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上海硅酸鹽所在節能發電窗領域取得新進展
發布時間:2021-07-12

  近年來,全球建筑總面積大幅增長,建筑能耗逐年上升。據國際能源署 (IEA) 統計,建筑及其相關能耗已占全球總能耗的三分之一以上,建筑用能對全球二氧化碳排放的“貢獻率”接近40%。因此,利用建筑物實現節能甚至發電,成為推動城市綠色發展的關鍵之一,對全面實現節能減排目標具有重要意義。

  窗戶作為建筑物與外界環境最主要的熱交換通道,占據建筑物流入/流失能量的50%,利用窗戶進行節能和發電是對屋頂、墻面利用的一種有力補充?,F有發電窗技術主要是將透明光伏電池與建筑玻璃相結合,但提高發電效率往往以犧牲窗戶透明度為代價。例如,超薄鈣鈦礦太陽能電池可以獲得13.6%的高效率,但平均可見光透射率只有7%;冷光太陽能集中器呈現出88%的高透射率,但發電效率卻低于0.5%。當前,多結太陽能電池有望成為保障透明度和提高發電效率的最佳組合,但也存在產生的紅外熱負荷可能導致器件可靠性降低、使用壽命短的問題。此外,透明光伏電池還受到諸如光損失、電損失、空氣敏感性等問題的限制。

  近日,中國科學院上海硅酸鹽研究所柏勝強正高級工程師、陳立東研究員團隊和曹遜研究員、金平實研究員團隊,與德國萊布尼茲固態與材料研究所Kornelius Nielsch教授團隊、英國考文垂大學方躍平教授、德國比勒費爾德大學Gabi Schierning教授合作,提出了基于光-熱-電轉換的節能發電窗技術,采用波長選擇性吸收薄膜與熱電器件耦合,將太陽熱轉化為電能。相關工作結果以“Transparent Power-Generating Windows Based on Solar-Thermal-Electric Conversion”為題發表在Advanced Energy Materials, 2021,  2101213上。

  研究團隊設計開發了光-熱-電轉換演示系統,將具有波長選擇性吸收的薄膜集成在透明玻璃上,該薄膜允許可見光通過(透過率最高達88%),同時可以強烈吸收紫外線和紅外線,并將其轉化為熱能。太陽熱被波長選擇性吸收薄膜收集,定向傳導至分布于玻璃邊緣區域的熱電器件,并被其轉換成電能。該系統將能量轉換效率與窗戶的光學透明度解耦,實現兩者的獨立調控。同時,由于紅外線被吸收,可以減輕建筑物的冷負荷,兼具高效節能和透明發電優點,系統節能效果與Low-E玻璃相當。該系統能夠在環境溫度下運行,可靠性高、壽命長,且結構簡單、易安裝,可應用于建筑玻璃、高鐵/汽車窗戶等領域。

  上海硅酸鹽所張騏昊博士、黃愛彬博士為論文共同第一作者,相關工作獲得國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院基礎前沿科學研究計劃等項目的資助和支持。

  相關鏈接:

  https://doi.org/10.1002/aenm.202101213

基于光-熱-電轉換的節能發電窗技術示意圖與演示系統

光-熱-電發電窗的發電性能

光-熱-電發電窗的節能效果與其他技術對比

 
 
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