Scienziati cinesi inventano una finestra fotovoltaica con controllo del flusso di calore

Un gruppo di scienziati cinesi ha sviluppato un nuovo finestra fotovoltaica intelligente (SPV) che genera elettricità mentre calibra la quantità di radiazione solare che entra in un edificio.

"Il nostro studio presenta una finestra speciale e la sua strategia di controllo operativo per migliorare simultaneamente l'efficienza energetica dell'edificio e la compatibilità con la rete", ha affermato l'autore corrispondente Yutong Tan. "I risultati dello studio mostrano che la finestra SPV con una strategia di controllo del flusso di calore riduce significativamente il rapporto eccessivo luce diurna/luce, il carico di picco, la differenza media giornaliera picco-valle e il consumo energetico netto annuo rispetto alle finestre convenzionali a bassa emissività (Low-E)".

Il sistema combina celle di silicio cristallino e pellicole elettrocromiche. Il dispositivo fotocromico proposto (PECD) combina una funzione fotovoltaica, che converte la luce solare in energia, e una funzione elettrocromica (EC), che modifica la trasparenza della finestra e misura la radiazione solare che colpisce l'edificio.

La finestra è composta da una copertura in vetro trasparente, uno strato funzionale, un substrato in vetro trasparente, una camera a gas argon e una lastra di vetro Low-E. La pellicola EC è inserita tra la seconda e la terza superficie del vetro e il rivestimento Low-E è depositato sulla quinta superficie. L'area sotto la luce naturale effettiva è stata dotata di una striscia sottile di 3 mm di silicio cristallino con efficienza dell'11,6%.

Il team di ricerca spiega: "Il film EC è inserito tra due substrati trasparenti con cinque strati, tra cui due elettrodi trasparenti, uno strato di accumulo di ioni, uno strato di conduzione di ioni e uno strato elettrocromico". Quando non veniva applicata alcuna tensione, il film EC era in uno stato sbiancato con la massima trasmittanza visibile. Quando viene applicata tensione alla membrana EC, gli ioni di litio dallo strato di accumulo di ioni si precipitano verso lo strato elettrocromico e il triossido di tungsteno nello strato elettrocromico inizia a colorarsi quando incontra gli ioni di litio. Maggiore è la tensione applicata, più scuro è il colore del film elettrocromico, con conseguente riduzione della velocità di trasmissione della luce visibile.

La struttura è stata costruita in un programma Windows e poi esportata nel software di simulazione degli edifici EnergyPlus. Le dimensioni dell'edificio sono 50,0 metri di lunghezza, 4,6 metri di profondità e 2,7 metri di altezza, con un rapporto finestre-pareti del 77%. Gli edifici sono stati simulati nelle città di Fuzhou, Xiamen, Hong Kong e Haikou durante la stagione di raffreddamento da maggio a ottobre. I massimi di radiazione solare oraria media mensile erano rispettivamente 482 W/m2, 444 W/m2, 468 W/m2 e 534 W/m2.

Sono state create due strategie di controllo per la finestra intelligente proposta, ovvero il controllo della radiazione solare (CtrlRad) e il controllo del flusso di calore (CtrlFlux). In CtrlRad, lo stato di colorazione varia in base alla soglia di radiazione solare incidente, mentre in CtrlFlux, lo stato di colorazione varia in base alla densità del flusso di calore attraverso la finestra. Inoltre, viene simulata una normale finestra Low-E come riferimento.

L'analisi degli accademici ha mostrato che la finestra SPV con la strategia di controllo CtrlFlux è stata in grado di ottenere riduzioni nel rapporto di insolazione eccessiva, carico di picco, differenza media giornaliera picco-valle e consumo energetico netto annuo rispettivamente dall'81,6% al 93,1%, dal 49,3% al 54,5%, dal 54,7% al 65,8% e dal 49,1% al 69,2%, rispetto al sistema Low-E. Nel caso della strategia di controllo CtrlRad, le riduzioni sono state rispettivamente dal 92,1% al 96,6%, dal 50,9% al 57,3%, dal 44,0% al 54,2% e dal 44,0% al 54,2%, rispetto al sistema Low-E.

"Considerando l'efficace utilizzo della luce naturale, il carico di picco, la differenza tra picco e valle e il consumo energetico netto, il miglioramento medio delle prestazioni complessive delle finestre SPV con strategie di controllo del flusso di calore è del 55,5%", ha concluso il team. Il dott. Chen ha aggiunto: "In futuro, studieremo anche come creare ambienti interni con luce naturale e termica utilizzando finestre fotovoltaiche intelligenti".

Il sistema è stato pubblicato nell'articolo "Valutazione dell'efficienza energetica e della compatibilità con la rete di finestre fotovoltaiche intelligenti che combinano celle in silicio cristallino e film sottili elettrocromici" nella rivista Applied Energy. Lo studio è stato condotto da scienziati dell'Università di Hunan in Cina e dal Laboratorio chiave per la sicurezza degli edifici e la conservazione dell'energia del Ministero dell'istruzione cinese.