Científicos chinos inventan una ventana fotovoltaica con control del flujo de calor

Un grupo de científicos de China ha desarrollado un nuevo Ventana fotovoltaica inteligente (SPV)que genera electricidad mientras calibra la cantidad de radiación solar que ingresa a un edificio.

“Nuestro estudio presenta una ventana de propósito especial y su estrategia de control de operación para mejorar simultáneamente la eficiencia energética del edificio y la compatibilidad con la red eléctrica”, afirmó el autor correspondiente Yutong Tan. “Los resultados del estudio muestran que la ventana SPV con una estrategia de control del flujo de calor reduce significativamente la relación luz natural-luz excesiva, la carga máxima, la diferencia media diaria pico-valle y el consumo neto anual de energía en comparación con las ventanas convencionales de baja emisividad (Low-E)”.

El sistema combina células de silicio cristalino y películas electrocrómicas. El dispositivo fotocrómico propuesto (PECD) combina una función fotovoltaica, que convierte la luz solar en energía, y una función electrocrómica (EC), que cambia la transparencia de la ventana y mide la radiación solar que llega al edificio.

La ventana consta de una cubierta de vidrio transparente, una capa funcional, un sustrato de vidrio transparente, una cámara de gas argón y una lámina de vidrio Low-E. La película EC está intercalada entre la segunda y la tercera superficie del vidrio, y el revestimiento Low-E se deposita en la quinta superficie. El área bajo la luz natural efectiva se equipó con una tira de 3 mm de espesor de silicio cristalino con una eficiencia del 11,6%.

El equipo de investigación explica: “La película EC está intercalada entre dos sustratos transparentes con cinco capas, incluidos dos electrodos transparentes, una capa de almacenamiento de iones, una capa de conducción de iones y una capa electrocrómica”. Cuando no se aplicó voltaje, la película EC estaba en un estado blanqueado con máxima transmitancia visible. Cuando se aplica voltaje a la membrana EC, los iones de litio de la capa de almacenamiento de iones se precipitan hacia la capa electrocrómica, y el trióxido de tungsteno en la capa electrocrómica comienza a colorearse al encontrarse con los iones de litio. Cuanto mayor sea el voltaje aplicado, más oscuro será el color de la película electrocrómica, lo que da como resultado una menor tasa de transmisión de luz visible.

La estructura se construyó en un programa Window y luego se exportó al software de simulación de edificios EnergyPlus. Las dimensiones del edificio son 50,0 metros de largo, 4,6 metros de profundidad y 2,7 ​​metros de alto, con una relación ventana-pared del 77%. Los edificios se simularon en las ciudades de Fuzhou, Xiamen, Hong Kong y Haikou durante la temporada de enfriamiento de mayo a octubre. Los máximos de radiación solar promedio por hora mensuales fueron 482 W/m2, 444 W/m2, 468 W/m2 y 534 W/m2, respectivamente.

Se crearon dos estrategias de control para la ventana inteligente propuesta, es decir, control de la radiación solar (CtrlRad) y control del flujo de calor (CtrlFlux). En CtrlRad, el estado de coloración varía según el umbral de radiación solar incidente, mientras que en CtrlFlux, el estado de coloración varía según la densidad del flujo de calor a través de la ventana. Además, se simula una ventana Low-E normal como referencia.

El análisis de los académicos mostró que la ventana SPV con la estrategia de control CtrlFlux fue capaz de lograr reducciones en la relación de insolación excesiva, carga máxima, diferencia promedio diaria pico-valle y consumo neto anual de energía de 81,6% a 93,1%, 49,3% a 54,5%, 54,7% a 65,8% y 49,1% a 69,2%, respectivamente, en comparación con el sistema Low-E. En el caso de la estrategia de control CtrlRad, las reducciones fueron de 92,1% a 96,6%, 50,9% a 57,3%, 44,0% a 54,2% y 44,0% a 54,2%, respectivamente, en comparación con el sistema Low-E.

“Teniendo en cuenta el uso eficaz de la luz natural, la carga máxima, la diferencia entre picos y valles y el consumo neto de energía, la mejora media del rendimiento general de las ventanas SPV con estrategias de control del flujo de calor es del 55,5%”, concluyó el equipo. El Dr. Chen añadió: “En el futuro, también investigaremos cómo crear luz natural y entornos térmicos interiores utilizando ventanas fotovoltaicas inteligentes”.

El sistema fue publicado en el artículo “Evaluación de la eficiencia energética y compatibilidad con la red de ventanas fotovoltaicas inteligentes que combinan células de silicio cristalino y películas delgadas electrocrómicas” en la revista Applied Energy. El estudio fue realizado por científicos de la Universidad de Hunan en China y el Laboratorio Clave de Seguridad de Edificios y Conservación de Energía del Ministerio de Educación de China.