اختراع طلاء تبريد إشعاعي أخضر صديق للبيئة لتوفير الطاقة في المباني.. تحويل المباني من مستهلك إلى جمع الطاقة

تمثل المباني حوالي 90% من استهلاك الكهرباء في كثير من الدول، ويعد الحفاظ على الطاقة في المباني أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق أهداف التخفيف من آثار تغير المناخ.

طور باحثو جامعة هونج كونج للبوليتكنيك طلاء تبريد إشعاعي متكيف يعمل بالطاقة الشمسية وصديق للبيئة لأسقف وجدران المباني.

يمكن لهذا الطلاء أن يخفض درجة حرارة سطح المبنى بما يصل إلى 25 درجة مئوية ويخفض درجات الحرارة الداخلية بمقدار 2 إلى 3 درجات مئوية، كل هذا دون استهلاك أي طاقة.

كما يمكن إنتاج الطلاء غير السام والخالي من المعادن والمتين على نطاق واسع، مما يعزز طريقة صديقة للبيئة وموفرة للطاقة للتخفيف من آثار جزيرة الحرارة الحضرية ودعم تحقيق الحياد الكربوني.

طلاء المبنى بمادة عاكسة يسمح بتنظيم بيئته الحرارية ذاتيًا لتقليل درجات الحرارة الداخلية، ومع ذلك، فإن مواد التبريد الإشعاعي السلبي التقليدية غير قادرة على ضبط سعة التبريد تلقائيًا استجابة للتغيرات البيئية، مما يحد من تطبيقاتها.

ولمعالجة هذا التحدي، اخترع فريق بحثي بقيادة البروفيسور لو لين فيفيان، أستاذ قسم هندسة البناء والطاقة في جامعة بوليتكنك بوليتكنك، إلى جانب عضو الفريق الرئيسي الدكتور كوان جونج، زميل ما بعد الدكتوراه في نفس القسم، طلاء SARC مدفوعًا بنقاط الكربون (CDs) والذي يمكنه ضبط سعة التبريد بناءً على الإشعاع الشمسي .

تم نشر العمل في مجلة الهندسة الكيميائية .

يمنع المباني من امتصاص الحرارة الزائدة

يمكن لهذا الطلاء النانوي الجديد المبرد بالإشعاع الضوئي تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة ضوئية، ومع زيادة كثافة الشمس، يتم تعزيز انعكاسية الشمس للطلاء، مما يمنع المباني من امتصاص الحرارة الزائدة.

ومع ذلك، تعتمد مواد التبريد الضوئية التقليدية عادةً على المعادن النادرة ومواد البيروفسكايت، والتي تشكل مخاطر بيئية. ولمعالجة هذه المشكلات، قدم الفريق أقراص مضغوطة مبتكرة وصديقة للبيئة تعتمد على البوليمر كمواد ضوئية في طلاء التبريد الإشعاعي.

تم تضمين أقراص مضغوطة بحجم النانو في البوليمرات لإنشاء مادة غير ضارة بيولوجيًا. تم طلاء أقراص البوليمر المضغوطة بشكل موحد على جزيئات زجاجية مجوفة لإنشاء حبيبات تبريد ذكية، مما يتيح للطلاء تحويل الضوء فوق البنفسجي بفعالية إلى فوتونات ضوء مرئية وزيادة الانعكاس الشمسي الفعال.

يتطلب هذا SARC القابل للذوبان في الماء فقط تبخر الماء لتكوين طلاء على أسطح المباني دون إطلاق أي مركبات عضوية متطايرة، وبالتالي تقليل تلوث الهواء.

وقد أظهرت النتائج أنه مقارنة بطلاء التبريد الإشعاعي التقليدي، فإن طلاء SARC الجديد يحسن انعكاس أشعة الشمس النهارية الفعال من 92.5% إلى 95% ويزيد من تأثير التبريد بنسبة 10% إلى 20%، على سبيل المثال، يمكنه خفض درجة الحرارة بما يصل إلى 25 درجة مئوية عند تطبيقه على أسطح الخرسانة.

متانته العالية

وفي مشروع تجريبي مع إدارة حكومة منطقة هونج كونج الإدارية الخاصة، طبق الفريق طلاء SARC على أسطح المنازل الحاوية في موقع بناء في هونج كونج. وبعد حوالي عامين ونصف من التعرض المستمر للخارج، ظلت الأسطح المطلية أكثر برودة بمقدار 24 درجة مئوية من الأسطح الخرسانية تحت أشعة الشمس.

وأثبت الطلاء متانته العالية، حيث انخفض انعكاس الشمس بنسبة أقل من 2% خلال فترة العامين. وتم تحقيق وفورات سنوية في الطاقة بنسبة 10% من خلال تقليل حمل تكييف الهواء.

ومن خلال رسم خريطة لمتوسط الانخفاض السنوي في درجات الحرارة وقوة التبريد عبر مناطق مناخية مختلفة في البر الرئيسي للصين، لاحظ الفريق أنه كلما زادت قوة الإشعاع، زاد الفرق في درجات الحرارة الذي حققه طلاء SARC الجديد. وبأخذ هونج كونج و10 مدن في البر الرئيسي – بكين، وهانجتشو، وقوانجتشو، وتشانجشا، وهوتان في شينجيانج، وشنيانج، وغيلين، وفوتشو، وتشونجتشينغ، ولانزو – كأمثلة، من المتوقع أن يوفر اعتماد طلاء التبريد الجديد هذا للمباني ما بين 97 و136 كيلووات ساعة/م² من الكهرباء سنويًا في كل مدينة.

مناسب لمجموعة واسعة من المناخات

صرح البروفيسور لو قائلاً: “مع تكثيف ظاهرة الاحتباس الحراري العالمي وزيادة وتيرة الأحداث الجوية المتطرفة مثل موجات الحر، يركز المجتمع العلمي بشكل متزايد على إيجاد طرق لتبريد المباني مع تقليل استهلاك الطاقة، يُظهر طلاء SARC الجديد أداءً تبريديًا استثنائيًا وهو مناسب لمجموعة واسعة من المناخات، وبالتالي تسريع تطوير مواد التبريد من الجيل التالي.

“يمكن أيضًا إنتاج هذا الطلاء القابل للذوبان في الماء بألوان مختلفة، مما يسمح بتطبيقه بسهولة على أسطح المباني والجدران والطرق والأسطح الحضرية، باستخدام أسطوانات الطلاء، وهو يحقق تحسينات تبريدية وجمالية ويقدم حلاً واعدًا للتنمية الحضرية المستدامة والتخفيف من تأثير جزيرة الحرارة الحضرية”.

تحويل المباني من مستهلكات للطاقة إلى حاصدات للطاقة

كما قام الفريق بدمج الطلاء الضوئي مع الخلايا الكهروضوئية الشمسية ثنائية الوجه لتحقيق تعزيز تآزري في الإدارة الحرارية وتوليد الطاقة، وتحويل المباني من مستهلكات للطاقة إلى حاصدات للطاقة.

يخطط الفريق لتثبيت الألواح الكهروضوئية ثنائية الوجه على أسطح سكن الطلاب PolyU Kowloon Tong قيد الإنشاء، مع وضع طلاء جديد على المنطقة المقابلة تحت الألواح، لتعزيز توليد الطاقة مع تبريد المباني إشعاعيًا.

ويتوقع الفريق أن يعمل هذا النظام ثنائي الوظائف على تحسين توليد الطاقة الكهربائية بنسبة 30-50% وخفض انبعاثات الكربون بنسبة 30% مقارنة بالأسطح غير المطلية التقليدية.

وإذا أخذنا هذا المشروع كمثال، فإن تركيب الألواح الكهروضوئية على مساحة تبلغ حوالي 600 متر مربع على أسطح النزل يمكن أن يولد 97000 كيلووات ساعة من الكهرباء، مما يؤدي إلى توفير تكاليف سنوية تزيد عن 120 ألف دولار هونج كونج.

ويعمل الفريق أيضًا على تطوير طلاء تبريد إشعاعي متكيف ذاتيًا يعتمد على البارافين، وقادر على الحفاظ على انعكاسية شمسية مناسبة استجابةً للطقس البارد والساخن، وتحقيق تأثير الدفء في الشتاء والتبريد في الصيف.