中国の科学者が熱流制御機能を備えた太陽光発電窓を発明

中国の科学者グループが新しいを開発した。スマート太陽光発電（SPV）ウィンドウ建物に入る太陽放射の量を調整しながら発電します。

「私たちの研究では、建物のエネルギー効率とグリッドへの親和性を同時に向上させるための特殊用途の窓とその操作制御戦略を提示しています」と、責任著者の Yutong Tan 氏は述べています。「研究の結果、熱流制御戦略を備えた SPV 窓は、従来の低放射率 (Low-E) 窓と比較して、過剰な昼光比、ピーク負荷、平均日差、年間正味エネルギー消費を大幅に削減することがわかりました。」

このシステムは、結晶シリコンセルとエレクトロクロミックフィルムを組み合わせたものです。提案されているフォトクロミックデバイス (PECD) は、太陽光をエネルギーに変換する光起電機能と、窓の透明度を変えて建物に当たる太陽放射を測定するエレクトロクロミック (EC) 機能を組み合わせたものです。

この窓は、透明ガラスカバー、機能層、透明ガラス基板、アルゴンガスチャンバー、Low-Eガラスシートで構成されています。ECフィルムはガラスの2番目と3番目の表面の間に挟まれ、Low-Eコーティングは5番目の表面に施さ​​れています。有効日光が当たる領域には、効率11.6%の結晶シリコンの3mm薄ストリップが装備されています。

研究チームは、「ECフィルムは2枚の透明基板に挟まれており、2つの透明電極、イオン貯蔵層、イオン伝導層、エレクトロクロミック層の5層で構成されています」と説明しています。電圧がかかっていない場合、ECフィルムは最大の可視光透過率で漂白された状態です。EC膜に電圧がかかると、イオン貯蔵層のリチウムイオンがエレクトロクロミック層に流れ込み、エレクトロクロミック層の三酸化タングステンがリチウムイオンに遭遇して発色し始めます。印加電圧が高いほど、エレクトロクロミックフィルムの色が濃くなり、可視光透過率が低下します。

この構造は Window プログラムで構築され、その後、建物シミュレーション ソフトウェア EnergyPlus にエクスポートされました。建物の寸法は、長さ 50.0 メートル、奥行き 4.6 メートル、高さ 2.7 メートルで、窓と壁の比率は 77% です。建物は、5 月から 10 月の冷房シーズン中に福州、厦門、香港、海口の各都市でシミュレーションされました。月平均の 1 時間あたりの太陽放射最大値は、それぞれ 482 W/m2、444 W/m2、468 W/m2、534 W/m2 でした。

提案されたスマート ウィンドウには、太陽放射制御 (CtrlRad) と熱流制御 (CtrlFlux) という 2 つの制御戦略が作成されました。CtrlRad では、入射太陽放射しきい値に応じて着色状態が変化しますが、CtrlFlux では、窓を通過する熱流の密度に応じて着色状態が変化します。さらに、通常の Low-E ウィンドウが参照としてシミュレートされます。

研究者の分析によると、CtrlFlux 制御戦略を採用した SPV ウィンドウは、Low-E システムと比較して、過剰日射率、ピーク負荷、平均日差、年間正味エネルギー消費量をそれぞれ 81.6% から 93.1%、49.3% から 54.5%、54.7% から 65.8%、49.1% から 69.2% 削減できました。CtrlRad 制御戦略の場合、Low-E システムと比較して、削減率はそれぞれ 92.1% から 96.6%、50.9% から 57.3%、44.0% から 54.2%、44.0% から 54.2% でした。

「有効な日光利用率、ピーク負荷、ピークと谷の差、および正味エネルギー消費を考慮すると、熱流制御戦略を採用した SPV ウィンドウの全体的なパフォーマンスの平均向上率は 55.5% です」とチームは結論付けました。陳博士は、「今後は、スマート PV ウィンドウを使用して屋内の日光と熱環境を作り出す方法についても調査する予定です」と付け加えました。

このシステムは、Applied energy誌の「結晶シリコンセルとエレクトロクロミック薄膜を組み合わせたスマート太陽光発電窓のエネルギー効率とグリッド親和性の評価」という記事に掲載されました。この研究は、中国の湖南大学と中国教育部の建築安全と省エネ重点実験室の科学者によって実施されました。