Немецкие ученые создали комплексную энергетическую установку, способную на одной площади генерировать электроэнергию и тепло, а также обеспечивать охлаждение здания. Данное устройство сочетает в себе фотоэлектрические и солнечные тепловые технологии с методом пассивного радиационного охлаждения, что позволяет использовать одну крышу вместо нескольких отдельных систем для каждого из этих процессов.

Руководителем разработки выступил доктор Ган Хуан, работающий в Технологическом институте Карлсруэ. Ключевой сложностью стало то, что солнечный коллектор и система радиационного охлаждения предъявляют различные требования к поверхности. Для эффективного поглощения солнечной энергии коллектору необходимо максимально улавливать солнечное излучение, а для радиационного охладителя – оставаться прохладным и рассеивать тепло в окружающую среду.

Решение этой задачи было найдено благодаря использованию прозрачного излучателя, выполненного из кремниевой основы с покрытием из силиконового полимера. Этот материал пропускает солнечный свет внутрь системы, одновременно излучая тепловую энергию в виде инфракрасного излучения через так называемое атмосферное окно – диапазон длин волн, через который земная атмосфера относительно свободно пропускает тепловое излучение, позволяя ему уходить в космическое пространство.

Под прозрачным охлаждающим слоем находится линза Френеля, которая фокусирует проходящий солнечный свет на компактном фотоэлектрическом коллекторе, работающем на основе тепловой энергии. Этот элемент одновременно генерирует электроэнергию и нагревает теплоноситель. Таким образом, нагревательный компонент системы физически изолирован от расположенного над ним охлаждающего слоя.

Как сообщил ведущий автор исследования, аспирант Иван Альберто Круз Гарсия, солнечный свет вначале проходит через слой, предназначенный для охлаждения, после чего линза фокусирует его на коллекторе значительно меньшего размера. Такая организация позволяет каждому элементу выполнять свою задачу без существенного влияния на работу остальных компонентов.

В ходе проведённых испытаний прототип показал сразу три положительных результата. Система продемонстрировала способность к охлаждению, обеспечивая снижение температуры до 6,5 градусов Цельсия по сравнению с температурой окружающей среды. Одновременно достигалась удельная электрическая мощность вплоть до 60,6 ватта на квадратный метр. При функционировании теплового коллектора температура нагрева достигала отметки в 110,8 градуса Цельсия.

Данная разработка является продолжением работы группы исследователей под руководством Гана Хуана, представленной в 2024 году. В предыдущей публикации учёные создали прозрачный материал, предназначенный для пассивного охлаждения зданий при одновременном пропуске естественного освещения. К этой технологии добавлена функция сбора солнечной энергии, что позволило создать многофункциональную энергетическую систему на одной поверхности.

По мнению разработчиков, в перспективе подобные покрытия могут быть использованы для облицовки крыш и фасадов зданий, превращая их в активные источники энергии, обеспечивающие объект электричеством, теплом и охлаждением одновременно. Одним из вероятных применений являются центры обработки данных с искусственным интеллектом, которые характеризуются высокой потребностью как в электроэнергии, так и в интенсивном охлаждении, зачастую требующемся круглосуточно.

В реализации проекта также был задействован Шаньхуэй Фань, профессор Стэнфордского университета, эксперт в сфере радиационного охлаждения. На последующем этапе исследователи намерены оптимизировать оптическую схему системы, улучшить контроль над тепловыми потоками и модернизировать применяемые солнечные элементы.

Исследование опубликованостатья была опубликована в журнале Cell Reports Physical Science.