単一の屋根表面が、建物の冷却、発電、暖房を同時に行えることが証明されました。ドイツの研究者たちがこのシステムを開発し、よく知られた空間競争の問題を解決しました。太陽光パネル、熱収集器、冷却装置は通常、限られた屋根スペースを争います。カールスルーエ工科大学の黄幹教授が率いるチームは、この混合装置を開発し、光伏技術と太陽熱技術を受動的な日中放射冷却と組み合わせました。
黄教授は、このシステムが単一の装置で、熱い太陽光と冷たい宇宙を同時に収集できることを示しています。外宇宙を十分に活用されていない再生可能な冷却源と見なしています。この技術の核心的な課題は、通常は相反する2つのプロセスを調和させることです。太陽光収集器はできるだけ多くの太陽光を吸収する必要があり、一方で放射冷却器はできるだけ低い温度を維持する必要があります。チームは、シリコン基材とシリコンポリマーコーティングで構成された透明なエミッターを使用することで、この矛盾を解決しました。この材料層は、太陽光を直接透過させると同時に、大気の窓を通じて赤外線で熱を放射します。
この技術の革新的な設計がエネルギー効率を向上させる
この狭い帯域は、地球の大気が熱放射を宇宙に放出する主要な通路であり、ほとんど妨げられることはありません。この透明な層の下には、ファブリ・ペロー・レンズが入ってくる太陽光をコンパクトな光伏-熱収集器に集中させ、同時に電力と熱を生成します。この研究の第一著者である博士課程の学生イバン・アルベルト・クルス・ガルシアは、この構成が物理的に熱い太陽光収集器を上の冷却層から分離していると述べています。クルス・ガルシアによれば、太陽光はまず冷却層を通過し、その後レンズがそれを下の小さな収集器に焦点を合わせます。
この分離により、各コンポーネントが互いに干渉することなく独立して機能することが保証されます。
屋外でのテストでは、このプロトタイプは環境温度よりも最大11.7華氏度（約6.5摂氏度）低い冷却効果を提供しました。同時に、その電力密度は1平方メートルあたり60.6ワットに達しました。このシステムは、最大231華氏度（約110.8摂氏度）の加熱温度にも達しました。このプロジェクトは、黄教授のチームが2024年に発表した研究を引き継いでいます。初期の研究では、日光を透過させながら建物を受動的に冷却できる透明な材料が紹介されました。この最新の研究では、同じ冷却層に太陽光収集を追加し、単一の表面をチームが「多機能エネルギーシステム」と呼ぶものに変えました。
黄教授は、屋根やファサードが最終的には電力、暖房、冷却を同時に提供できるアクティブなエネルギー表面になる可能性があると述べています。彼は、人工知能データセンターが強力な冷却と電力供給を同時に必要とし、通常は24時間体制であるため、潜在的な応用例であると指摘しています。この研究は、放射冷却技術のリーダーであるスタンフォード大学のファン・シャンフェイ教授と共同で行われました。チームの次のステップには、システムの光学設計、熱管理、太陽電池コンポーネントの改善が含まれます。この研究結果は『Cell Reports Physical Science』に発表されました。