此前，聯合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change）藉由將全球變暖配額從 2°C 降至 1.5°C 的事件，對外發出氣候變化極端緊迫性的警告，並呼籲全球踐行高效節能及減少碳排放。
為此，科學家開發了各種可以調節過量太陽輻射的智能窗戶，以幫助減輕室內製冷的負擔以及建築能耗。然而，這些智能窗戶會使紫外線和近紅外波段的大部分太陽能消散到廢熱中，從而降低太陽能的利用效率，並加劇了城市熱島效應。
近日，香港科技大學姚舒懷教授和黃寶陵教授團隊開發了一種用於全光譜利用的雙頻選擇性太陽能利用智能窗戶（Selective Solar Harvesting，SSH）。相較於常規的透明光伏，SSH 窗戶不僅在太陽能收集效率有 2 倍的提升，而且具有極大的可見透射率。除此之外，該窗戶還比普通智能窗戶節能 30% 以上。
圖 | 李威宏（來源：李威宏）
值得一提的是，此次研究首次將透明光伏（transparent photovoltaic，簡稱 TPV）和透明太陽能吸收器（transparent solar absorber，簡稱 TSA）融入智能窗戶，形成透明的光伏/光熱一體化器件，或將為節能建築開闢一條新的發展途徑。
相關論文以《用於全光譜利用的選擇性太陽能收集窗戶》（Selective Solar Harvesting Windows for Full-Spectrum Utilization）為題發表在 Advanced Science 上，本文的第一作者是香港城市大學機械工程系助理教授李威宏和香港科技大學博士後林崇佳，香港科技大學機械及航空航天工程學系姚舒懷教授和黃寶陵教授擔任通訊作者[1]。
圖 | 相關論文（來源：Advanced Science）
據了解，SSH 窗戶相當於一個透明的光伏/熱系統，在可加工性、成本效益方面具有顯著的優勢。其通過 TPV 將紫外波段的太陽輻射轉化為電能，通過 TSA 將近紅外波段的太陽能轉換為的熱能並結合通風系統為室內供暖，同時傳遞可見光滿足室內需求。
研究中，該團隊首先對 SSH 窗戶的光譜選擇性進行整體表徵，並利用戶外實驗量化了該窗戶的太陽能收集效率。結果表明，SSH 窗戶具有 42% 的可見透射率和 0.75% 的光電轉換效率，和 24% 的光熱轉換效率並使得通風空氣溫升至 10°C。
圖 | 選擇性太陽能收集（SSH）窗戶的概念（來源：Advanced Science）
接着，研究人員通過監測普通玻璃窗戶 CWO（cesium-doped tungsten trioxide）窗戶和 SSH 窗戶，在不同環境條件下隨時間變化的表面溫度和室內溫度，進一步量化了 SSH 窗戶的室內溫度調節能力。
據悉，在炎熱的季節，由於光熱效率高，CWO 窗戶的表面溫度最高，SSH 窗戶的表面溫度較低，但因從流動的空氣中連續除去熱量，SSH 窗戶的室內溫度低於 CWO 窗戶和普通窗戶，這表明其有利於減少室內冷卻負荷；在寒冷的季節，2 類窗戶的表面溫度情況與炎熱季節類似，但因將加熱的空氣引導到腔室，SSH 窗戶顯示出比 CWO 窗戶和普通窗戶更高的室內溫度，這表明其有利於減少室內加熱負荷。
該團隊表示，收集熱能並傳遞熱量以調節室內溫度的通風系統是 SSH 窗戶的重要組成部分之一。通過改變氣流路徑，SSH 窗戶可以切換到不同的節能模式來應對室內的冷卻加熱負荷，這使其比靜態 CWO 窗戶和普通玻璃窗戶更能適應溫度和季節的變化。
此外，該團隊使用美國能源部建議的建築能耗模擬引擎 EnergyPlus，估算了 SSH 窗戶的潛在節能效果。根據 Energy Plus 的模擬結果，與目前學界節能效率最高的水凝膠智能窗戶相比，SSH 窗戶可以節省高達 61.5% 的供熱通風與空氣調節年能耗，且產生的電力占年度節能量的 19.1%。
圖 | 室內熱管理測試（來源：Advanced Science）
最後，為徹底評估 SSH 窗戶的熱效率，該團隊還比較了普通 TPV 與 SSH 窗戶的太陽能集熱效率數據。結果得出，與普通 TPV 相比，SSH 窗戶可將太陽能收集效率提高 2 倍，這表明該窗戶在建築集成太陽能收集和室內空間加熱方面有巨大潛力。研究人員也表示，「在大多數情況下，SSH 窗戶將成為建築集成太陽能收集設備最有效的候選者之一。」
總的來說，這項研究通過集成紫外光收集透明光伏電池和近紅外吸收透明選擇性太陽能吸收器，設計並製造出一種具有紫外線和近紅外雙波段選擇性收集能力的多組分太陽能收集窗戶，提供了同時太陽能調節和太陽能收集的獨特功能，並最大限度地提高了太陽能利用率，有助於減少碳排放。而且，其開發的窗戶是一種零能耗建築的新設計範式，具有較高的製造可加工性，因而商業化潛力巨大。
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參考：
1.Weihong Li et al. Selective Solar Harvesting Windows for Full-Spectrum Utilization. Advanced Science. （2022） https://doi.org/10.1002/advs.202201738
