Áttörés az építőiparban: az okosablak, amely hűt, tisztít és energiát termel
Ahogy a világ küzd a növekvő energiaigénnyel és a fenntarthatóság iránti igény egyre sürgetőbbé válik, az újítások gyakran váratlan helyekről érkeznek. Képzelj el egy olyan ablakot, amely nemcsak átlátszó, de energiát termel az esőcseppekből, hűti az épületet a nyári hőségben és hideg időben saját magát leolvasztja. A Szöuli Nemzeti Egyetem kutatói most ezt a futurisztikus elképzelést valósággá tették egy forradalmian új „intelligens” ablakkal, amely már most túlmutat a hagyományos építészeti lehetőségeken, és új korszakot nyithat az energiahatékony épületek tervezésében.
A Szöuli Nemzeti Egyetem kutatói bejelentették egy olyan „intelligens” ablak prototípusának megalkotását, amely az esőcseppek becsapódási energiájából képes hasznosítható villamos energiát előállítani. Az ablakok visszaverik az infravörös fényt, így az átláthatóság megváltoztatása nélkül csökkenthetik a beltéri hőmérsékletet, ami a melegebb időjárásban csökkentheti az épületek hűtési költségeit.
Hideg időben az ablakok automatikusan megtisztítják magukat a fagytól. A fejlesztés áttörésként van számon tartva, mivel a képességek e kombinációja teszi a prototípus eszközt az első, többfunkciós Plus Energy intelligens ablakká.
„Ebben a munkában egy olyan energiatakarékos, többfunkciós intelligens ablakot (MSW) mutatunk be, amely első alkalommal biztosítja a sugárzó hűtés, az energiagyűjtés és a leolvasztás többféle funkcióját egyetlen eszközszerkezettel” – olvasható a tanulmányban. „A szerző legjobb tudomása szerint eddig még sehol nem számoltak be olyan kutatásról, amely olyan intelligens ablakokat mutatott volna be, amelyek zökkenőmentesen integrálták volna a multi-modális funkciókat egy egységes intelligens eszközbe.”
Az intelligens ablak visszaveri a hőt és automatikusan leolvasztja magát
Az energiatermelő intelligens ablakot bemutató sajtóközleményben a Szöuli Nemzeti Egyetem gépészmérnöki tanszékének professzora, Seung Hwan Ko és munkatársai kiemelték, hogy a jelenlegi okosablakok funkcionalitása korlátozott.
A legtöbb ilyen ablak csupán csökkenti a bejövő sugárzó energiát az átlátszóság rovására, „így nem képes fenntartani a magas átláthatóságot, amely az ablak elsődleges funkciója”. Az új prototípus viszont képes teljes átlátszóság mellett visszaverni az infravörös hőenergiát az épületből.
Ezt a teljesítményt az ablak réteges szerkezete biztosítja, amely ezüstből és ón-oxidból (ITO) áll, „kiváló elektromos vezetőképességgel és egyedülálló optikai tulajdonságokkal rendelkező anyagokból”. Így a látható fény szabadon áthalad az ablakon, miközben az infravörös fényt blokkolja, csökkentve ezzel a hőátadást láthatóságvesztés nélkül. A kutatók megjegyzik, hogy ez a sugárzó hűtési technológia „elektromos energia felhasználása nélkül biztosít hűtési teljesítményt”, ellentétben a hűtőközegekkel működő hagyományos légkondicionáló rendszerekkel.
Másodsorban, egy úgynevezett „Joule-fűtés” folyamat révén a réteges anyag önmelegedő átlátszó elektródaként működik, amely „gyorsan eltávolítja a fagyot vagy a jeget az ablakról, biztosítva a tiszta látást a hideg napokon”. Érdemes megjegyezni, hogy ezen funkciók egyikéhez sem szükséges külső energia, hanem az ezüst és ITO rétegek anyagtulajdonságaira épülnek, amelyek visszaverik a hőt és automatikusan leolvasztják az ablakot.
2. ábra: Intelligens ablakok alkalmazása a mindennapi életben. (A) Egy modellház hagyományos üveggel (piros szaggatott vonal, kontrollcsoport) és egy modellház intelligens ablakokkal (kék szaggatott vonal, kísérleti csoport). (B) A modellházakban mért tényleges hőmérsékleti adatok. (C) Energiatárolás az esőcseppekből történő energiatermelés révén (D) A láthatóság biztosítása az átlátszó fűtőfunkció révén. Képhitel: © Science Robotics, eredetileg a Science Robotics című folyóiratban jelent meg.
Hogyan termel áramot az esőcseppekből?
Az intelligens ablak egyik legérdekesebb képessége, hogy a lehulló esőcseppek ütőerejéből és súrlódásából képes energiát előállítani. Bár a kutatók más energiagyűjtési lehetőségeket is vizsgáltak, mint például a nap- és szélenergia, végül úgy ítélték meg, hogy az intelligens ablakok kialakítása megbízható energiatermeléshez ideális.
A vízcseppek gazdag forrást biztosítanak az elektronikai eszközök folyamatos áramellátásához szükséges energia előállítására, írják, és a korábbi kutatások kimutatták, hogy a csepp alapú áramfejlesztők fenntartható villamos energiát képesek előállítani folyadék-szilárd érintkezési villamosítással és elektrosztatikus indukcióval.
A kutatók az esőcseppekből származó energia árammá alakításának több lehetőségét is felvázolták. Végül egy triboelektromos nanogenerátorra (TENG) összpontosítottak, amely több alkalmazási területen képes áramot termelni.
A TENG-k gyakorlati megoldást kínálhatnak, mivel képesek természetes energiát, mint például a rezgést, szelet, áramló vizet és óceáni hullámokat villamos energiává alakítani, áll a tanulmányban.
A kutatók megállapították, hogy a prototípus intelligens ablakuk triboelektromos energiatermelő képessége hatékonyabb lett a vártnál. A sajtóközlemény szerint „egy esős körülményeket szimuláló kísérletben az intelligens ablakok egyetlen esőcsepp hatására 8,3 W/m² energiát termeltek”.
Az esőcseppek energiatermelésének és a sugárzó hűtés kombinálásával a csapat által kifejlesztett intelligens ablakok „körülbelül 7 fokkal alacsonyabb hőmérsékletet tartottak fenn, mint a hagyományos ablakok, közvetlen napfényben”. A Joule-fűtés révén az ablakok kétszer gyorsabban távolították el a fagyot, mint a hagyományos ablakok, demonstrálva ezzel a magas teljesítményt és a multifunkcionalitást.
A plusz energia épületek felé
Ko professzor csapata szerint céljuk túlmutat a zéró energiaigényű épületek létrehozásán, a plusz energiaigényű épületek korszakának elősegítésén dolgoznak. Ezek az épületek „túlmutatnak az energiaterhelés csökkentésén, és képesek önállóan energiát termelni”.
A fenntartható energiaellátást biztosító, átlátható hűtési technológiával és energiagyűjtő funkciókkal rendelkező többfunkciós intelligens ablakok kifejlesztése szükséges, magyarázzák.
A csapat intelligens ablaka három energiatámogató képességgel éri el ezt a célt: sugárzásos hűtéssel csökkenti a beltéri hőmérsékletet energiabefektetés nélkül, áramot termel az esőcseppek energiájával, és átlátszó fűtőfunkcióval gyorsan eltávolítja a fagyot a hideg napokon.
A tanulmány vezető szerzője, Dr. Yeongju Jung további kutatásokat folytat a kereskedelmi célú fejlesztés érdekében. Ko professzor hangsúlyozza, hogy ilyen típusú intelligens ablakokra nagy szükség van a fosszilis tüzelőanyagoktól való függetlenedés és az energiahatékonyság javítása érdekében.
A fosszilis tüzelőanyagok kimerülésére és a globális felmelegedésre való reagálásra optimalizált új generációs intelligens ablaktechnológia fontos betekintést nyújt a technológiai fejlődésbe, mondta Ko professzor. Az intelligens ablakok alkalmazása várhatóan széles körben elterjed, mivel hozzájárulnak a környezetvédelemhez, csökkentik a hűtési energiaigényt, és önerő termelésével leküzdik a hagyományos akkumulátor-technológiák korlátait.
Az „Energy-saving window for versatile multimode of radiative cooling, energy harvesting, and defrosting functionalities” című tanulmány eredetileg a Nano Energy folyóiratban jelent meg.