Как устойчиво стабилизировать температуру в помещении без дополнительных затрат энергии? Ответ на этот вопрос дает новая разработка Технического университета Чалмерса, Швеция – оконная пленка по технологии MOST не дает комнатам перегреваться в течение светового дня, но обогревает их ночью, заменяя собой кондиционер
Очевидное изменение климата требует огромных затрат на кондиционирование помещений, а необходимость в эффективном охлаждении воздуха приводит к росту энергопотребления. По данным Международного энергетического агентства (IEA) на поддержание прохлады кондиционерами и электрическими вентиляторами по всему миру сегодня расходуется почти 20% от общего объема электроэнергии, используемой в зданиях. Установленная холодильная мощность устройств для кондиционирования воздуха за тридцать лет выросла более чем втрое, причем более половины из этой общей установленной мощности приходится именно на жилой сектор. Тенденция роста глобального потребления энергии для охлаждения помещений будет усиливаться, что становится существенным фактором влияния на увеличение общего спроса на энергию. Если не изменить ситуацию с темпами установки традиционного оборудования для кондиционирования воздуха, то к 2050 г. нынешний спрос на энергию, потребляемую кондиционерами, увеличится более чем втрое, несмотря на их повышающуюся энергоэффективность, см. рис. 1.
Рис. 1. Конечное потребление электроэнергии в зданиях, 2016 и 2050 гг., ТВт·ч и доля в %. Источник: Отчет IEA/ OECD «The Future of Cooling»
Продолжающееся техногенное воздействие на окружающую среду заставляет мировое сообщество искать более экологичные альтернативы традиционным способам получения и использования энергии. Перспектива видится в возобновляемых источниках энергии, получаемой из солнца, ветра или гидроэлектроэнергии. Тем не менее, ежедневные и сезонные колебания в производстве и потреблении энергии из ВИЭ вынуждают усиленно разрабатывать новые технологии сбережения энергии. Какие имеются резервы для экономии энергии на кондиционирование помещений, кроме методов пассивной теплоизоляции и рекуперации?
Одним из решений данной проблемы может стать использование света и хранения его энергии по комбинированной технологии. В нашей публикации «Жидкое солнечное топливо» в том числе рассказывалось о молекулярно-солнечной тепловой системе (МОСТ, MOlecular Solar Thermal, MOST), в которой солнечная энергия накапливается и сохраняется в жидком виде, а затем при необходимости выделяется в виде тепла. Теперь данное химическое преобразование используется в прозрачной пленке, которая может применяться в энергоэффективных зданиях, будучи размещенной на внутренней части остекления окон или других светопрозрачных проемов.
Как работает пленочный оконный кондиционер?
Как и в случае с «жидким солнечным топливом» (STF), пленка MOST включает молекулу норборнадиен-квадрициклана (NBD–QC). Прозрачная полимерная пленка, когда не подвергается прямому воздействию солнечного света, имеет оранжево-желтый цвет.
Как только солнечные лучи утром попадают на материал, большая часть солнечной энергии из солнечного света поглощается молекулой NBD. Более конкретно, молекулы захватывают некоторые из поступающих фотонов, заставляя их изомеризоваться в QC – это означает, что соединение NBD временно становится молекулой другого типа, с точно такими же атомами, но расположенными иначе.
В результате воздействия солнечного света желтоватая пленка полностью обесцвечивается, рис. 2, и предотвращает попадание большей части солнечного тепла в помещение. Таким образом, внутреннее помещение в здании днем остается прохладным, что снижает необходимость в принудительном охлаждении воздуха.
Рис. 2. Пленка по технологии MOST стабилизирует суточные колебания температуры в помещении
Вечером же, когда солнечные лучи больше не попадают на пленку, молекула возвращается к своей прежней форме, высвобождая накопленную энергию в комнату в виде тепла вплоть до восьми часов подряд. Это уменьшает мощность системы отопления здания и даже устраняет необходимость включать ее ночью на усиленный режим, что, в итоге, стабилизирует микроклимат, устраняя или резко снижая суточные колебания температуры в помещении.
Подробности исследования, которое возглавляет профессор Каспер Мот-Поулсен, описаны в статье, недавно опубликованной в журнале Advanced Science, США.
Технология «фотопереключателей»
В последнее время устройства, которые могут улавливать и преобразовывать солнечный свет в запасенную химическую энергию, оказались в фокусе внимания многих исследователей ввиду их перспективности для новых энергетических технологий. Общая задача состоит в том, чтобы объединить эффективный захват солнечной энергии с высокой плотностью энергии и временем накопления энергии в некоем доступном композите, способном функционировать в устройстве длительное время.
В данном решении по технологии MOST молекулярные фотопереключатели «норборнадиен (NBD) – квадрициклан (QC)» встроены в полимерные матрицы и способны служить временными накопителями энергии. Фотопереключатели NBDQC потенциально способны поглощать солнечный свет с расчетной эффективностью накопления солнечной энергии до 3,8% в сочетании с плотностью накопления энергии до 0,48 МДж / кг. Если создать выгодную комбинацию донорных и акцепторных частиц, то это приведет к улучшению согласования спектра солнечного излучения с поглощением света с длиной волны до 529 нм и временем накопления энергии (t1/2) до 10 месяцев. Обычный же режим предполагает ежедневный цикл накопления/отдачи энергии (днем/ ночью) с контролируемым уровнем деградации материала, что позволяет их применять в качестве ламинирующих пленок на внутренней поверхности окон.
В пленках по технологии MOST энергия может храниться в молекулярном «фотопереключателе», который при облучении солнечным светом преобразуется в изомер с высокой внутренней энергией. Этот метастабильный вид изомера может храниться до тех пор, пока энергия не будет выделена в виде тепла, что приведет к обратному преобразованию до родительской формы. Такое выделение тепла может быть инициировано нагревом или даже происходить в условиях обычной окружающей среды. Изомер «разряжается» в зависимости от времени хранения (t1/2) высокоэнергетического изомера, на которое влияет гетерогенный катализатор, электрический потенциал или свет.
Однако для того, чтобы такие пленочные покрытия были практически применимыми, к молекулярной системе фотопереключателя предъявляются некоторые обязательные требования, которые нужно выполнить. К ним относятся такие молекулярные свойства, как хорошее перекрытие спектров поглощения исходной молекулы с солнечным спектром, где метастабильный изомер с высокой энергией не должен демонстрировать конкурирующую абсорбцию (то есть не должен «разряжаться» от света с той же длиной волны, что и «родительский» изомер, когда тот заряжается); иметь хороший квантовый выход для фотоизомеризации; накапливать энергию с высокой плотностью на единицу массы и иметь хорошие показатели повторяемости процесса (т. н. циклируемость). Наконец, время хранения энергии в метастабильном изомере должно соответствовать желаемому применению. Например, для ламинированного слоя на окнах, который ежедневно регулирует внутреннюю температуру, может потребоваться всего 4-8 часов.
В отличие от жидких долгоживущих метастабильных соединений, которые могут удерживать энергию достаточно долго (вплоть от одного сезона до нескольких лет) и поэтому могут применяться для сезонного бытового отопления, полимерное «твердое» покрытие должно сохранять желаемые молекулярные свойства фотопереключателя в течение всего нескольких часов, но при этом демонстрировать отличную циклическую способность, высокую плотность накопления энергии и собственную стабильность, а также демонстрировать идеальную эстетику, например, для оконных конструкций. Одной из молекулярных систем, которая показала многообещающие результаты в этом отношении, является пара норборнадиенквадрициклан (NBD-QC, рис. 3). Свойства фотопереключения этой молекулы хорошо настраиваются для требований по технологии MOST, многие производные демонстрируют хорошую циклируемость и высокие квантовые выходы. К сожалению, полоса поглощения N1 не вполне перекрывает солнечный спектр. Для устранения недостатков, связанных со спектром поглощения NBD, необходимо ввести специальные молекулы-корректоры.
Рис. 3. Фотосенсибилизируемый переход и обратная изомеризация:
а) норборнадиен (NBD) N1-квадрициклан (QC) Q1; b) термо-фото-активное производное NBD N2 с цианоакцепторами и донорными радикалами
Включение NBD в полимеры
Чтобы реализовать твердотельные устройства, пригодные для широкого применения, фотопереключатель MOST в идеале должен быть включен в сам полимер-носитель. Таким образом, смешивание NBD с полимером-носителем позволяет создать твердый фотоактивный материал, механические свойства которого определяются полимерной матрицей, в которую и диспергирован NBD. Другое преимущество использования NBD для этой цели состоит в том, что его изомерная форма QC имеет тенденцию не поглощать видимый свет, тем самым избегая эффектов внутренней фильтрации или фотостационарных состояний, когда под влиянием света одного и того же спектра одновременно происходят прямой (накопление энергии) и обратный (выделение энергии) переходы, что более характерно для фотохромных систем на другой основе.
Хорошая циклируемость была продемонстрирована для N2 (см. рис. 1), однако заявленный период полураспада изомеров составлял менее 5 минут, что имеет ограниченное практическое применение и недостаточное время для бытового «оконного» цикла разрядки в течение 4-8 часов.
Поскольку в центре внимания данного исследования находится разработка полимерной композитной системы NBD-QC именно для применений в окнах и покрытиях, где требуется функция твердого состояния, важно было найти такую композицию, которая соответствовала бы требованиям по длительности цикла «разряда» энергии. Система с NBD удовлетворяет многим требованиям для молекулярного объекта в твердом состоянии, изложенным выше, однако для этой системы все же нужно было найти более подходящую композицию изомеров, ингибиторов и катализаторов для фото-термального перехода с заданным периодом полураспада.
Нацеливаясь именно для применения MOST в оконных ламинатах с ежедневным циклом зарядки/разрядки, исследователи разработали серию молекул на основе NBD, которые обладают хорошим соответствием солнечному спектру и заданный период полураспада в диапазоне 4-8 часов. Кроме показанной на рис. 3 NBD с цианоакцептором, были изучены свойства других ароматических доноров. Смысл поиска – найти такие NBD-содержащие соединения, фотосенсибилизированный изомер которого (QC) имел бы смещенный максимум поглощения (например, в красную область спектра), см. рис. 4.
Рис. 4. Кинетика процесса:
а) кривая эволюции периода полураспада и прочности акцептора между N5a – d (красный) и N7a – d (синий); b) спектры поглощения прогрессивной реакции обратной конверсии QQ4e → NQ4e → NN4e в толуоле; c) схема последовательных стадий обратной реакции, наблюдаемые в УФ-видимом спектре
Оценка доли солнечного спектра, который может быть захвачен и сохранен этими соединениями, показывает эффективность захвата энергии в 2,9%, 1,5% и 3,8% для N4b, N4d и NN4e соответственно.
В связи с новыми синтезированными фотопереключателями NBD–QC и анализом их фотохимии, исследование было сосредоточено для оценки возможных применений для климатического контроля путем ламинирования окон. В идеале ламинированные пленки с включенными в их полимерную матрицу идентифицированными NBD для регулирования температуры требуют, чтобы период полураспада NBD составлял порядка 4-8 часов.
Чтобы исследовать это, был выбран N4b, так как он имеет хорошее перекрытие спектра Солнца (λonset = 457 нм) и хороший квантовый выход (Φ = 68%), но что наиболее важно, период полураспада составляет чуть менее 7 часов. Этот фотопереключатель был включен в четыре различных полимера с целью исследования влияния матричного полимера на переключающие свойства внедренного NBD. Оказалось, что наиболее подходящим матричным полимером для изготовления фото-термо-активных NBD-композитов без существенной деградации стал широко известный и недорогой полистирол.
Чтобы проиллюстрировать потенциал NBDполистирольных композитов для ламинирования на окнах, они были отлиты на стеклянные подложки (см. рис. 5) с толщиной пленки 70 мкм (± 5 мкм), на которых впоследствии исследовались оптические и энергетические свойства данных твердотельных систем.
Рис. 5. Стекло (5 см × 8 см) покрытое слоем полистирола с NBD (0,8 мас.% N4b) толщиной 70 мкм (± 5 мкм)
а) при воздействии света на половину образца (λ = 405 нм, ≈ 1700 мВт, ≈ 1 мин) и b) после обратного преобразования
Результатом данного исследования стали новые синтезированные NBD, у которых начало поглощения смещено в красную сторону спектра по сравнению с аналогами, и которые имеют более короткое время стабильности его изомера QC. В результате эти новые производные больше подходят для ежедневного циклического поглощения / высвобождения энергии, а также имеют хорошее совпадение с солнечным спектром. Тем не менее, при необходимости можно существенно увеличить относительно короткое время жизни (преобразования высокоэнергичного изомера QC в NBD) введением специальных доноров. Это приводит к созданию твердотельных фото-термальных систем с довольно длительным «временем жизни» до момента разрядки (t1/2 = 10 месяцев). Кроме того, сочетание улучшенного соответствия солнечному спектру, квантового выхода и плотности накопления энергии 0,34-0,48 МДж / кг приводит к общей эффективности накопления солнечной энергии до 3,8%.
Данное исследование показало, что NBD, диспергированный в полистирольной матрице, может поглощать солнечный свет и через определенное (задаваемое составом) время выделять энергию в виде тепла. Это первый шаг в создании систем тонирования окон и светопрозрачных проемов по системе NBD MOST, который демонстрирует большие практические перспективы для внедрения этой технологии с целью энергосбережения. Данную технологию можно использовать, в том числе для создания пассивных устройств климат-контроля, способных стабилизировать суточные колебания температуры в помещении лишь под вилянием внешнего солнечного света, без использования дополнительных источников энергии.
В настоящее время исследователи работают над снижением цены и увеличением NBD–QC концентрации в полимерной пленке, и надеются, что вскоре появится коммерчески доступный продукт для подобной тепловой модернизации имеющихся окон, появлению специальных оконных систем для пассивного климат-контроля и систем, защищающих от обледенения.
По материалам публикаций Технического университета Чалмерса, Швеция
Більше важливих статей і новин в Telegram-каналі та корисні відео на Youtube-каналі та у TikTok. Долучайтесь!
Переглянуто: 3 126
