อุตสาหกรรม

การออกแบบหน้าต่างใหม่สามารถช่วยให้อาคารสร้างพลังงานของตัวเองได้หรือไม่?

การออกแบบหน้าต่างใหม่สามารถช่วยให้อาคารสร้างพลังงานของตัวเองได้หรือไม่?

หน้าต่างอาคารสำนักงาน [รูปภาพ: C P Storm, Flickr]

ปัจจุบันอาคารสมัยใหม่คิดเป็นสัดส่วนประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ของพลังงานที่ใช้ในประเทศที่พัฒนาแล้วซึ่ง 2 ใน 3 อาจเป็นผลมาจากความร้อนและความเย็น อย่างไรก็ตามในช่วงหลายปีที่ผ่านมามีการออกแบบหน้าต่างที่เป็นนวัตกรรมใหม่จำนวนมากซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของความพยายามโดยรวมของภาคพลังงานและสถาบันการวิจัยเพื่อลดการใช้พลังงานและลดต้นทุน

หนึ่งในนวัตกรรมล่าสุดคือ "หน้าต่างอัจฉริยะ" ประหยัดพลังงานที่พัฒนาโดย University College London (UCL) การออกแบบนี้ยังคงอยู่ในขั้นตอนการทดสอบเป็นอย่างมากโดยมีคุณสมบัติป้องกันแสงสะท้อนซึ่งประกอบด้วยโครงสร้างนาโนที่ช่วยลดปริมาณแสงสะท้อนรอบห้องให้เหลือน้อยกว่า 5 เปอร์เซ็นต์ โครงสร้างนาโนจัดเรียงในรูปแบบที่เลียนแบบคุณสมบัติป้องกันแสงสะท้อนที่พบในแมลงบางชนิดเช่นผีเสื้อกลางคืนจึงช่วยลดแสงจ้า หน้าต่างยังมีวาเนเดียมไดออกไซด์เคลือบบาง ๆ ซึ่งป้องกันความร้อนหนีออกจากอาคารในวันที่อากาศหนาวเย็นขณะเดียวกันก็ป้องกันการเข้ามาของรังสีอินฟราเรดจากแสงแดดในวันที่อากาศอบอุ่น

โครงสร้างนาโนยังได้รับการออกแบบมาเพื่อลดการเกาะของน้ำเช่นฝนที่ตกลงมามักจะกลิ้งออกจากกระจกเก็บฝุ่นและสิ่งสกปรกในขณะที่ทำเช่นนั้นทำให้หน้าต่างทำความสะอาดตัวเองได้บางส่วน เป้าหมายโดยรวมของโครงการซึ่งได้รับทุนสนับสนุนจากสภาวิจัยด้านวิศวกรรมและวิทยาศาสตร์กายภาพ (EPSRC) คือการประหยัดการใช้พลังงานลดค่าใช้จ่ายในการทำความสะอาดและลดค่าความร้อนลง 40 เปอร์เซ็นต์

ทีมวิจัยของ UCL นำโดย Dr Ioannis Papakonstantinou หวังว่าหน้าต่างเหล่านี้จะพร้อมใช้งานในเชิงพาณิชย์ภายในสามถึงห้าปี ในขณะเดียวกันทีมงานยังมีเป้าหมายที่จะพัฒนาฟิล์มโพลีเมอร์อัจฉริยะซึ่งสามารถติดตั้งบนหน้าต่างที่มีอยู่เพื่อให้ได้ผลการทำความสะอาดตัวเองและการประหยัดพลังงานแบบเดียวกัน

นอกจากนี้ Windows ยังได้รับการผลิตด้วยสารเคลือบสำหรับผลิตไฟฟ้าที่สร้างพลังงานหมุนเวียน บริษัท หนึ่งที่ผลิตงานออกแบบดังกล่าวคือ SolarWindow Technologies ซึ่งประกาศว่ากำลังทดสอบผลิตภัณฑ์ดังกล่าวเมื่อเดือนมีนาคมปีที่แล้ว เป้าหมายของ บริษัท คือการพัฒนาหน้าต่างที่สามารถสร้างพลังงานโดยให้ผลตอบแทนจากการลงทุนภายในหนึ่งปี ในเดือนสิงหาคม SolarWindow ประกาศว่าหน้าต่างใหม่สามารถสร้างพลังงานได้ 50 เท่าของพลังงานที่ผลิตโดยแผงโซลาร์เซลล์ทั่วไปต่ออาคารรวมทั้งผลิตสารเคลือบที่สร้างพลังงานสำหรับหน้าต่างที่มีอยู่ซึ่งทำจากวัสดุอินทรีย์เช่นคาร์บอนไฮโดรเจนไนโตรเจนและออกซิเจน การเคลือบเหล่านี้จะต้องติดตั้งที่ด้านในของหน้าต่างเพื่อป้องกันเซลล์แสงอาทิตย์ พลังงานจะถูกสร้างขึ้นโดยสายไฟที่ "มองไม่เห็น" จำนวนหนึ่งภายในการเคลือบ

[ภาพ: SolarWindow Technologies]

SolarWindow ไม่ใช่คนเดียวที่ทำงานออกแบบดังกล่าว นักวิจัยจาก Michigan State University ได้สร้างหน้าต่างสร้างพลังงานที่โปร่งใสเต็มรูปแบบในเดือนสิงหาคม 2014 หน้าต่างดังกล่าวทำหน้าที่เหมือนเซลล์แสงอาทิตย์และเป็นเหมือนผลิตภัณฑ์ของ SolarWindow ซึ่งออกแบบมาสำหรับอาคารสูงเช่นอาคารสำนักงานและอพาร์ตเมนต์ในเมืองของสหรัฐอเมริกา การวิจัยกำลังดำเนินการต่อไปโดยการเริ่มต้นของ MIT Ubiquitous Energy ซึ่งร่วมก่อตั้งโดย Richard Lunt ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเคมีและวัสดุศาสตร์ที่ Michigan State University วิธีการทำงานของหน้าต่างคือการเก็บเกี่ยวส่วนที่มองไม่เห็นของสเปกตรัมแสงอาทิตย์ในขณะที่ปล่อยให้แสงที่มองเห็นผ่านได้ซึ่งแตกต่างจาก 'หน้าต่างแสงอาทิตย์' อื่น ๆ ที่ 'โปร่งใสเพียงบางส่วน' เนื่องจากการสร้างเซลล์แสงอาทิตย์โดยปกติต้องอาศัยการดูด โฟตอนเพื่อแปลงเป็นอิเล็กตรอน ซึ่งหมายความว่าโดยพื้นฐานแล้วการสร้างเซลล์ PV แบบโปร่งใสนั้นเป็นไปไม่ได้ หากหน้าต่างพยายามทำตามแนวทาง PV แสงบางส่วนอย่างน้อยต้องถูกดูดซับโดยหน้าต่างทำให้โปร่งใสเพียงบางส่วนเท่านั้นที่ดีที่สุด

มหาวิทยาลัยมิชิแกนสเตทและ Ubiquitous Energy ได้ดำเนินการตามแนวทางที่แตกต่างกันในการพัฒนา "หัวฉายพลังงานแสงอาทิตย์แบบเรืองแสงแบบโปร่งใส" (TLSC) ซึ่งประกอบด้วยเกลืออินทรีย์ที่ดูดซับความยาวคลื่นเฉพาะของแสงอัลตราไวโอเลตและอินฟราเรด จากนั้นจะเรืองแสงเป็นอีกความยาวคลื่นหนึ่งที่มองไม่เห็นของแสงอินฟราเรดซึ่งนำไปสู่ขอบหน้าต่างซึ่งแถบของวัสดุ PV ธรรมดามองเห็นเป็นแถบสีดำตามขอบของแผ่นพลาสติกแปลงเป็นไฟฟ้า

ดูเพิ่มเติม: บ้าน Net Zero ที่มีประสิทธิภาพพลังงานสูงของแคนาดา

ปัจจุบัน TLSC มีประสิทธิภาพเพียงประมาณ 1 เปอร์เซ็นต์ แต่นักวิจัยคิดว่าสิ่งนี้สามารถเพิ่มขึ้นได้เมื่อมีการผลิตจำนวนมาก จากนั้นอาจใช้สำหรับหน้าต่างในอาคารสูงหรือในขนาดที่เล็กกว่าสำหรับหน้าจอแสดงผลสำหรับอุปกรณ์เคลื่อนที่

หน้าต่างที่สร้างพลังงานบางส่วนสามารถลดอุณหภูมิของอากาศภายในอาคารได้กล่าวอีกนัยหนึ่งคือให้ผลเย็น Solaria กำลังพัฒนาหน้าต่างที่มีแถบ PV ขนาด 2.5 มม. ฝังอยู่ในกระจกหน้าต่างซึ่งไม่เพียงสร้างพลังงาน แต่ยังช่วยลด "ค่าสัมประสิทธิ์การรับความร้อนจากแสงอาทิตย์" ผลกระทบของแสงแดดที่มีต่ออุณหภูมิภายใน

นวัตกรรมเหล่านี้จะมีประสิทธิภาพเพียงใดเมื่อเข้าสู่ตลาดโดยถือว่าประสบความสำเร็จในเชิงพาณิชย์ยังคงมีให้เห็น ปัจจุบันส่วนใหญ่ยังอยู่ระหว่างการทดสอบและพัฒนาและภาคเฉพาะนี้ยังอยู่ในช่วงวัยเด็กอยู่มาก

อย่างไรก็ตามหากสามารถผลิตการออกแบบหน้าต่างที่สร้างพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพและประสิทธิผลจะเป็นอีกก้าวหนึ่งที่นำไปสู่อาคารที่สามารถผลิตพลังงานได้ด้วยตัวเองทั้งหมดกระจายการผลิตพลังงานไปในพื้นที่มากขึ้นประหยัดพลังงานและต้นทุนและลดการปล่อยก๊าซคาร์บอน

อาจเป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นมากถ้าได้ผล