Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ ανέπτυξαν μια «αντισυμβατική» συσκευή συλλογής ηλιακής ενέργειας που επιλύει ένα από τα πιο επίμονα προβλήματα των ανανεώσιμων πηγών: την παροχή της κατάλληλης μορφής ενέργειας τη σωστή χρονική στιγμή.

Η νέα τεχνολογία βασίζεται σε μια απλή αλλαγή φάσης — την εξάτμιση και συμπύκνωση του νερού — η οποία λειτουργεί ως οπτικός διακόπτης. Με αυτόν τον τρόπο, η συσκευή μπορεί να εναλλάσσεται παθητικά μεταξύ παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας το καλοκαίρι και παροχής άμεσης θερμότητας τον χειμώνα, χωρίς τη χρήση αισθητήρων, κινητήρων ή μικροεπεξεργαστών.

Ανατρέποντας τη λογική των «μονολειτουργικών» ηλιακών συστημάτων

Οι παραδοσιακές ηλιακές τεχνολογίες θεωρούνται άκαμπτες. Τα φωτοβολταϊκά πάνελ παράγουν ηλεκτρική ενέργεια ανεξάρτητα από το αν ένα κτίριο χρειάζεται ψύξη ή ήδη δυσκολεύεται να διατηρήσει τη θερμοκρασία του. Αντίστοιχα, οι ηλιοθερμικοί συλλέκτες συνεχίζουν να παράγουν θερμότητα ακόμη και κατά τη διάρκεια καύσωνα.

«Η ικανότητα εναλλαγής προσαρμόζεται στις εποχικές ανάγκες των κτιρίων, οι οποίες εξαρτώνται από τη θερμοκρασία», εξηγεί ο επικεφαλής της μελέτης, Ραφαέλ Κέι. Με τον τρόπο αυτό, η ομάδα δημιούργησε έναν «διπλής λειτουργίας» συλλέκτη ενέργειας που ανταποκρίνεται στις πραγματικές ανάγκες: παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για ψύξη το καλοκαίρι και παροχή θερμότητας τον χειμώνα.

Ένας έξυπνος συνδυασμός απλών υλικών

Η συσκευή αποτελείται από έναν απλό αλλά ευφυή συνδυασμό υλικών: έναν φακό Fresnel (λεπτό φακό με αυλακώσεις), μια σφραγισμένη κοιλότητα νερού και ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο.

Η λειτουργία της εξαρτάται από την κατάσταση του νερού μέσα στην κοιλότητα:

  • Σε ζεστές συνθήκες, το νερό παραμένει σε μορφή ατμού. Αυτό δημιουργεί μεγάλη διαφορά στον δείκτη διάθλασης, επιτρέποντας στον φακό να εστιάζει το ηλιακό φως απευθείας στο φωτοβολταϊκό στοιχείο, παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια.
  • Σε ψυχρές συνθήκες, το νερό φτάνει στο σημείο δρόσου και μετατρέπεται σε υγρό. Η αλλαγή αυτή μειώνει τη διαφορά διάθλασης και αποδυναμώνει την εστίαση του φακού. Έτσι, το φως παρακάμπτει το φωτοβολταϊκό στοιχείο και εισέρχεται στο εσωτερικό του κτιρίου ως θερμότητα.

Σε εργαστηριακές δοκιμές που προσομοίωσαν κλίμα παρόμοιο με της Βοστώνης, η συσκευή προσαρμοζόταν αυτόματα με βάση σημείο δρόσου στους 15°C. Από τον Μάιο έως τον Οκτώβριο έδινε προτεραιότητα στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ από τον Νοέμβριο έως τον Απρίλιο λειτουργούσε ως σύστημα θέρμανσης.

Σημαντικά υψηλότερη απόδοση

Η βελτίωση στην απόδοση είναι εντυπωσιακή. Σε λειτουργία θέρμανσης, το σύστημα μετατρέπει περίπου το 90% της ηλιακής ακτινοβολίας σε εσωτερική θερμότητα. Σύμφωνα με τον Κέι, αυτό αντιστοιχεί σε περίπου πέντε φορές μεγαλύτερη απόδοση σε σχέση με έναν συνδυασμό παραδοσιακού φωτοβολταϊκού πάνελ και ηλεκτρικού θερμαντήρα.

Όπως δήλωσε η καθηγήτρια επιστήμης υλικών Τζοάνα Άιζενμπεργκ, η δυνατότητα ενσωμάτωσης τέτοιων συστημάτων σε φεγγίτες ή προσόψεις κτιρίων θα μπορούσε να αποδειχθεί ιδιαίτερα σημαντική, ειδικά καθώς αυξάνεται η ζήτηση για ψύξη σε έναν θερμότερο πλανήτη.

Προκλήσεις και επόμενα βήματα

Παρά την καινοτομία, ένα βασικό εμπόδιο παραμένει: η γωνία πρόσπτωσης του ήλιου. Επειδή οι συσκευές είναι σταθερές, λειτουργούν με μέγιστη απόδοση μόνο σε συγκεκριμένες ώρες της ημέρας. Όταν ο ήλιος δεν βρίσκεται στην ιδανική γωνία, το σύστημα τείνει να λειτουργεί περισσότερο ως πηγή θερμότητας.

Η ερευνητική ομάδα εργάζεται ήδη σε λύσεις για την επέκταση των «ενεργών ωρών» και των δύο λειτουργιών. Στόχος είναι η δημιουργία οικονομικών συστημάτων που θα μπορούν να ενσωματωθούν σε θερμοκήπια, οχήματα και ακόμη και στα τζάμια σύγχρονων κτιρίων, συμβάλλοντας σε μια πιο ευέλικτη και αποδοτική αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας.

Διαβάστε ακόμη