香港市立大学の研究チームは、熱変色二面型太陽光発電（TC-BiPV）ガラスシステムを開発し、このシステムは水ゲルを基盤とした熱変色層と二面型太陽光発電モジュールを組み合わせたものである。このシステムは、太陽光の透過率を動的に調整しながら、両面から太陽光を収集し、建物のエネルギー消費、コスト、排出量を削減することを目指している。

システムの仕組み

このシステムは、外側から内側へと、二面型太陽光発電ガラス、空気層、水ゲルガラスが配置されている。BiPVガラスは、2枚の透明なガラス板の間に太陽光発電セルが挟まれており、水ゲルガラスは、2枚のガラス板の間に熱変色水ゲル層が封入されている。温度が上昇すると、水ゲルは透明から半透明に変化し、太陽熱の取得を抑制しながら、視覚的・熱的快適性を維持する。

転移温度以下では、水ゲルは透明であり、室内照明用の太陽光を透過させる。転移温度以上では、水ゲルは半透明となり、太陽熱の取得を抑える。高温状態では、水ゲルはBiPVガラスの裏面側へ光を反射し、裏面での発電効率を向上させる。この設計により、本来は無駄になるエネルギーを効果的に回収し、全体のシステム効率を向上させる。

このシステムは、スペクトル選択性を備えており、前面のBiPVガラスは全太陽光スペクトルを受ける一方、裏面の照射は太陽光発電の応答範囲に集中される。これにより、セル温度が低下し、効率が向上する。水ゲルの状態は、外気温、太陽光照射、入射角に応じて変化し、システムの性能は方位や気候条件と関連づけられる。

性能と利点

プロトタイプは、BiPVセルを6×6のマトリクスに配置し、約45％のカバー率と1mm厚の水ゲル層をガラス板の間に封入して構成されている。この構成には、配線や設置、水ゲルとBiPVガラスの独立交換を可能にする5cmの空気層が含まれており、メンテナンスが容易である。

筆頭著者の曹陳燕氏は、プロトタイプの実験結果を報告し、夏のテスト日において、TC-BiPVガラスは単独の熱変色ガラスと比較して、直射日光による熱取得を約30％削減し、テストボックス内の空気温度を最大4.8℃低下させたと述べた。従来の二面型太陽光発電ガラスと比較して、TC-BiPVは直射日光による熱取得を約62.6％削減し、テストボックス内の温度を最大15.1℃低下させ、発電量を約16.5％増加させた。

熱帯地域における年間シミュレーションでは、TC-BiPV二面型発電量は、天井窓では9～18％、垂直窓では6～14％であり、BiPVでは4～5％、5～7％と比較して高い。分析では、天井窓の設置において、TC-BiPVはBiPVと比較して年間室内熱取得を27.7％、TCガラスと比較して38.4％削減し、外壁窓ではそれぞれ9.1％、40.1％の削減が見られた。

なぜ重要なのか

TC-BiPVシステムは、暖かい気候の地域におけるエネルギー効率の高い建物の外皮として、実用的な可能性を持つ、スケーラブルでパッシブな冷却負荷削減の経路を提供する。Tso氏によると、このシステムは、特に熱帯地域のような冷却需要が高い地域における建物のエネルギー消費を削減する実用的な解決策として設計されている。

従来の熱変色材料であるバナジウム酸（VO₂）やペロブスカイトには、高転移温度、毒性、大規模製造の課題などの制限がある。一方、水ゲルベースのTCガラスは、全スペクトルの調節、低コスト、スケーラビリティを提供し、実世界の応用においてより実用的である。

熱変色機能と二面型太陽光発電機能を単一のシステムに統合することは、高度なガラス応用において非常に望ましい。以前のハイブリッドソリューション、例えば太陽光発電ブラインドや追跡型太陽光発電モジュールは、手動または機械的な調整に依存しており、運用の複雑さとコストが増加した。TC-BiPVシステムは、パッシブとアクティブな太陽光技術を単一の効率的な設計に組み合わせることで、これらの制限を克服している。

このシステムは、「実験的および数値的な新しい熱変色二面型太陽光発電ガラスシステムの研究」と題した論文で、『Building and Environment』誌に掲載された。この研究は、TC-BiPVシステムが、従来の冷房システムへの依存を削減し、再生可能エネルギーの利用を増やすことにより、建物のエネルギー効率を革命的に変える可能性を強調している。

この研究は、PVカバー率や水ゲルの転移温度などの設計の主要なレバーを特定し、特定の建物のニーズや気候条件に基づいてシステムの性能を最適化することができることも示している。この柔軟性により、このシステムは住宅から商業施設に至るまで、幅広い応用が可能である。

エネルギー効率の高い建物のソリューションに対する世界的な需要が継続的に増加する中、TC-BiPVシステムは、持続可能な建築における有望なイノベーションを代表している。さらなる開発とテストを通じて、このシステムは、炭素排出量の削減とエネルギー費用の削減を目指す建物において、標準的な機能として採用される可能性がある。