Barwnik tworzący kryształy w kształcie tęczówek ułatwia przekształcanie wieżowców i szklarni w elektrownie.

Zmysł wzroku zainspirował liczne postępy technologiczne, od projektowania czujników po rozwój kamer zdolnych do rozróżniania istotnych informacji w procesie podejmowania decyzji, przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia informacji i energii. Zdolność tęczówki oka do adaptacji do zmiennych warunków oświetleniowych zainspirowała międzynarodową grupę 24 badaczy z sześciu instytucji do opracowania fotochromowego barwnika, który może regulować, bez użycia urządzeń zewnętrznych, ilość światła potrzebną na przykład panelowi fotowoltaicznemu. To przełomowe odkrycie, opublikowane w czasopiśmie „Nature” i uhonorowane międzynarodową nagrodą Królewskiego Towarzystwa Chemicznego , umożliwi przekształcenie przeszklonego wieżowca lub szklarni w monumentalne generatory energii bez zmiany warunków życia i funkcjonowania wnętrza.

Przełom wynika, jak wyjaśniają naukowcy w czasopiśmie „Nature” , z ograniczenia, które wpływa na wykorzystanie energii słonecznej: produkcji ogniw słonecznych o stałej transmisji optycznej. Oznacza to, że albo warunki oświetleniowe nie są w pełni wykorzystywane w ciągu dnia, albo konieczne jest użycie zewnętrznych urządzeń orientacyjnych, aby znaleźć najlepszą orientację w każdej godzinie, co jest trudne do wdrożenia w stałych konstrukcjach, takich jak budynki.

Grupa Nanomateriałów i Urządzeń Konwersji Energii z Uniwersytetu Pablo de Olavide w Sewilli, kierowana przez profesora Juana Antonio Antę, dołączyła do międzynarodowego zespołu PISCO, aby wypełnić tę lukę. Celem jest opracowanie barwników fotochromowych, które po nałożeniu na półprzezroczyste ogniwa słoneczne, będą zdolne do adaptacji do warunków oświetleniowych, zachowując maksymalną przezroczystość w warunkach słabego oświetlenia i ciemniejąc po wystawieniu na działanie pełnego promieniowania.

„Ta praca dowodzi wykonalności połączenia dwóch często trudnych do pogodzenia funkcji – fotochromizmu i fotowoltaiki – w jednym urządzeniu i przy użyciu jednej cząsteczki. Stanowi to ważny krok w kierunku dynamicznych, generujących energię okien dla budynków i infrastruktury nowej generacji” – podkreśla Królewskie Towarzystwo Chemiczne.

Według Anty barwnik fotochromowy „jest cząsteczką, która potrafi zmieniać kolor w zależności od światła, dzięki czemu można ją wbudować w półprzezroczyste ogniwa słoneczne, które można stosować w inteligentnych oknach”.

„Pomysł” – dodaje – „polega na wbudowaniu paneli fotowoltaicznych w budynki. Aby zamontować ogniwo słoneczne w oknie, musi być ono półprzezroczyste i jednocześnie inteligentne, tzn. zaciemniać się w ciągu dnia, wytwarzając jednocześnie energię elektryczną. Innym zastosowaniem, które obecnie badamy, są szklarnie, gdzie panele fotowoltaiczne mogłyby pełnić podwójną funkcję: generować energię i chronić rośliny”.

Jednym z ograniczeń obecnych systemów jest niestabilność materiałów. Produkcja energii fotowoltaicznej, choć może się to wydawać paradoksalne, jest niższa latem ze względu na upały. Zmniejsza to efektywność krzemu, najpowszechniejszego pierwiastka w obecnych panelach. Straty te są częściowo kompensowane przez większą liczbę godzin światła dziennego, ale energia fotowoltaiczna jest ważna dla umiarkowanego promieniowania.

Ważna jest nie tylko temperatura, ale także promieniowanie, dlatego opracowana przez grupę PISCO technika oparta na barwnikach organicznych ma na celu także znalezienie formuły, która uczyni ją bardziej stabilną i wytrzymałą, a także lepiej reagującą na zmiany warunków oświetleniowych.

Głównym celem jest zapewnienie stabilności termicznej wewnątrz budynków bez negatywnego wpływu na zdolność generowania energii. Cząsteczki badane w innowacyjnym barwniku są inspirowane okiem, ponieważ to one najlepiej reagują na światło.

W skład zespołu UPO, oprócz Juana Antonio Anty , wchodzą profesor Gerko Oskam, stypendyści podoktorscy Renán Escalante i Valid Mwalukuku oraz predoktorantka Patricia Sánchez Fernández. Zespół Anty koncentruje się na badaniach procesów fotokonwersji energii, optoelektronice i symulacji w ogniwach słonecznych, ale stosuje również badania nad nowymi materiałami do wytwarzania wodoru słonecznego.

„Ta technologia ma potencjał, aby znacząco przyczynić się do przekształcenia okien pasywnych w aktywne ogniwa słoneczne. W przypadku okien kluczowe są zarówno transparentność, jak i możliwość zapewnienia zacienienia w razie potrzeby, a to podejście pozwala osiągnąć oba te cele, generując jednocześnie energię” – wyjaśnia Johan Liotier, chemik z Uniwersytetu we Fryburgu i członek zespołu.

W dziedzinie energetyki słonecznej, badacz Eduardo Fernández Camacho, profesor z Katedry Inżynierii Systemów i Automatyki Uniwersytetu w Sewilli, otrzymał również grant Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN) na projekt „Kooperacyjne Sterowanie Optymalne Elektrowniami Słonecznymi”. Głównym celem tych badań jest wykazanie, że algorytmy wieloscenariuszowego kooperatywnego modelu sterowania predykcyjnego (MSC-MPC) mogą być skutecznie stosowane do optymalizacji produkcji komercyjnych elektrowni słonecznych. Główną ideą jest koordynacja różnych podsystemów elektrowni w celu optymalizacji produkcji w horyzoncie wielodniowym, z uwzględnieniem niepewności warunków środowiskowych i rynkowych.