- 德國研究團隊開發的系統能同時降温、發電及供熱。
- 該系統利用透明發射器調和太陽能收集與輻射冷卻的矛盾。
- 原型在戶外測試中顯示出顯著的冷卻效果和電力密度。
- 未來屋頂和立面可成為活躍的能源表面，應用潛力巨大。
一個單一的屋頂表面剛剛證明它能夠同時為建築物降温、發電及供熱。德國的研究人員開發了這個系統，以解決一個熟悉的空間競爭問題。太陽能板、熱收集器及冷卻設備通常會爭奪同一個有限的屋頂空間。卡爾斯魯厄理工學院的黃幹教授領導的團隊開發了這個混合設備，將光伏技術及太陽能熱技術與被動日間輻射冷卻結合在一起。
系統設計的核心挑戰
黃教授表示，該系統能夠在單一設備中同時收集炎熱的陽光和寒冷的宇宙，將外太空視為一個未被充分利用的可再生冷卻來源。這項技術的核心挑戰在於調和兩個通常相互抵觸的過程。太陽能收集器需要吸收盡可能多的陽光，而輻射冷卻器則需要保持盡可能低的温度。團隊通過使用一種透明的發射器來解決這一矛盾，該發射器由硅基底材和矽聚合物塗層組成。這層材料允許陽光直接透過，同時也通過大氣窗口以紅外光輻射熱量。
這個狹窄的頻帶是地球大氣層允許熱輻射進入太空的主要通道，幾乎不受阻礙。在這個透明層的下方，法布里-佩羅透鏡將進入的陽光集中到一個緊湊的光伏-熱收集器上，從而同時產生電力和熱量。該研究的第一作者、博士研究生伊萬·阿爾貝託·克魯斯·加西亞表示，這種配置物理上將熱的太陽能收集器與上方的冷卻層分開。根據克魯斯·加西亞的説法，陽光首先透過冷卻層，然後透鏡將其聚焦到下面的較小收集器上。
這種分離確保每個組件都能獨立運作，而不會相互幹擾。
原型測試結果
在户外測試中，該原型提供了高達 11.7 華氏度（約 6.5 攝氏度）低於環境温度的冷卻效果。同時，它的電力密度達到每平方米 60.6 瓦特。該系統同時達到了高達 231 華氏度（約 110.8 攝氏度）的加熱温度。這個項目延續了黃教授團隊在 2024 年發表的研究。早期的工作介紹了一種可被動冷卻建築物的透明材料，同時仍能讓日光透過。這項最新工作在同一冷卻層中增加了太陽能收集，將單一表面轉變為團隊所稱的多功能能源系統。
未來應用潛力
黃教授表示，屋頂和立面最終可能成為活躍的能源表面，能夠同時提供電力、加熱和冷卻。他指出，人工智能數據中心是一個潛在的應用，因為它們同時需要強大的冷卻和電力供應，通常是全天候的。這項研究是與斯坦福大學的範善輝教授進行的，範教授是輻射冷卻技術的領軍專家。團隊的下一步包括完善系統的光學設計、熱管理和太陽能電池組件。該研究結果已發表在《Cell Reports Physical Science》期刊上。
這項技術對能源管理的影響
這項混合型太陽能板技術的開發，展示了如何有效整合不同的能源收集方式，以應對現代建築對能源效率的需求。隨著氣候變化的挑戰日益嚴峻，這種技術不僅能提升建築物的能源自給自足能力，還能減少對傳統能源的依賴。特別是在需要高效冷卻的應用場景，如數據中心，這項技術的潛力尤為顯著，未來可能成為推動可持續發展的重要一環。