Chinesische Wissenschaftler erfinden Photovoltaikfenster mit Wärmeflusskontrolle

Eine Gruppe von Wissenschaftlern aus China hat ein neues intelligentes Photovoltaikfenster (SPV) das Strom erzeugt und gleichzeitig die Menge der in ein Gebäude einfallenden Sonnenstrahlung kalibriert.

„Unsere Studie präsentiert ein Spezialfenster und seine Betriebssteuerungsstrategie, um gleichzeitig die Energieeffizienz von Gebäuden und die Netzfreundlichkeit zu verbessern“, sagte der korrespondierende Autor Yutong Tan. „Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass das SPV-Fenster mit einer Wärmeflusssteuerungsstrategie das übermäßige Tageslicht-Licht-Verhältnis, die Spitzenlast, den durchschnittlichen täglichen Spitzen-Tal-Unterschied und den jährlichen Nettoenergieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Fenstern mit niedrigem Emissionsgrad (Low-E) deutlich reduziert.“

Das System kombiniert kristalline Siliziumzellen und elektrochrome Filme. Das vorgeschlagene photochrome Gerät (PECD) kombiniert eine Photovoltaikfunktion, die Sonnenlicht in Energie umwandelt, und eine elektrochrome (EC) Funktion, die die Transparenz des Fensters ändert und die auf das Gebäude treffende Sonneneinstrahlung misst.

Das Fenster besteht aus einer transparenten Glasabdeckung, einer Funktionsschicht, einem transparenten Glassubstrat, einer Argongaskammer und einer Low-E-Glasplatte. Der EC-Film ist zwischen der zweiten und dritten Oberfläche des Glases eingelegt, und die Low-E-Beschichtung ist auf der fünften Oberfläche aufgebracht. Der Bereich unter effektivem Tageslicht wurde mit einem 3 mm dünnen Streifen aus kristallinem Silizium mit 11,6 % Effizienz ausgestattet.

Das Forschungsteam erklärt: „Der EC-Film ist zwischen zwei transparenten Substraten mit fünf Schichten angeordnet, darunter zwei transparente Elektroden, eine Ionenspeicherschicht, eine Ionenleitungsschicht und eine elektrochrome Schicht.“ Wenn keine Spannung angelegt wurde, befand sich der EC-Film in einem gebleichten Zustand mit maximaler sichtbarer Durchlässigkeit. Wenn Spannung an die EC-Membran angelegt wird, strömen Lithiumionen aus der Ionenspeicherschicht zur elektrochromen Schicht, und das Wolframtrioxid in der elektrochromen Schicht beginnt sich beim Auftreffen auf die Lithiumionen zu verfärben. Je höher die angelegte Spannung, desto dunkler ist die Farbe des elektrochromen Films, was zu einer geringeren sichtbaren Lichtdurchlässigkeitsrate führt.

Die Struktur wurde in einem Windows-Programm erstellt und dann in die Gebäudesimulationssoftware EnergyPlus exportiert. Die Abmessungen des Gebäudes betragen 50,0 Meter Länge, 4,6 Meter Tiefe und 2,7 Meter Höhe, mit einem Fenster-zu-Wand-Verhältnis von 77 %. Die Gebäude wurden in den Städten Fuzhou, Xiamen, Hongkong und Haikou während der Kühlsaison von Mai bis Oktober simuliert. Die monatlichen durchschnittlichen stündlichen Sonneneinstrahlungsmaxima lagen bei 482 W/m2, 444 W/m2, 468 W/m2 bzw. 534 W/m2.

Für das vorgeschlagene intelligente Fenster wurden zwei Steuerungsstrategien entwickelt, nämlich die Steuerung der Sonneneinstrahlung (CtrlRad) und die Steuerung des Wärmeflusses (CtrlFlux). Bei CtrlRad variiert der Farbzustand je nach der Schwelle der einfallenden Sonneneinstrahlung, während bei CtrlFlux der Farbzustand je nach der Dichte des Wärmeflusses durch das Fenster variiert. Zusätzlich wird ein normales Low-E-Fenster als Referenz simuliert.

Die Analyse der Wissenschaftler ergab, dass das SPV-Fenster mit der CtrlFlux-Steuerungsstrategie im Vergleich zum Low-E-System eine Reduzierung des übermäßigen Sonneneinstrahlungsverhältnisses, der Spitzenlast, der durchschnittlichen täglichen Spitzen-zu-Tal-Differenz und des jährlichen Nettoenergieverbrauchs von 81,6 % bis 93,1 %, 49,3 % bis 54,5 %, 54,7 % bis 65,8 % bzw. 49,1 % bis 69,2 % erreichen konnte. Im Fall der CtrlRad-Steuerungsstrategie betrugen die Reduzierungen im Vergleich zum Low-E-System 92,1 % bis 96,6 %, 50,9 % bis 57,3 %, 44,0 % bis 54,2 % bzw. 44,0 % bis 54,2 %.

„Unter Berücksichtigung der effektiven Tageslichtnutzung, der Spitzenlast, der Spitzen-zu-Tal-Differenz und des Nettoenergieverbrauchs beträgt die durchschnittliche Leistungsverbesserung von SPV-Fenstern mit Wärmeflusskontrollstrategien 55,5 %“, schloss das Team. Dr. Chen fügte hinzu: „In Zukunft werden wir auch untersuchen, wie wir mit intelligenten PV-Fenstern Tageslicht und eine thermische Umgebung in Innenräumen schaffen können.“

Das System wurde im Artikel „Bewertung der Energieeffizienz und Netzfreundlichkeit intelligenter Photovoltaikfenster, die kristalline Siliziumzellen und elektrochrome Dünnfilme kombinieren“ in der Zeitschrift Applied Energy veröffentlicht. Die Studie wurde von Wissenschaftlern der Hunan University in China und des Key Laboratory of Building Safety and Energy Conservation des chinesischen Bildungsministeriums durchgeführt.