Energia słoneczna od lat jest sprzedawana jako odpowiedź na wiele problemów współczesnych budynków, ale sama natura promieniowania słonecznego pozostaje dość przewrotna. Najwięcej światła dociera do nas wtedy, gdy upał już i tak potrafi męczyć miasta, szyby i wnętrza, a zimą (kiedy najbardziej przydałoby się darmowe ciepło) warunki bywają znacznie mniej łaskawe. W praktyce od dawna próbujemy więc zmusić słońce do tego, by pracowało bardziej po naszemu, a nie według własnego rytmu i to właśnie w tym miejscu zaczyna się naprawdę ciekawa część historii nowego projektu z Harvardu.
Nie chodzi bowiem o kolejny rekord sprawności klasycznego ogniwa ani o cudowny materiał, który ma zastąpić dzisiejszą fotowoltaikę z dnia na dzień. Tym razem stawką jest coś bardziej przyziemnego, ale też bliższego codzienności. W grę wchodzi bowiem próba sprawienia, by ten sam element budynku latem pomagał produkować energię elektryczną, a zimą wspierał ogrzewanie wnętrza. Brzmi obiecująco, ale dopiero po wejściu w szczegóły widać, gdzie ten pomysł naprawdę błyszczy, a gdzie zaczynają się schody.
Harvard nie zbudował “panelu 2 w 1” w klasycznym rozumieniu
Zespół z Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences opisał w PNAS system nazwany mianem “self-regulated dual-mode solar energy harvesting“. Sama nazwa dobrze oddaje istotę projektu, bo jest to układ samoregulujący się, który może przełączać się między dwoma efektami użytkowymi promieniowania słonecznego, a więc produkcją energii elektrycznej i dostarczaniem ciepła. Kluczowe jest jednak to, że nie mamy tu do czynienia z typowym panelem fotowoltaicznym na dachu, lecz raczej z elementem projektowanym z myślą o powierzchniach budynku, takich jak przeszklenia, świetliki czy fasady.
Czytaj też: Wszyscy żyli w kłamstwie. Naukowcy z MIT wskazali zabójcę technologii jutra
Trzeba o tym rozróżnieniu pamiętać, bo łatwo byłoby wpaść w skrót myślowy sugerujący, że Harvard właśnie opracował urządzenie, które po prostu robi wszystko lepiej od istniejących paneli. Tak nie jest. Badacze próbują rozwiązać inny problem – niedopasowanie między tym, co daje słońce, a tym, czego w danym momencie potrzebuje budynek. W zaawansowanych gospodarkach większość energii zużywanej w domach nadal idzie głównie na ogrzewanie pomieszczeń i wody, ale równocześnie rośnie znaczenie chłodzenia. To właśnie na styku tych dwóch potrzeb nowy układ próbuje znaleźć własną niszę.
Jak działa ten układ? Kluczowa jest woda i optyczna sztuczka
Rdzeniem systemu jest soczewka Fresnela, czyli cienka soczewka z charakterystycznymi pierścieniowymi rowkami, która potrafi skupiać światło bez gabarytów klasycznej, grubej optyki. Nad nią została umieszczona szczelna komora z ustaloną ilością wody, a poniżej małe ogniwo fotowoltaiczne. Całość działa jak pasywny przełącznik optyczny, w którym najważniejsze nie są procesory, czujniki ani silniki, ale zwykła przemiana fazowa wody.
Gdy jest ciepło, woda pozostaje w stanie pary. Wtedy różnica współczynnika załamania między parą a materiałem soczewki pozwala skutecznie skupiać światło na ogniwie fotowoltaicznym, a więc promować tryb produkcji energii elektrycznej. Gdy temperatura spada poniżej punktu rosy, para skrapla się w cienką warstwę cieczy, co osłabia zdolność soczewki do ogniskowania promieni dokładnie na ogniwie. Większa część światła omija więc PV i trafia dalej do wnętrza, gdzie może zostać zamieniona w ciepło.
Czytaj też: Uderzyli w słaby punkt jednej z najważniejszych technologii świata. Wyniki robią wrażenie
W demonstracji opisanej przez naukowców punkt przełączenia ustawiono w okolicach 15 stopni Celsjusza. W symulacji warunków podobnych do Bostonu oznaczało to przewagę trybu elektrycznego mniej więcej od maja do października i przewagę trybu grzewczego od listopada do kwietnia. Zespół zaznacza przy tym, że granicę przełączenia da się przesuwać, manipulując wilgotnością zamkniętej komory. Innymi słowy, nie jest to system skazany na jeden sztywny scenariusz klimatyczny.
W praktyce największy sens tego rozwiązania widać nie na dachach, ale w samym “opakowaniu” budynku. Jeśli rzeczywiście dałoby się wprowadzać taki komponent w świetlikach, fasadach albo przeszkleniach szklarni, to moglibyśmy mówić o materiale, który nie tylko wpuszcza światło, lecz także kieruje je tam, gdzie bardziej się opłaca.
Diabeł tkwi w szczegółach, czyli słabości nowego pomysłu
Najmocniej wybrzmiewa deklaracja dotycząca trybu grzewczego. Harvard podaje, że w tym ustawieniu system zamienia około 90 procent padającego promieniowania słonecznego na ciepło dostarczane do wnętrza. Równie nośne jest porównanie, według którego taki wynik ma być mniej więcej pięciokrotnie lepszy pod względem uzysku ciepła niż klasyczny panel fotowoltaicznym połączony z ogrzewaniem oporowym. W laboratorium wygląda to bardzo dobrze i trudno udawać, że liczby nie robią wrażenia.
Tyle tylko, że właśnie tutaj warto przyhamować, bo porównanie do panelu fotowoltaicznego z grzałką oporową jest wygodne, ale niekoniecznie najbardziej wymagające. Dziś w kontekście ogrzewania budynków coraz częściej punktem odniesienia są pompy ciepła, a nie oporowe źródła ciepła. Amerykański Departament Energii przypomina, że dobrze zainstalowana powietrzna pompa ciepła może dostarczyć od 2 do 4 razy więcej energii cieplnej niż sama zużywa energii elektrycznej.
Układ ma ograniczenia związane z kątem padania promieni słonecznych. Przy stałym montażu soczewka skupia światło najefektywniej tylko przez część dnia i roku. Kiedy słońce znajduje się pod mniej korzystnym kątem, urządzenie przechodzi de facto w stronę trybu cieplnego. To oznacza, że nie jest to magia “prąd latem, ciepło zimą” działająca idealnie przez cały czas, ale raczej rozwiązanie wrażliwe na geometrię budynku, ekspozycję, porę dnia i lokalny klimat. Czy to znaczy, że należy ten wynalazek z góry lekceważyć? Nie. Wręcz przeciwnie – jego siła polega właśnie na prostocie komponentów.
Czytaj też: Fotowoltaiczny szok! Zbadali panele słoneczne i odkryli kłamstwo, w które wierzyliśmy
Woda, soczewka Fresnela, małe ogniwo PV i pasywne przełączanie bez elektroniki to zestaw, który brzmi znacznie rozsądniej niż wiele “rewolucyjnych” technologii energetycznych wymagających rzadkich materiałów albo bardzo drogiej produkcji. Problem polega raczej na tym, że od eleganckiej demonstracji laboratoryjnej do budowlanej rzeczywistości prowadzi długa droga przez trwałość, zabrudzenia, starzenie materiałów, szczelność komór, rzeczywistą pracę w różnych strefach klimatycznych i oczywiście opłacalność względem konkurencyjnych rozwiązań. Specjaliści pokazali więc ciekawy mechanizm, ale nie oznacza to, że świat budownictwa zaraz rzuci się go montować na masową skalę.
Źródła: PNAS, Harvard Salata Institute, PubMed, Departament Energii USA
