中国科学家发明可控制热流的光伏窗

中国一组科学家开发出了一种新的智能光伏（SPV）窗 它可以在产生电力的同时校准进入建筑物的太阳辐射量。

“我们的研究提出了一种特殊用途的窗户及其运行控制策略，以同时提高建筑能源效率和电网友好性，”通讯作者谭雨桐说。“研究结果表明，与传统的低辐射 (Low-E) 窗户相比，采用热流控制策略的 SPV 窗户可显著降低过高的日照与光照比、峰值负荷、日均峰谷差和年净能耗。”

该系统结合了晶体硅电池和电致变色薄膜。所提出的光致变色装置 (PECD) 结合了光伏功能（将阳光转化为能量）和电致变色 (EC) 功能（改变窗户的透明度并测量照射到建筑物上的太阳辐射）。

该窗户由透明玻璃盖、功能层、透明玻璃基板、氩气室和一片 Low-E 玻璃组成。EC 膜夹在玻璃的第二和第三表面之间，Low-E 涂层沉积在第五表面上。有效日光下的区域配备了 3 毫米薄的 11.6% 高效晶体硅条。

研究团队解释道，“电致变色膜夹在两块透明基板之间，共有五层，包括两个透明电极、离子存储层、离子传导层和电致变色层。”不加电压时，电致变色膜呈漂白状态，可见光透过率最大。当给电致变色膜加电压后，离子存储层中的锂离子会冲向电致变色层，电致变色层中的三氧化钨遇到锂离子便开始着色。加的电压越高，电致变色膜的颜色越深，可见光透过率越低。

该结构在 Window 程序中构建，然后导出到建筑模拟软件 EnergyPlus。建筑尺寸为 50.0 米长、4.6 米深、2.7 米高，窗墙比为 77%。这些建筑在 5 月至 10 月的冷却季节期间在福州、厦门、香港和海口等城市进行了模拟。每月平均每小时太阳辐射最大值分别为 482 W/m2、444 W/m2、468 W/m2 和 534 W/m2。

针对所提出的智能窗，我们创建了两种控制策略，即太阳辐射控制 (CtrlRad) 和热流控制 (CtrlFlux)。在 CtrlRad 中，着色状态根据入射太阳辐射阈值而变化，而在 CtrlFlux 中，着色状态根据通过窗户的热流密度而变化。此外，还模拟了普通 Low-E 窗户作为参考。

学者分析显示，采用CtrlFlux控制策略的SPV窗与Low-E系统相比，可使过度日照比、峰值负荷、日均峰谷差和年净能耗分别降低81.6%至93.1%、49.3%至54.5%、54.7%至65.8%和49.1%至69.2%；而采用CtrlRad控制策略的SPV窗与Low-E系统相比，可使过度日照比、峰值负荷、日均峰谷差和年净能耗分别降低92.1%至96.6%、50.9%至57.3%、44.0%至54.2%和44.0%至54.2%。

“考虑到有效日光利用率、峰值负荷、峰谷差和净能耗，采用热流控制策略的 SPV 窗户的平均整体性能改善率为 55.5%”，该团队总结道。陈博士补充道：“未来，我们还将研究如何使用智能 PV 窗户创造室内日光和热环境。”

该系统发表在《应用能源》杂志的《评估结合晶体硅电池和电致变色薄膜的智能光伏窗的能源效率和电网友好性》一文中。这项研究是由中国湖南大学和中国教育部建筑安全与节能重点实验室的科学家进行的。