Гибридные крыши: как объединить генерацию энергии, отопление и охлаждение в одном узле

По данным исследователей из KIT (Карлсруэ), конфликт «электричество — тепло — холод» на одной поверхности разрешим через гибрид PDRC-solar, объединяющий фотовольтаику, солнечную термалию и пассивное дневное радиационное охлаждение в едином конструктивном узле.

Физика узла: прозрачный эмиттер над линзой Френеля

Принципиальное противоречие — коллектор обязан поглощать максимум солнечного излучения, а радиационный охладитель обязан оставаться максимально холодным. Разработчики развели процессы по слоям. Верхний слой — прозрачный эмиттер из подложки диоксида кремния с покрытием из полидиметилсилоксана (силиконовый полимер). Этот слой пропускает видимый свет и одновременно излучает тепло в инфракрасном диапазоне через атмосферное окно — участок спектра, где земная атмосфера прозрачна для теплового излучения. Под эмиттером установлена линза Френеля, фокусирующая прошедший солнечный свет на компактный фотоэлектро-термальный коллектор. Горячий коллектор физически изолирован от охлаждающего слоя — именно это разделение позволяет совместить два взаимоисключающих процесса в одной плоскости.

Подтверждённые параметры прототипа

По данным KIT, в ходе outdoor-испытаний прототип одновременно обеспечил три показателя:

• охлаждение до 6,5 °C ниже температуры окружающей среды;
• удельная электрическая мощность — 60,6 Вт/м²;
• нагрев теплоносителя до 110,8 °C.

Исследование опубликовано в Cell Reports Physical Science. Руководитель работ — доктор Ган Хуанг (Dr. Gan Huang), глава лаборатории Hybrid Solar Technologies Lab при Институте микроструктурных технологий KIT. Первый автор — докторант Иван Альберто Крус Гарсия (Iván Alberto Cruz García).

Контекст для проектировщика

Гибридная система интересна там, где охлаждение и энергия требуются одновременно: офисные здания с остеклёнными фасадами, дата-центры с высокой плотностью тепловыделения, объекты в климате с интенсивной солнечной радиацией и большим суточным перепадом температур. Исследователи указывают на перспективу для энергоёмких объектов — в частности, для ЦОД под задачи ИИ, где одновременно критичны электропитание и отвод тепла.

Следующий этап работ — доработка оптической части узла, системы терморегулирования и самих фотоэлементов. До перехода в стадию коммерческого продукта предстоит подтвердить ресурс полимерного покрытия под ультрафиолетом, поведение линзы Френеля при загрязнении поверхности и совместимость гибридного слоя с типовыми узлами примыкания кровли к несущему основанию. Применять концепцию в рабочем проекте сейчас рано — это уровень лабораторного прототипа.