El equipo del profesor Seung Hwan Ko del Departamento de Ingeniería Mecánica ha desarrollado una ventana inteligente que ahorra energía con funcionalidades multimodales, que incluyen enfriamiento radiativo, recolección de energía y descongelación, lo que presenta aplicaciones potenciales para la tecnología de energía cero.
En los últimos años, el aumento significativo de la demanda de enfriamiento debido al calentamiento global ha generado un consumo masivo de energía para la gestión térmica en los edificios. Las ventanas convencionales, que suelen tener una alta absorción solar y baja reflectancia, contribuyen considerablemente a la pérdida de energía, lo que agrava este problema. Por lo tanto, las ventanas energéticamente eficientes se están posicionando como una solución práctica frente a desafíos globales como el cambio climático y la sostenibilidad energética. Estas ventanas no solo proporcionan confort térmico óptimo a los ocupantes, sino que también contribuyen al desarrollo económico al reducir la dependencia de sistemas de enfriamiento convencionales.
Para que las ventanas sean efectivas en el ahorro de energía en los edificios, es crucial adoptar tecnologías de enfriamiento eficiente (Energía Cero) y, además, garantizar métodos de cosecha de energía (Energía Plus) que aseguren un suministro de energía sostenible. Asimismo, las ventanas deben mantener una alta transparencia, que es su función fundamental, incluso en días fríos o con niebla.
Logros de la investigación / efectos esperados
Las ventanas inteligentes multifuncionales desarrolladas en esta investigación demuestran su efectividad como dispositivos de ahorro energético de próxima generación mediante la implementación de tres funciones principales. En primer lugar, proporcionan enfriamiento radiativo que reduce la temperatura interior en días soleados sin necesidad de energía externa. En segundo lugar, generan electricidad utilizando gotas de lluvia en días lluviosos. En tercer lugar, implementan una función de calefacción transparente para eliminar rápidamente la escarcha de las ventanas en días fríos.
El equipo de investigación, dirigido por el Profesor Seung Hwan Ko del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Seúl, ha desarrollado una «tecnología de ventanas inteligentes multifuncionales» que reduce las temperaturas interiores sin consumo de electricidad y genera energía utilizando la electricidad por fricción de las gotas de lluvia. Esta investigación es significativa porque abre nuevas posibilidades para la tecnología de Energía Plus, superando la Energía Cero, y contribuye a mejorar la autosuficiencia energética en respuesta al calentamiento global.
La implementación de Edificios Plus Energía (PEBs) que superan la Energía Cero se ha convertido recientemente en una tarea clave para lograr la autosuficiencia energética en los edificios. Los PEBs de próxima generación son edificios que no solo minimizan las cargas energéticas, sino que también pueden producir energía de forma autónoma. Dado que los edificios consumen inherentemente una gran cantidad de energía para la gestión térmica, y con el aumento de la demanda de enfriamiento debido al calentamiento global, el uso de energía ha aumentado dramáticamente. Además, las ventanas existentes, con alta absorción solar y baja reflectividad, resultan en pérdidas de energía sustanciales durante el enfriamiento. Por lo tanto, para realizar Edificios Plus Energía de próxima generación económicamente eficientes, es necesario desarrollar ventanas inteligentes multifuncionales equipadas con tecnología de enfriamiento transparente (basada en Energía Cero) y tecnología de cosecha de energía (basada en Energía Plus) que asegure un suministro de energía sostenible.
El equipo de investigación está trabajando activamente en el desarrollo de nuevas tecnologías que mejoren la eficiencia energética mientras preservan la transparencia de las ventanas. Como parte de este esfuerzo, el equipo del Profesor Ko desarrolló una «tecnología de enfriamiento radiativo transparente» basada en Energía Cero, que mantiene la transparencia al mismo tiempo que permite el enfriamiento sin usar electricidad. Adicionalmente, desarrollaron tecnología de cosecha de energía que produce electricidad a través de la fricción generada cuando las gotas de lluvia contactan con la superficie de la ventana, introduciendo así una tecnología de ventanas inteligentes basada en Energía Plus que supera la Energía Cero. El equipo también desarrolló una tecnología de calefacción transparente que elimina rápidamente la escarcha de las ventanas en días fríos o con niebla, implementando así tres funciones—enfriamiento radiativo, generación de energía y eliminación de escarcha—simultáneamente en un solo dispositivo por primera vez en el mundo.
El equipo de investigación logró estas tres funcionalidades en un solo dispositivo fabricando ventanas con una estructura en capas de plata y óxido de indio-estaño (ITO), materiales con excelente conductividad eléctrica y propiedades ópticas únicas. Primero, la «tecnología de enfriamiento radiativo transparente» minimiza la absorción de la luz solar que entra al interior mientras emite calor radiante al exterior para bajar la temperatura. A diferencia de los sistemas de aire acondicionado convencionales que usan refrigerantes, esta tecnología de enfriamiento radiativo ofrece un rendimiento de enfriamiento sin consumir energía eléctrica. El equipo de investigación se enfocó en permitir que solo el espectro de luz visible de la luz solar pase a través de la ventana mientras refleja selectivamente la luz solar del infrarrojo cercano para bajar las temperaturas interiores y maximizar el enfriamiento. Segundo, la «tecnología de generación de energía basada en electricidad por fricción» genera electricidad cuando las gotas de lluvia contactan la superficie de la ventana en días lluviosos. Para este propósito, es necesario un material de electrodo que cubra la superficie de la ventana, y gracias a la excelente conductividad eléctrica de la estructura en capas de plata e ITO, la ventana inteligente puede generar electricidad a través de la electricidad por fricción. Por último, a través de la «calefacción por efecto Joule», los electrodos transparentes también sirven como un calefactor que elimina rápidamente la escarcha o el hielo de la ventana, asegurando una visibilidad clara en días fríos.
Resultados
El equipo de investigación, liderado por el Profesor Seung Hwan Ko, confirmó que las ventanas inteligentes que desarrollaron mantenían una temperatura aproximadamente 7 grados Celsius más baja que las ventanas regulares en entornos calurosos bajo luz solar directa. En un experimento que simulaba condiciones de lluvia, las ventanas inteligentes generaron 8.3 W/m² de energía con solo una gota de lluvia, mientras que también eliminaban la escarcha de la ventana el doble de rápido que las ventanas regulares a través de la calefacción por efecto Joule, demostrando tanto un alto rendimiento como multifuncionalidad.
(A) Una casa modelo con vidrio regular (línea punteada roja, grupo de control) y una casa modelo con ventanas inteligentes (línea punteada azul, grupo experimental).
(B) Datos de temperatura reales medidos dentro de las casas modelo.
(C) Almacenamiento de energía a través de la generación de energía a partir de gotas de lluvia.
(D) Garantizar la visibilidad a través de la función de calentador transparente.
Efectos Esperados
El Profesor Seung Hwan Ko declaró: “Este logro de presentar una tecnología de ventanas inteligentes de próxima generación optimizada para responder a la disminución de los combustibles fósiles y el calentamiento global ofrece valiosas perspectivas sobre los avances tecnológicos para los edificios Plus Energía y la industria de vehículos eléctricos ecológicos. Se espera que las ventanas inteligentes se apliquen en diversas industrias porque abordan la contaminación ambiental, reducen la energía de enfriamiento y superan las limitaciones de las tecnologías de baterías convencionales a través de la generación de energía autónoma”.
Logros
Esta investigación fue apoyada por el Programa de Investigación en Ciencias Básicas a través de la Fundación Nacional de Investigación de Corea y ha ganado atención global, siendo publicada en la edición de octubre de 2024 de la prestigiosa revista Nano Energy (Factor de impacto: 16.8, Top 5.3%) bajo el título: «Ventanas ahorradoras de energía para un modo versátil de enfriamiento radiativo, cosecha de energía y funcionalidades de eliminación de escarcha«.
Mientras tanto, el Dr. Yeongju Jung, autor principal de este estudio, está realizando investigaciones de seguimiento en el laboratorio del Profesor Ko en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad Nacional de Seúl y se está preparando para una beca de investigación postdoctoral en el extranjero.
Vía snu.ac.kr
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