پژوهشگران مؤسسه فناوری کارلسروهه (KIT) در آلمان یک سامانه خورشیدی هیبریدی توسعه دادهاند که میتواند از یک سطح واحد، بهصورت همزمان برق، گرما و سرمایش تولید کند.
این سامانه با ترکیب فناوری فتوولتائیک و سرمایش تابشی غیرفعال در طول روز (PDRC)، تلاش میکند از یک سطح خورشیدی بیشترین استفاده ممکن را داشته باشد. نمونه اولیه این سیستم در آزمایشهای فضای باز توانست دمای سطح را تا ۶.۵ درجه سانتیگراد پایینتر از دمای محیط کاهش دهد، به چگالی توان الکتریکی ۶۰.۶ وات بر مترمربع برسد و برای استفاده حرارتی، دمایی تا ۱۱۰.۸ درجه سانتیگراد ایجاد کند.
ایده اصلی سامانه خورشیدی هیبریدی
در ساختمانها، تولید برق، گرما و سرمایش معمولاً توسط تجهیزات جداگانه انجام میشود. پنلهای فتوولتائیک برای تولید برق، کلکتورهای خورشیدی حرارتی برای تولید گرما و سیستمهای تهویه مطبوع برای سرمایش مورد استفاده قرار میگیرند. پژوهشگران KIT به دنبال ترکیب این عملکردها در یک سامانه واحد بودهاند.
ایده این است که یک سطح بتواند همزمان انرژی خورشید را دریافت کند و در عین حال از سرمای فضا برای ایجاد سرمایش استفاده کند.
سرمایش تابشی چگونه انجام میشود؟
اساس بخش سرمایشی این سامانه، پدیدهای به نام سرمایش تابشی غیرفعال است. در این فرایند، سطح بهگونهای طراحی میشود که مقدار محدودی از تابش محیط را جذب کرده و در مقابل، گرمای خود را به شکل تابش فروسرخ به سمت فضا منتشر کند. به این ترتیب، سطح میتواند بدون مصرف برق خنک شود.
در نمونه توسعهیافته توسط KIT، این عملکرد با استفاده از یک لایه شفاف انجام میشود. این لایه از یک صفحه دیاکسید سیلیکون (SiO₂) تشکیل شده که با پلیمر سیلیکونی PDMS پوشانده شده است. این لایه باید دو کار را همزمان انجام دهد: نور خورشید را برای تولید انرژی عبور دهد و گرمای خود را به سمت فضا تابش کند.
این تابش حرارتی از طریق بخشی از طیف موسوم به پنجره اتمسفری انجام میشود؛ محدودهای از طول موج که در آن جو زمین شفافیت بیشتری نسبت به تابش حرارتی دارد.
چطور تولید برق و سرمایش با هم ترکیب شدهاند؟
ترکیب یک سطح گرم برای جذب انرژی خورشید و یک سطح سرد برای سرمایش تابشی، یکی از چالشهای اصلی این طراحی بوده است. برای تولید برق و گرما، کلکتور خورشیدی باید مقدار زیادی از انرژی خورشید را جذب کند. در مقابل، عملکرد بخش سرمایش تابشی زمانی بهتر است که این بخش تا حد امکان خنک باقی بماند.
پژوهشگران برای حل این مشکل، مسیر نور و اجزای گرم و سرد سامانه را از یکدیگر جدا کردهاند. نور خورشید ابتدا از لایه شفاف سرمایشی عبور میکند. سپس یک لنز فرنل (Fresnel Lens) که در زیر این لایه قرار دارد، نور را روی یک کلکتور خورشیدی-حرارتی کوچکتر متمرکز میکند. در نتیجه، کلکتور خورشیدی که انرژی خورشید را جذب کرده و گرم میشود، از لایهای که وظیفه سرمایش تابشی را بر عهده دارد جدا باقی میماند.
نتایج آزمایش نمونه اولیه
پژوهشگران عملکرد نمونه اولیه را در شرایط فضای باز بررسی کردند. این سامانه توانست:
دمای سرمایشی تا ۶.۵ درجه سانتیگراد پایینتر از دمای محیط ایجاد کند؛
به چگالی توان الکتریکی ۶۰.۶ وات بر مترمربع برسد؛
برای استفاده حرارتی، دمایی تا ۱۱۰.۸ درجه سانتیگراد ایجاد کند.
این نتایج نشان میدهد که میتوان سه عملکرد متفاوت را در یک سطح واحد ترکیب کرد: تولید برق، تولید گرما و سرمایش.
یک سطح، سه عملکرد انرژی
نکته مهم در این فناوری، تنها استفاده از سرمایش تابشی نیست؛ بلکه ترکیب آن با برداشت انرژی خورشیدی است.پژوهشگران KIT پیشتر در سال ۲۰۲۴ روی یک ماده شفاف کار کرده بودند که میتوانست ساختمانها را بهصورت غیرفعال خنک کند و در عین حال امکان عبور نور روز را فراهم کند.
در پژوهش جدید، قابلیت برداشت انرژی خورشیدی نیز به این مفهوم اضافه شده است. در نتیجه، یک سطح میتواند به یک سامانه چندمنظوره تبدیل شود که بهصورت همزمان برق، گرما و سرمایش فراهم میکند.
بامها و نماها به سطوح فعال انرژی تبدیل میشوند
یکی از اهداف آینده این فناوری، استفاده از چنین سامانههایی در بامها و نماهای ساختمانها است. در این دیدگاه، سطح ساختمان تنها یک پوشش برای محافظت از فضای داخلی نیست؛ بلکه میتواند به یک سطح فعال برای تولید و مدیریت انرژی تبدیل شود.
پژوهشگران همچنین به کاربرد احتمالی این فناوری در مراکز داده مبتنی بر هوش مصنوعی اشاره کردهاند؛ محیطهایی که به برق و سرمایش قابلتوجهی نیاز دارند.
فناوری هنوز در مرحله توسعه است
با وجود نتایج اولیه، سامانه توسعهیافته توسط KIT هنوز یک فناوری در مرحله تحقیق و توسعه است. گام بعدی پژوهشگران، بهینهسازی بخشهای مختلف سامانه از جمله هدایت نور، مدیریت حرارتی و سلولهای خورشیدی است. بنابراین، نتایج فعلی را باید بهعنوان عملکرد یک نمونه اولیه در نظر گرفت، نه یک راهکار تجاری آماده استفاده.
آینده سامانههای چندمنظوره خورشیدی
سامانه توسعهیافته توسط KIT نمونهای از حرکت فناوری خورشیدی به سمت سیستمهای چندمنظوره انرژی است. در این رویکرد، یک سطح بهجای انجام تنها یک وظیفه، میتواند بهطور همزمان برای تولید برق، تأمین گرما و سرمایش مورد استفاده قرار گیرد.
اگر این فناوری در مراحل بعدی توسعه و بهینهسازی شود، میتواند به ایده تبدیل بامها و نماهای ساختمان به سطوح چندمنظوره انرژی کمک کند؛ سطوحی که بهجای انجام یک وظیفه، همزمان در تولید برق، گرما و سرمایش نقش دارند.
منبع: