Forscher der City University of Hong Kong haben ein bahnbrechendes thermochromes Bifacial-Photovoltaik-(TC-BiPV)-Glas entwickelt, das thermochrome Schichten auf Basis von Hydrogelen mit Bifacial-PV-Modulen kombiniert. Das System reguliert dynamisch die Sonnenstrahlung und erntet gleichzeitig Sonnenstrahlung von beiden Seiten, um den Energieverbrauch, die Kosten und Emissionen in Gebäuden zu reduzieren.

Funktionsweise des Systems

Das System besteht aus einem Bifacial-PV-Glaspaneel, einem Luftspalt und einem Hydrogel-Glaspaneel, die von außen nach innen angeordnet sind. Das BiPV-Glas enthält PV-Zellen, die zwischen zwei klaren Glaspaneelen eingeschlossen sind, während das Hydrogel-Glas eine thermochrome Hydrogel-Schicht zwischen zwei Glaspaneelen umschließt. Das Hydrogel wechselt bei steigender Temperatur von transparent zu undurchsichtig, wodurch der Sonnenwärmeauftrag reduziert wird, während visuelle und thermische Komfortbedingungen erhalten bleiben.

Unterhalb der Übergangstemperatur ist das Hydrogel transparent und ermöglicht die Sonnenstrahlung für das Innenlicht. Oberhalb der Übergangstemperatur wird es undurchsichtig und reduziert den Sonnenwärmeauftrag. In seiner heißen Form reflektiert das Hydrogel das Licht zur Rückseite des BiPV-Glases, wodurch die Stromerzeugung auf der Rückseite gesteigert wird. Dieser Entwurf erfasst effizient Energie, die andernfalls verloren gegangen wäre, und verbessert die Gesamteffizienz des Systems.

Das System beinhaltet auch spektrale Selektivität, wodurch das vordere BiPV-Glas den gesamten Sonnenspektrum empfängt, während die Rückseite-Strahlung auf den PV-Antwortbereich konzentriert wird. Dies senkt die Zelltemperatur und verbessert die Effizienz, da der Hydrogelzustand auf die Außentemperatur, die Sonnenstrahlung und den Einfallswinkel reagiert und die Systemleistung mit der Ausrichtung und den klimatischen Bedingungen verknüpft.

Leistung und Vorteile

Das Prototyp wurde mit BiPV-Zellen in einer 6×6-Matrix mit etwa 45 % Deckung und einer 1 mm dicken Hydrogel-Schicht hergestellt, die zwischen Glaspaneelen versiegelt ist. Die Montage umfasst einen 5 cm Luftspalt für Kabel, Montage und unabhängige Austauschbarkeit von Hydrogel und PV-Glas, was eine einfachere Wartung ermöglicht.

Erster Autor Chin Yan Tso teilte Ergebnisse aus Prototyp-Experimenten mit, und sagte, dass an einem Sommertesttag das TC-BiPV-Glas den direkten Sonnenwärmeauftrag um etwa 30 % reduzierte im Vergleich zu thermochromem Glas allein, wodurch die Lufttemperatur im Testkasten um bis zu 4,8 °C sank. Im Vergleich zu herkömmlichem Bifacial-PV-Glas reduzierte TC-BiPV den direkten Sonnenwärmeauftrag um etwa 62,6 %, reduzierte die Temperatur im Testkasten um bis zu 15,1 °C und steigerte die Stromerzeugung um etwa 16,5 %.

Jährliche Simulationen in tropischen Regionen zeigten, dass das TC-BiPV-Bifacial-Gewinn von 9–18 % für Dachfenster und 6–14 % für vertikale Fenster beträgt, im Vergleich zu 4–5 % und 5–7 % für BiPV. Die Analyse zeigte auch, dass bei Dachfensterinstallationen TC-BiPV den jährlichen Innenwärmeauftrag um 27,7 % reduziert im Vergleich zu BiPV und um 38,4 % im Vergleich zu TC-Glas; bei Fassadenfenstern sind die Reduktionen 9,1 % und 40,1 %.

Warum es wichtig ist

Das TC-BiPV-System bietet einen skalierbaren, passiven Weg zur Reduktion von Kühlbedarf, während es die lokale PV-Erzeugung verbessert, und hat praktisches Potenzial für energieeffiziente Gebäudehüllen in warmen Klimazonen. Laut Tso ist das System so konzipiert, um eine praktische Lösung für die Reduktion des Energieverbrauchs in Gebäuden zu sein, insbesondere in tropischen Regionen, in denen der Kühlbedarf hoch ist.

Traditionelle thermochrome Materialien wie Vanadiumdioxid (VO₂) und Perowskite haben Einschränkungen, einschließlich hoher Übergangstemperaturen, Toxizität und Herausforderungen bei der großflächigen Herstellung. Hydrogel-basierte TC-Glas, andererseits, bietet volles Spektrum Modulation, geringe Kosten und Skalierbarkeit, was es für reale Anwendungen praktischer macht.

Die Integration beider thermochromer und Bifacial-PV-Funktionen in ein einziges System ist für fortgeschrittene Glaskonzepte sehr wünschenswert. Frühere Hybridlösungen, wie PV-Rollläden oder nachfolgende PV-Module, verließen sich auf manuelle oder mechanische Anpassungen, was die Betriebskomplexität und Kosten erhöhte. Das TC-BiPV-System überwindet diese Einschränkungen, indem es passive und aktive Solartechnologien in einem einzigen, effizienten Entwurf kombiniert.

Das System wurde in einem Artikel mit dem Titel „Experimental and numerical study of a novel thermochromic bifacial photovoltaic glazing system“ in der Zeitschrift Building and Environment beschrieben. Die Forschung betont das Potenzial des TC-BiPV-Systems, die Energieeffizienz von Gebäuden zu revolutionieren, indem es den Vertrauensgrad auf herkömmliche Kühlungssysteme reduziert und den Einsatz erneuerbarer Energien erhöht.

Die Studie identifizierte auch Schlüsseldesignhebel, einschließlich des PV-Deckungsverhältnisses und der Hydrogel-Übergangstemperatur, die angepasst werden können, um die Systemleistung basierend auf spezifischen Gebäudebedürfnissen und klimatischen Bedingungen zu optimieren. Diese Flexibilität macht das System anpassbar an eine breite Palette von Anwendungen, von Wohngebäuden bis zu kommerziellen Strukturen.

Da der globale Bedarf an energieeffizienten Gebäude-Lösungen weiterhin wächst, stellt das TC-BiPV-System eine vielversprechende Innovation in der nachhaltigen Architektur dar. Mit weiterer Entwicklung und Tests könnte das System ein Standardmerkmal in Gebäuden werden, die darauf abzielen, ihren CO₂-Fußabdruck zu reduzieren und die Energiekosten zu senken.