Cientistas chineses inventam janela fotovoltaica com controle de fluxo de calor

Um grupo de cientistas da China desenvolveu um novo janela fotovoltaica inteligente (SPV) que gera eletricidade enquanto calibra a quantidade de radiação solar que entra em um edifício.

“Nosso estudo apresenta uma janela de propósito especial e sua estratégia de controle de operação para melhorar simultaneamente a eficiência energética do edifício e a compatibilidade com a rede”, disse o autor correspondente Yutong Tan. “Os resultados do estudo mostram que a janela SPV com uma estratégia de controle de fluxo de calor reduz significativamente a relação excessiva de luz do dia para luz, pico de carga, diferença média diária de pico para vale e consumo anual líquido de energia em comparação com janelas convencionais de baixa emissividade (Low-E).”

O sistema combina células de silício cristalino e filmes eletrocrômicos. O dispositivo fotocrômico proposto (PECD) combina uma função fotovoltaica, que converte luz solar em energia, e uma função eletrocrômica (EC), que altera a transparência da janela e mede a radiação solar que atinge o edifício.

A janela consiste em uma cobertura de vidro transparente, uma camada funcional, um substrato de vidro transparente, uma câmara de gás argônio e uma folha de vidro Low-E. O filme EC é intercalado entre a segunda e a terceira superfícies do vidro, e o revestimento Low-E é depositado na quinta superfície. A área sob luz natural efetiva foi equipada com uma tira de 3 mm de espessura de silício cristalino eficiente de 11,6%.

A equipe de pesquisa explica: "O filme EC é intercalado entre dois substratos transparentes com cinco camadas, incluindo dois eletrodos transparentes, uma camada de armazenamento de íons, uma camada de condução de íons e uma camada eletrocrômica". Quando nenhuma voltagem foi aplicada, o filme EC estava em um estado branqueado com transmitância visível máxima. Quando a voltagem é aplicada à membrana EC, os íons de lítio da camada de armazenamento de íons correm para a camada eletrocrômica, e o trióxido de tungstênio na camada eletrocrômica começa a colorir ao encontrar os íons de lítio. Quanto maior a voltagem aplicada, mais escura é a cor do filme eletrocrômico, resultando em uma menor taxa de transmissão de luz visível.

A estrutura foi construída em um programa Windows e então exportada para o software de simulação de construção EnergyPlus. As dimensões do edifício são 50,0 metros de comprimento, 4,6 metros de profundidade e 2,7 metros de altura, com uma relação janela-parede de 77%. Os edifícios foram simulados nas cidades de Fuzhou, Xiamen, Hong Kong e Haikou durante a estação de resfriamento de maio a outubro. Os máximos mensais médios de radiação solar horária foram 482 W/m2, 444 W/m2, 468 W/m2 e 534 W/m2, respectivamente.

Duas estratégias de controle foram criadas para a janela inteligente proposta, ou seja, controle de radiação solar (CtrlRad) e controle de fluxo de calor (CtrlFlux). Em CtrlRad, o estado de coloração varia de acordo com o limiar de radiação solar incidente, enquanto em CtrlFlux, o estado de coloração varia de acordo com a densidade do fluxo de calor através da janela. Além disso, uma janela Low-E normal é simulada como referência.

A análise dos acadêmicos mostrou que a janela SPV com a estratégia de controle CtrlFlux foi capaz de atingir reduções na taxa de insolação excessiva, carga de pico, diferença média diária de pico para vale e consumo anual líquido de energia de 81,6% a 93,1%, 49,3% a 54,5%, 54,7% a 65,8% e 49,1% a 69,2%, respectivamente, quando comparado ao sistema Low-E. No caso da estratégia de controle CtrlRad, as reduções foram de 92,1% a 96,6%, 50,9% a 57,3%, 44,0% a 54,2% e 44,0% a 54,2%, respectivamente, quando comparado ao sistema Low-E.

“Considerando a utilização efetiva da luz do dia, pico de carga, diferença de pico para vale e consumo líquido de energia, a melhoria média geral do desempenho das janelas SPV com estratégias de controle de fluxo de calor é de 55,5%”, concluiu a equipe. O Dr. Chen acrescentou: “No futuro, também investigaremos como criar ambientes internos de luz do dia e térmicos usando janelas fotovoltaicas inteligentes.”

O sistema foi publicado no artigo “Avaliando a eficiência energética e a compatibilidade com a rede de janelas fotovoltaicas inteligentes combinando células de silício cristalino e filmes finos eletrocrômicos” no periódico Applied energy. O estudo foi conduzido por cientistas da Universidade de Hunan, na China, e do Laboratório Chave de Segurança de Edifícios e Conservação de Energia do Ministério da Educação da China.