Cửa sổ nhiệt sắc dựa trên perovskite giảm tải năng lượng và lượng khí thải carbon trong các tòa nhà
Trung tâm thành phố Denver có nhiều tòa nhà với mặt tiền bằng kính. Các nhà nghiên cứu từ NREL cho biết việc trang bị thêm các cửa sổ này bằng cửa sổ nhiệt sắc có thể cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng trên tất cả các vùng khí hậu ở Hoa Kỳ. Ảnh: Dennis Schroeder, NREL
Việc sử dụng cửa sổ nhiệt sắc trong các tòa nhà văn phòng giúp cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng trên tất cả các vùng khí hậu ở Hoa Kỳ bằng cách điều chỉnh nhiệt độ bên trong, giúp tiết kiệm được một khoản lớn, theo nỗ lực nghiên cứu do Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ dẫn đầu.
Các cửa sổ nhiệt sắc dựa trên việc sử dụng vật liệu perovskite để hấp thụ năng lượng từ mặt trời chuyển từ trạng thái trong suốt sang trạng thái hấp thụ hoặc phản xạ có thể nhìn thấy được. Công nghệ giảm thiểu tải sưởi ấm ở vùng khí hậu ấm áp và tải làm mát ở vùng lạnh hơn.
Lance Wheeler, điều tra viên chính của dự án, cho biết việc chuyển sang sử dụng cửa sổ nhiệt sắc giúp tiết kiệm một lượng năng lượng đáng kể hàng năm, với nguồn tiết kiệm chính đến từ việc yêu cầu ít năng lượng sưởi ấm hơn đối với các tòa nhà văn phòng kính cường lực cao ở vùng khí hậu lạnh hoặc theo mùa. Nếu tất cả nhân viên trong tòa nhà văn phòng mô phỏng đã lái một chiếc xe điện trong quãng đường đi làm trung bình của người Mỹ, thì năng lượng hàng năm có thể được sử dụng để sạc đầy xe của mỗi nhân viên mỗi ngày trong suốt cả năm.
Những phát hiện này được trình bày chi tiết trong bài báo "Cửa sổ perovskite nhiệt điện sắc hồng với nhiệt độ chuyển tiếp lý tưởng", xuất hiện trên tạp chí Advanced Energy Materials. Các đồng tác giả của anh ấy từ NREL là Bryan Rosales, Janghyun Kim, Kevin Prince, Mirzo Mirzokarimov, Tom Daligault, Adam Duell, Colin Wolden và Laura Schelhas. Các đồng tác giả khác đến từ Trường Mỏ Colorado, Đại học Wisconsin–Stout và Swift Solar.
Nghiên cứu dựa trên phần mềm lập mô hình mà Wheeler đã giúp phát triển có tên là "PVwindow", gợi ý rằng việc thêm một lớp ép nhiệt màu vào cửa sổ một ngăn hoặc thậm chí là cửa sổ hai ngăn sẽ mang lại khoản tiết kiệm đáng kể.
Các tòa nhà chiếm khoảng 40% tổng mức tiêu thụ năng lượng sơ cấp ở Hoa Kỳ, trong đó hệ thống sưởi chiếm phần đóng góp lớn nhất. Công nghệ lớp phủ đã cách mạng hóa hiệu quả sử dụng năng lượng của cửa sổ bắt đầu từ những năm 1980 bằng cách hấp thụ hoặc phản xạ có chọn lọc ánh sáng hồng ngoại nhưng cho phép ánh sáng ở phần nhìn thấy được của quang phổ mặt trời đi qua kính. Tuy nhiên, hơn một nửa năng lượng của mặt trời xảy ra ở bước sóng nhìn thấy được, vì vậy cần nhiều năng lượng hơn để sưởi ấm hoặc làm mát các tòa nhà có mặt tiền bằng kính đáng kể.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng mô hình của họ để xây dựng một cấu trúc 12 tầng với tỷ lệ cửa sổ trên tường là 95%. Họ đã mô phỏng việc sử dụng năng lượng trong tòa nhà trong khoảng thời gian 15 phút trong một năm ở tám vùng khí hậu trên khắp đất nước, bao gồm Hawaii, Arizona, California, Colorado, New York, Wisconsin, Minnesota và Alaska. Họ xác định:
Cửa sổ hai ngăn nhiệt sắc màu đã cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng của tòa nhà so với cửa sổ hai ngăn ở mỗi khu vực.
Tiết kiệm năng lượng lớn hơn ở những vùng lạnh hơn.
Cửa sổ hai ô nhiệt đổi màu hoạt động tốt hơn cả cửa sổ ba ô ở những vùng khí hậu nóng nhất.
Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng ở vùng khí hậu lạnh hơn, cửa sổ ba ô giúp tiết kiệm năng lượng nhiều hơn so với cửa sổ hai ô nhiệt sắc, nhưng việc thêm một lớp laminate nhiệt sắc để tạo ra cửa sổ ba ô giúp tiết kiệm năng lượng hàng năm nhiều nhất so với cửa sổ hai ô hiệu quả cao nhất. .
Các cửa sổ nhiệt sắc được kích hoạt bởi nhiệt độ và các nhà nghiên cứu đã tính toán nhiệt độ chuyển tiếp lý tưởng rơi vào khoảng 20–27,5 độ C (68–81,5 độ F).
Wheeler cho biết: “Nếu nhiệt độ chuyển tiếp quá cao thì cửa sổ có thể không tiết kiệm năng lượng và các tòa nhà nên sử dụng cửa sổ tĩnh. "Điều thú vị là phạm vi này có giá trị trên nhiều vùng khí hậu khác nhau, từ miền bắc Minnesota đến miền nam California. Điều này là do các cửa sổ năng động làm giảm lượng nhiệt mặt trời thu được vào mùa hè để tiết kiệm điều hòa không khí và chúng cũng làm tăng lượng nhiệt mặt trời thu được khi cần nhiệt trong mùa đông."
Các nhà nghiên cứu đã kết hợp mô hình với công việc thử nghiệm và chứng minh màng perovskite được kẹp giữa hai lớp kính. Chuyển đổi nhiệt sắc đã được chứng minh là bền trong 200 chu kỳ.
Wheeler cho biết: "Chúng tôi có thể giảm đáng kể nhiệt độ chuyển tiếp trong phòng thí nghiệm để phù hợp với nhiệt độ lý tưởng đã dự đoán". "Công trình thể hiện nhiều lĩnh vực chuyên môn tại NREL và sức mạnh của sự hợp tác giữa khoa học vật liệu và khoa học năng lượng xây dựng."
