29 ژانویه 2024 -توسط جک مک گوان، افق: مجله تحقیقات و نوآوری اتحادیه اروپا-اعتبار: Unsplash/CC0 دامنه عمومی
محققان در تلاش برای تولید گرما و الکتریسیته از سایر سطوح خارجی ساختمان ها فراتر از صفحات خورشیدی معمولی هستند.
در مسکن اجتماعی در حومه شهر آیندهوون در جنوب هلند، رنسکه کرون از آزمایشی در سال 2022 در مورد آپارتمانش خوشحال است . این آپارتمان مجهز به پانل هایی است که از خورشید انرژی تولید می کند.
اما تجهیزات جدید او با پنل های خورشیدی – که به عنوان ماژول های فتوولتائیک نیز شناخته می شوند – که روی پشت بام های بی شماری در اروپا و جاهای دیگر قابل مشاهده است، کاملاً متفاوت بود. به جای تولید برق، مانند ماژول های فتوولتائیک، پانل های کرون انرژی حرارتی را تامین می کردند و در نمای ساختمان نصب می شدند.
پانل های خاکستری، پوشش داده شده با آلومینیوم و شبیه به کفپوش لمینت، 15 متر مربع را اشغال کردند. در نتیجه آزمایش، خانه و آب کرون به جای آلودگی گاز طبیعی – حتی در روزهای ابری – با انرژی تجدیدپذیر گرم شد و قبوض انرژی کاهش یافت.
کرون که از آن زمان به خانه دیگری نقل مکان کرده است، گفت: “خانه دارای انرژی مثبت، بدون گاز، با قبض انرژی صفر خالص است.” “چه کسی این را نمی خواهد؟”
فناوری انرژی جدید از یک پروژه تحقیقاتی برای استفاده از سطوح خارجی تمام ساختمان ها به جای صرفاً پشت بام ها برای تولید برق پدیدار شد. این پروژه که Envision نام داشت به مدت پنج سال تا سپتامبر 2022 اجرا شد.
این ابتکار نشان دهنده تلاش های فزاینده اتحادیه اروپا برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای ساختمان ها به عنوان بخشی از مبارزه با تغییرات آب و هوایی است. ساختمان ها حدود 36 درصد از انتشار گازهای گلخانه ای در اروپا را تشکیل می دهند و بخشی از موج نوسازی اتحادیه اروپا هستند.
در اتحادیه اروپا، تقریباً نیمی از نمای ساختمان ها استفاده نشده است.نوارهای تشعشعی که از خورشید به سطح زمین می رسد شامل نور مرئی، مادون قرمز و فرابنفش است.
در حالی که پنل های خورشیدی معمولی از نور مرئی استفاده می کنند، آنهایی که در خانه کرون هستند به طیف مادون قرمز متکی بودند و نیازی به جهت گیری دیوار خارجی در جهت خاصی نداشتند. نور مرئی تقریباً 43٪ از تابش خورشیدی را تشکیل می دهد در حالی که مادون قرمز 50٪ را تشکیل می دهد.
مقاوم‌سازی خانه‌ها به گونه‌ای که از نور مرئی و اشعه مادون قرمز استفاده کنند، نویدبخش پیشرفت‌های بزرگی در بهره‌برداری از انرژی خورشید است. هر دیوار خارجی را می توان با فناوری Envision بازسازی کرد.
بارت اریش، محقق فیزیک کاربردی در دانشگاه فناوری آیندهوون، می‌گوید: «با پانل‌ها و سلول‌های فتوولتائیک ما بر روی سقف، می‌توانید انرژی کافی برای انرژی مثبت کردن خانه داشته باشید.او گفت که سطح کل نمای ساختمان ها در اروپا تقریباً با سطح سقف ها برابر است.
استفاده از نماها برای جذب انرژی از خورشید، صنعت گرمایی خورشیدی در حال گسترش اروپا را تقویت می کند که در سال 2022 رشد 12 درصدی داشته است.
پانل های حرارتی به یک پمپ حرارتی متصل می شوند. در مورد مسکن اجتماعی، جایی که فضا نسبتاً محدود است، ایجاد فضا برای پمپ حرارتی می‌تواند شامل ساختن یک سوله در بیرون باشد – همانطور که در مورد کرون چنین بود.با اضافه شدن بیشتر باتری که گرما را حفظ می کند، انرژی حرارتی را می توان در صورت وجود بیش از حد ذخیره کرد.
قیمت چنین نماهایی بسته به نوع آنها از 150 تا 500 یورو در هر متر مربع متغیر است، به گفته اریش که طول عمر آن معمولا 30 سال و بازگشت سرمایه هفت تا 10 سال است.
در طول Envision، محققان تحقیقات آزمایشگاهی انجام دادند، یک سایت در دانشگاه فناوری آیندهوون برای آزمایش این ایده ساختند و تظاهراتی را در خانه‌هایی از جمله کرون انجام دادند.
در سال 2022، این تیم فینالیست در بخش نوآوری جوایز انرژی پایدار اروپا بود که پروژه ها و افرادی را که انتقال به انرژی پاک تر را پیش می برند، شناسایی می کند.از زمانی که Envision به پایان رسید، این فناوری شتاب بیشتری گرفت.
اریش مدیر ارشد فناوری یک شرکت اسپین آف به نام Calosol است که در حال تجاری سازی پانل ها است.هدف Calosol در نهایت ساخت 1200 متر مربع پانل، یک جهش از 250 متر مربع تولید شده در Envision است. به گفته اریش، در آپارتمان کرون، 15 متر مربع برای تامین تمام نیازهای گرمایشی او در طول سال کافی بود.
او گفت: «در مجموع، پانل‌ها تقریباً همان مقدار انرژی را تولید می‌کنند که در واقع خانه استفاده می‌کند یا کمی بیشتر.
از آنجایی که قرار دادن پانل ها در حال حاضر یک کار پیچیده است، تحقیقات فعلی نیز به دنبال آسان تر کردن این مرحله است. به گفته اریش، هدف نهایی این است که نصب را شبیه به مبلمان IKEA کنیم.
او گفت: “این جایی است که ما هنوز در تلاش هستیم تا تاسیسات را به نقطه ای برسانیم که همه بتوانند آنها را نصب کنند.”
برای کمک به ساختمان‌ها برای استخراج هر ذره انرژی از خورشید، محققان دیگر در حال بررسی گزینه پنجره‌های خورشیدی شفاف برای تولید برق هستند.این پروژه که CITYSOLAR نام دارد در دسامبر 2020 آغاز شد و قرار است تا ماه آوریل ادامه داشته باشد.
هدف CITYSOLAR استقرار فناوری های فتوولتائیک است که تابش را در طیف مادون قرمز و ماوراء بنفش جذب می کند. محققان در تلاشند تا جذب نور مرئی را به حداقل برسانند زیرا پنجره ها باید آن را به داخل ساختمان منتقل کنند و نور مرئی باعث می شود که پانل ها رنگ بگیرند.
اما از آنجایی که نور مادون قرمز و فرابنفش در تولید انرژی الکتریکی کارایی کمتری دارند، درجه ای از نور مرئی حتی برای پنجره های خورشیدی مفید است. ترفند محققان CITYSOLAR یافتن ترکیب مناسبی از کارایی، شفافیت و رنگ است.
آلدو دی کارلو، استاد نانوالکترونیک در دانشگاه رم تور ورگاتا که این پروژه را رهبری می‌کند، از یک گلخانه به عنوان نمونه‌ای از جایی که این فناوری می‌تواند به ویژه مفید باشد، نام می‌برد.
گیاهان عمدتاً برای رشد به نور مرئی در قسمت قرمز طیف رنگی نیاز دارند اما می توانند بدون بیشتر رنگ های دیگر این کار را انجام دهند. در نتیجه، سلول‌های فتوولتائیک نیمه شفاف با رنگ قرمز می‌توانند انرژی خورشید را جذب کنند و در عین حال به نور مرئی قرمز اجازه عبور دهند تا گیاهان رشد کنند.تاکنون این فناوری تنها در آزمایشگاه آزمایش شده است. یک نمونه اولیه قرار است در اوایل سال 2024 در دانشگاه دانمارک جنوبی ساخته شود.نمونه اولیه نقش محوری در آزمایش فناوری برای توسعه بیشتر در مسیر تجاری سازی احتمالی خواهد داشت.
در بلندمدت، محققان CITYSOLAR می‌خواهند ساختمان‌های با انرژی صفر را تا حد امکان به واقعیت تبدیل کنند. این امر مستلزم مقاوم سازی کامل سطوح شفاف یا نیمه شفاف با فناوری در حال توسعه است.
برای ساختمان‌های مسکونی، یک چالش دیگر، تعیین نسبت کارایی به شفافیت مناسب است – وظیفه‌ای که به تحقیقات بیشتری نیاز دارد.
دی کارلو گفت: “ما باید از بهترین علم خود برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی استفاده کنیم و این به معنای تحقیق در مورد فناوری هایی مانند سلول های خورشیدی شفاف است.”
