پژوهشگران آلمانی سامانهای هیبریدی ساختهاند که با استفاده همزمان از نور خورشید و سرمای فضای بیرونی، از یک سطح واحد برق، گرما و سرما تولید میکند. نمونه آزمایشگاهی این فناوری توانسته است دمای سطح را ۶.۵ درجه پایینتر از محیط نگه دارد، ۶۰.۶ وات برق در هر مترمربع تولید کند و به دمای گرمایشی بیش از ۱۱۰ درجه سانتیگراد برسد.
به گزارش سیناپرس، پژوهشگران سامانهای هیبریدی توسعه دادهاند که با ترکیب فناوریهای فتوولتائیک، حرارتی خورشیدی و سرمایش تابشی، از یک سطح واحد، برق، گرما و سرما تولید میکند. این فناوری میتواند نیازهای انرژی ساختمانها و مراکز داده را بهطور همزمان تأمین کند.
ساختمانها برای تأمین نیازهای خود، معمولاً به چند فناوری جداگانه وابسته هستند: صفحات (پنلهای) خورشیدی برای تولید برق، کلکتورهای حرارتی (دستگاههایی که نور خورشید را به گرما تبدیل میکنند) برای تأمین گرما و سامانههای تهویه مطبوع برای سرمایش که خود مصرفکننده برق هستند. این تنوع، فضای محدود پشتبام و نماها را با چالش رقابت میان فناوریهای مختلف مواجه میکند.
حالا پژوهشگران مؤسسه فناوری کارلسروهه در آلمان، سامانهای هیبریدی طراحی کردهاند که هر سه نیاز را از یک سطح واحد تأمین میکند. این سامانه که ترکیبی از فناوریهای فتوولتائیک (تبدیل نور به برق)، حرارتی خورشیدی (جذب گرما از خورشید) و سرمایش تابشی غیرفعال در طول روز(PDRC) است، میتواند بهطور همزمان برق، گرما و سرما تولید کند.
چگونه یک سطح، سه کار را همزمان انجام میدهد؟
هسته اصلی این سامانه، یک گسیلنده شفاف است. گسیلنده به سطحی گفته میشود که گرما را بهصورت تابش به فضا میفرستد. این لایه از سیلیکا (نوعی ماده معدنی) با پوشش پلیمر سیلیکونی ساخته شده است و دو وظیفه دارد: اول اینکه نور خورشید را از خود عبور میدهد و دوم اینکه گرمای خود را بهصورت تابش فروسرخ از طریق پنجره جَوی به فضا میفرستد.
پنجره جَوی به محدوده طولموجی از تابش گفته میشود که جَو زمین در برابر آن شفاف است و گرما بهراحتی از آن عبور میکند و به فضای بیرونی میگریزد. بهاین ترتیب، این لایه بدون مصرف انرژی، خنک میشود.
در زیر این لایه شفاف، یک عدسی فرنل (نوعی عدسی که نور را متمرکز میکند) نور عبورکرده را جمعآوری و به روی یک کلکتور فتوولتائیکحرارتی کوچک هدایت میکند. این کلکتور، نور متمرکز را به برق و گرما تبدیل میکند. بهاین ترتیب، لایه بالایی (سرمایشتابشی) و لایه پایینی (تولید برق و گرما) از یکدیگر جدا میشوند و هر کدام عملکرد خود را بدون تداخل انجام میدهند.
آتش و یخ در یک سامانه
دکتر گان هوانگ (Gan Huang)، سرپرست گروه پژوهشی و رئیس آزمایشگاه فناوریهای خورشیدی هیبریدی در مؤسسه فناوری کارلسروهه، توضیح داد: ما نشان دادهایم که یک سامانه واحد میتواند همزمان از خورشیدِ داغ و فضایِ سرد بهرهبرداری کند. چالش بزرگ، ترکیب دو فرآیند متضاد بود؛ چرا که کلکتور خورشیدی باید تا حد ممکن انرژی خورشید را جذب کند، در حالی که خنککننده تابشی باید تا حد ممکن خنک بماند. ما این مشکل را با جداکردن فیزیکی این دو بخش حل کردیم.
عملکرد چشمگیر در آزمایشهای میدانی
در آزمایشهای بیرونی، نمونه اولیه این سامانه توانست بهطور همزمان به موارد زیر دست یابد:
- سرمایش تا ۶٫۵ درجه سانتیگراد پایینتر از دمای محیط؛
- تولید برق با توان ۶۰٫۶ وات بر مترمربع؛
- تولید گرما با دمای تا ۱۱۰٫۸ درجه سانتیگراد
این اعداد نشان میدهد که این سامانه میتواند در شرایط واقعی، عملکردی پذیرفتنی و مؤثر داشته باشد.
کاربردهای گسترده؛ از ساختمان تا مراکز داده
دکتر هوانگ تأکید کرد: چشمانداز ما این است که پشتبامها و نماها به سطوح انرژی فعال تبدیل شوند که همزمان برق، گرما و سرما تولید کنند. این مفهوم میتواند برای کاربردهای انرژیبر مانند مراکز داده هوش مصنوعی نیز جذاب باشد؛ زیرا این مراکز به توان پردازشی بالا و خنککاری مداوم نیاز دارند.
این فناوری برای مردم عادی نیز مزایای چشمگیری دارد. در مناطق گرمسیر، هزینههای سرمایش ساختمانها میتواند بهشدت کاهش یابد. همچنین برخلاف سامانههای معمولی که هر کدام فضای مجزایی روی پشتبام یا نما نیاز دارند، این سامانه از یک سطح واحد استفاده میکند و فضای بیشتری را برای سایر کاربردها آزاد میگذارد.
گامهای بعدی
این پژوهش بر اساس کار قبلی این گروه پژوهشی در سال ۲۰۲۴ میلادی انجام شده است که در آن، مادهای شفاف برای خنککاری غیرفعال ساختمانها معرفی شده بود. پژوهشگران اکنون قصد دارند طراحی نوری، مدیریت حرارتی و سلولهای خورشیدی این سامانه را بهبود بخشند.
لازم به ذکر است که این سامانه همچنان در مرحله نمونه آزمایشگاهی است و برای ورود به بازار و استفاده گسترده، نیاز به بهینهسازی و آزمایشهای بیشتر دارد.
به نقل از ایرنا، دکتر هوانگ، که این پژوهش را با همکاری پروفسور شانهوی فان (Shanhui Fan) متخصص برجسته حوزه سرمایش تابشی از دانشگاه استنفورد، انجام داده است، در پایان گفت: خورشید تنها منبع انرژی در آسمان نیست. سرمای فضای بیرونی نیز یک منبع انرژی تجدیدپذیر است. اگر بیاموزیم که هم از خورشید داغ و هم از فضای سرد بهرهبرداری کنیم، میتوانیم نسل جدیدی از سامانههای انرژی را شکل دهیم.
جزئیات این پژوهش در نشریه سِل ریپورتز فیزیکال سایِنس/ Cell Reports Physical Science منتشر شده است.