創(chuàng)新

新型節(jié)能發(fā)電窗技術(shù)

可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能與透明發(fā)電

●創(chuàng)新點(diǎn)

近年來(lái)，全球建筑總面積大幅增長(zhǎng)，建筑能耗逐年攀升。根據(jù)國(guó)際能源署(IEA)統(tǒng)計(jì)，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(duì)全球二氧化碳排放的“貢獻(xiàn)率”接近40%。因此，利用建筑物實(shí)現(xiàn)節(jié)能甚至發(fā)電成為推動(dòng)城市綠色發(fā)展的重要舉措，對(duì)全面實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、達(dá)成碳中和遠(yuǎn)景目標(biāo)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(jìn)行節(jié)能和發(fā)電是對(duì)屋頂、墻面利用的一種有力補(bǔ)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(jià)。例如，超薄鈣鈦礦太陽(yáng)能電池效率可達(dá)13.6%，但平均可見光透射率只有7%。冷光太陽(yáng)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(dāng)前，多結(jié)太陽(yáng)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(wèn)題，如產(chǎn)生的紅外熱負(fù)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(wèn)題的限制。最近，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所的科學(xué)家與德國(guó)、英國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)選擇性吸收薄膜與熱電器件耦合，將太陽(yáng)熱能轉(zhuǎn)化為電能。

●方法和結(jié)果

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)開發(fā)出“光-熱-電轉(zhuǎn)換”演示系統(tǒng)，將具有波長(zhǎng)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(dá)88%的可見光透過(guò)率，同時(shí)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(yáng)熱被波長(zhǎng)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(lái)，在0.01 m2的陽(yáng)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(shí)現(xiàn)兩者的獨(dú)立調(diào)控。同時(shí)，由于波長(zhǎng)選擇性吸收薄膜將紫外光和近紅外光從太陽(yáng)光譜中去除，該技術(shù)可以減輕建筑物的冷負(fù)荷，兼具高效節(jié)能和透明發(fā)電等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)節(jié)能效果與低輻射玻璃相當(dāng)。

應(yīng)用前景

考慮到Cs0.33WO3/樹脂復(fù)合膜的諸多優(yōu)點(diǎn)以及熱電發(fā)電的固有優(yōu)點(diǎn)，“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(jī)制來(lái)收集太陽(yáng)能和現(xiàn)場(chǎng)發(fā)電，幫助建筑實(shí)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.