此前，联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change）借由将全球变暖配额从 2°C 降至 1.5°C 的事件，对外发出气候变化极端紧迫性的警告，并呼吁全球践行高效节能及减少碳排放。
为此，科学家开发了各种可以调节过量太阳辐射的智能窗户，以帮助减轻室内制冷的负担以及建筑能耗。然而，这些智能窗户会使紫外线和近红外波段的大部分太阳能消散到废热中，从而降低太阳能的利用效率，并加剧了城市热岛效应。
近日，香港科技大学姚舒怀教授和黄宝陵教授团队开发了一种用于全光谱利用的双频选择性太阳能利用智能窗户（Selective Solar Harvesting，SSH）。相较于常规的透明光伏，SSH 窗户不仅在太阳能收集效率有 2 倍的提升，而且具有极大的可见透射率。除此之外，该窗户还比普通智能窗户节能 30% 以上。
图 | 李威宏（来源：李威宏）
值得一提的是，此次研究首次将透明光伏（transparent photovoltaic，简称 TPV）和透明太阳能吸收器（transparent solar absorber，简称 TSA）融入智能窗户，形成透明的光伏/光热一体化器件，或将为节能建筑开辟一条新的发展途径。
相关论文以《用于全光谱利用的选择性太阳能收集窗户》（Selective Solar Harvesting Windows for Full-Spectrum Utilization）为题发表在 Advanced Science 上，本文的第一作者是香港城市大学机械工程系助理教授李威宏和香港科技大学博士后林崇佳，香港科技大学机械及航空航天工程学系姚舒怀教授和黄宝陵教授担任通讯作者[1]。
图 | 相关论文（来源：Advanced Science）
据了解，SSH 窗户相当于一个透明的光伏/热系统，在可加工性、成本效益方面具有显著的优势。其通过 TPV 将紫外波段的太阳辐射转化为电能，通过 TSA 将近红外波段的太阳能转换为的热能并结合通风系统为室内供暖，同时传递可见光满足室内需求。
研究中，该团队首先对 SSH 窗户的光谱选择性进行整体表征，并利用户外实验量化了该窗户的太阳能收集效率。结果表明，SSH 窗户具有 42% 的可见透射率和 0.75% 的光电转换效率，和 24% 的光热转换效率并使得通风空气温升至 10°C。
图 | 选择性太阳能收集（SSH）窗户的概念（来源：Advanced Science）
接着，研究人员通过监测普通玻璃窗户 CWO（cesium-doped tungsten trioxide）窗户和 SSH 窗户，在不同环境条件下随时间变化的表面温度和室内温度，进一步量化了 SSH 窗户的室内温度调节能力。
据悉，在炎热的季节，由于光热效率高，CWO 窗户的表面温度最高，SSH 窗户的表面温度较低，但因从流动的空气中连续除去热量，SSH 窗户的室内温度低于 CWO 窗户和普通窗户，这表明其有利于减少室内冷却负荷；在寒冷的季节，2 类窗户的表面温度情况与炎热季节类似，但因将加热的空气引导到腔室，SSH 窗户显示出比 CWO 窗户和普通窗户更高的室内温度，这表明其有利于减少室内加热负荷。
该团队表示，收集热能并传递热量以调节室内温度的通风系统是 SSH 窗户的重要组成部分之一。通过改变气流路径，SSH 窗户可以切换到不同的节能模式来应对室内的冷却加热负荷，这使其比静态 CWO 窗户和普通玻璃窗户更能适应温度和季节的变化。
此外，该团队使用美国能源部建议的建筑能耗模拟引擎 EnergyPlus，估算了 SSH 窗户的潜在节能效果。根据 Energy Plus 的模拟结果，与目前学界节能效率最高的水凝胶智能窗户相比，SSH 窗户可以节省高达 61.5% 的供热通风与空气调节年能耗，且产生的电力占年度节能量的 19.1%。
图 | 室内热管理测试（来源：Advanced Science）
最后，为彻底评估 SSH 窗户的热效率，该团队还比较了普通 TPV 与 SSH 窗户的太阳能集热效率数据。结果得出，与普通 TPV 相比，SSH 窗户可将太阳能收集效率提高 2 倍，这表明该窗户在建筑集成太阳能收集和室内空间加热方面有巨大潜力。研究人员也表示，“在大多数情况下，SSH 窗户将成为建筑集成太阳能收集设备最有效的候选者之一。”
总的来说，这项研究通过集成紫外光收集透明光伏电池和近红外吸收透明选择性太阳能吸收器，设计并制造出一种具有紫外线和近红外双波段选择性收集能力的多组分太阳能收集窗户，提供了同时太阳能调节和太阳能收集的独特功能，并最大限度地提高了太阳能利用率，有助于减少碳排放。而且，其开发的窗户是一种零能耗建筑的新设计范式，具有较高的制造可加工性，因而商业化潜力巨大。
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参考：
1.Weihong Li et al. Selective Solar Harvesting Windows for Full-Spectrum Utilization. Advanced Science. （2022） https://doi.org/10.1002/advs.202201738
