薄鈣鈦礦太陽能電池效率可達13.6%，但平均可見光透射率只有7%。冷光太陽能集中器呈現(xiàn)出88%的高透射率，發(fā)電效率卻低于0.5%。當前，多結(jié)太陽能電池有望成為保障透明度和提高發(fā)電效率的最佳選擇，但也存在一系列問題，如產(chǎn)生的紅外熱負荷可能導(dǎo)致器件可靠性降低、使用壽命變短等。此外，透明光伏電池還受到諸如光損失、電損失、空氣敏感性等問題的限制。最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的科學(xué)家與德國、英國的研究團隊合作提出了一種基于“光-熱-電轉(zhuǎn)換”的節(jié)能發(fā)電窗技術(shù)，采用波長選擇性吸收薄膜與熱電器件耦合，將太陽熱能轉(zhuǎn)化為電能。

●方法和結(jié)果

研究團隊設(shè)計開發(fā)出“光-熱-電轉(zhuǎn)換”演示系統(tǒng)，將具有波長選擇性吸收的薄膜集成在透明玻璃上，該薄膜由Cs0.33WO3和樹脂組成，具有高達88%的可見光透過率，同時可以選擇性地吸收紫外光和紅外光，從而在不犧牲窗戶透明度的前提下將吸收的光轉(zhuǎn)化為熱。太陽熱被波長選擇性吸收薄膜收集，定向傳導(dǎo)至分布于玻璃邊緣區(qū)域的熱電器件，并被其轉(zhuǎn)換成電能。該系統(tǒng)將薄膜與熱電發(fā)電耦合起來，在0.01 m2的陽光照射下可產(chǎn)生大約4 V 的輸出電壓。研究表明，該節(jié)能發(fā)電窗技術(shù)可以利用光熱和熱電效應(yīng)，真正做到將能量轉(zhuǎn)換效率與窗戶的光學(xué)透明度解耦，實現(xiàn)兩者的獨立調(diào)控。同時，由于波長選擇性吸收薄膜將紫外光和近紅外光從太陽光譜中去除，該技術(shù)可以減輕建筑物的冷負荷，兼具高效節(jié)能和透明發(fā)電等優(yōu)點，系統(tǒng)節(jié)能效果與低輻射玻璃相當。

應(yīng)用前景

考慮到Cs0.33WO3/樹脂復(fù)合膜的諸多優(yōu)點以及熱電發(fā)電的固有優(yōu)點，“光-熱-電轉(zhuǎn)換”節(jié)能發(fā)電窗技術(shù)在各類建筑窗戶上具有很大的應(yīng)用潛力。它能夠提供與透明光伏技術(shù)不同的工作機制來收集太陽能和現(xiàn)場發(fā)電，幫助建筑實現(xiàn)凈零能耗。

Source:ZHANGQH,HUANGAB,AIX,et al. Transparent Power-Generating Windows Basedon Solar-Thermal-Electric Conversion [J].Advanced Energy Materials, 2021, 2101213.