Modyfikacje w instalacjach fotowoltaicznych, które nie wpłyną na obniżenie ich wydajności a mogą przynieść dodatkowe oszczędności stały się kierunkiem badania naukowców z Uniwersytetu w Pensylvanii. Zespół naukowców opracował i przetestował system łączący ultracienki materiał, który działa jak „chłodnica radiacyjna”, z panelami słonecznymi. Jak wskazują badania podwójne moduły pobierające energię zarówno ze słońca, jak i przestrzeni kosmicznej pozwalają zaoszczędzić 30 % energii elektrycznej, wykorzystywanej na potrzeby budynku, w stosunku do systemu składających się z samych paneli słonecznych.

„Zimny wszechświat” jako nowe źródło odnawialne

Wszystkie obiekty na Ziemi emitują energię cieplną w postaci światła podczerwonego. Zjawisko chłodzenia radiacyjnego polega na natychmiastowym wysyłaniu światła podczerwonego bezpośrednio w przestrzeń kosmiczną, bez podgrzewania otaczającego powietrza. Przestrzeń kosmiczna w której temperatury oscylują wokół minus 180 stopni a nawet minus 260 stopni Celsjusza bywa określana jako „zimny wszechświat”. Następuje obniżanie temperatury danego ciała poniżej temperatury otaczającego go powietrza na skutek intensywnego wypromieniowania ciepła do chłodniejszego nieboskłonu (atmosfery). Najintensywniejsze chłodzenie radiacyjne występuje w nocy w warunkach bezchmurnego nieba, ponieważ do płaszczyzny poziomej dociera najmniejsze promieniowanie długofalowe atmosfery stanowiące rekompensatę dla wypromieniowania ciepła przez tę płaszczyznę.

Innymi słowy energia cieplna jest generowana poprzez chłodzenie radiacyjne. Na przykład ludzkie ciało świeci na pomarańczowo lub czerwono, wskazując wyższą temperaturę, podczas gdy okno w zimny dzień świeci na niebiesko, wskazując niższą temperaturę. Termiczne promieniowanie podczerwone, znane również jako promieniowanie ciała doskonale czarnego, to energia wydzielana przez ludzi i przedmioty podczas schładzania. 

Metoda chłodzenia o zerowej emisji dwutlenku węgla

Linxiao Zhu, kierownik zespołu badawczego Penn State Sustainability Institute stworzył ultracienki materiał, który działa jak „chłodnica radiacyjna” i może pośrednio obniżyć temperaturę w budynkach. Zastosowano rodzaj wysoce przezroczystego szkła, które pochłania jedynie 0,9% światła słonecznego. Pod chłodnicą radiacyjną badacze umieścili panel słoneczny, dzięki czemu w ciągu dnia światło słoneczne przechodzi przez przezroczystą chłodnicę i jest absorbowane przez ogniwo słoneczne w celu wytworzenia energii elektrycznej. 

zdj. Pennsylvania State University 

Zatem system pozyskuje energię słoneczną, a także przechwytuje chłodzącą energię cieplną, która może obniżyć temperaturę powietrza lub cieczy. Zimno wytwarzane w wyniku chłodzenia radiacyjnego może być przenoszone przez mechanizm fizyczny w celu zmniejszenia zużycia energii elektrycznej m.in. do zasilania systemu klimatyzacji. Wentylator lub pompa może następnie napędzać powietrze lub ciecz, aby pomóc schłodzić budynek lub inny obiekt, oszczędzając energię elektryczną, która w przeciwnym razie musiałaby zostać zużyta na ten cel z innego źródła wytwarzającego energię.

Testy na panalech pokrytych "szklanymi chłodnicami radiacyjnymi" były przeprowadzane zarówno w ciągu dnia jak i nocy, w obu warunkach "chłodnice" działały jak naturalny klimatyzator działający całą dobę. Nawet w upalny dzień chłodnica radiacyjna była zimna w dotyku, jej temperatura spadła o 5,1°C poniżej temperatury otoczenia, podczas gdy energia słoneczna była jednocześnie przechwytywana przez znajdujący się pod nią moduł słoneczny. Eksperyment pokazał, że korzyści z chłodzenie radiacyjnego i wytwarzanie energii fotowoltaicznej można osiągnąć jednocześnie i z tego samego obszaru.

Szczegółowy przebieg badania w artykule: Simultaneous subambient daytime radiative cooling and photovoltaic power generation from the same area

Źródło:

www.cell.com/cell-reports-physical-science

Zdjęcie: Canva