发达国家建筑能源消耗为40%左右，供暖、通风和空调系统消耗的能源约占一半。窗户是热量增加或损失的主要来源，是建筑围护结构中能源效率最低的部分。因此，人们开发了各种节能窗，大部分工作集中在光谱选择性光学涂层、基于电致变色、光致变色和热致变色现象的显色涂层，以及近紫外太阳能电池与电致变色窗结合等。尽管它们减轻了室内制冷的负担并降低了建筑能耗，但这些窗户不可避免地将大部分紫外和近红外波段的太阳能消散为废热，特别是在炎热的季节，降低了建筑能源效率并加剧了城市热岛效应。因此，亟待开发能够以电能或热能的形式收集耗散的太阳能以进一步用于建筑物的窗户。
近期，香港科技大学姚舒怀教授和黄宝陵教授等提出透明光伏/光热一体化窗户，集成透明光伏和透明太阳能吸收器，结合通风系统以提取热量供室内使用。与普通的透明光伏相比，太阳能窗户提高太阳能收集效率三倍，同时保持了相当大的可见光透射率。相关结果以《用于全光谱利用的选择性太阳能收集窗户》（Selective Solar Harvesting Windows for Full-Spectrum Utilization）为题进行阐述，其研究成果发表在《Advanced Science》（先进科学）上。
图：香港科技大学，《先进科学》，知识共享许可协议CC BY 4.0
研究者开发了一种基于透明光伏/光热（PV/T）和透明太阳能吸收器（TSA）的双波段选择性太阳能收集（SSH）窗户。TSA用来将紫外（UV）或近红外（NIR）光转换成热能。SSH 窗户充当透明的PV/T系统，通过透明光伏将紫外线转换为电能，通过太阳能吸收器将近红外转换为热能，同时透过可见光。通风空气提取收集的热能，在寒冷季节提供室内空间供暖或在炎热季节减少室内冷负荷。
研究者通过将PV/T元件与内侧的TSA组装在一起，制作了一个30厘米x30厘米x2.4厘米的原型。经测试，该设备表现出显着的可见光透射率，且每平方米能产生6瓦电力和大约150瓦的热能。 “热能是发电量的25倍，这表明收集热能对于建筑集成太阳能收集窗户来说是最重要的。通过空气通风收集热能，在建筑空间供暖应用的典型操作条件下，总体有效效率估计可逾30%。”
研究者同时证明了SSH窗户的可见光透射率为42%，在通风温度升高10 ℃时，太阳能-电能转换效率为0.75%，太阳能—热转换效率为24%。与普通透明光伏相比，SSH 窗户将太阳能收集效率提高了三倍。
研究者进行了建筑能耗模拟，结果表明，相比于普通节能玻璃，SSH 窗户每年进一步节省HVAC 能源消耗高达61.5%，在此基础上，其发电量占年节能量的 19.1% 。
本研究中的SSH窗户是首次报道的透明PV/T系统，在可加工性、成本效益和商业适应性方面具有优越的优势，可能会开创节能建筑的新设计理念。 图片
论文信息：
Selective Solar Harvesting Windows for Full-Spectrum Utilization
Weihong Li, Chongjia Lin, Gan Huang, Jun Hur, Baoling Huang*, Shuhuai Yao*
Advanced Science
DOI: 10.1002/advs.202201738
