Солнечные батареи под стеклом

Окна батареи. Прозрачные солнечные батареи. Работа и применение

Сравнительно недавно на рынке солнечной энергии стали появляться инновационные разработки, которые предполагают применение оконных стекол в качестве солнечных батарей. Это очень перспективная технология, которая может найти применение не только в городских высотках, но и во многих иных отраслях. При этом над возможностью преобразования окон в окна батареи работает множество компаний.

Одни предлагают устанавливать тонкие полосы кремниевых фотоэлементов прямо между стеклами в стеклопакетах. По внешнему виду подобные окна батареи напоминают открытые жалюзи, в результате они не перекрывают вид из окна. Другие предлагают использовать для окон стекла со специальным полупрозрачным покрытием. Подобный слой является активным, он преобразует световое излучение в электрическую энергию, аккумулируя в специальных полупрозрачных проводниках. Другие предлагают наклеивать на стекло пленку, обладающую свойствами солнечной батареи.

Устройство

Окна батареи в настоящее время выпускаются двух типов: на гибких подложках и на стеклянных основаниях. Но есть и другие разработки.

• Гибкие варианты напоминают тонировочную пленку, их наклеивают на прозрачные конструкции (панели остекления фасадов, окна и так далее). Их светопропускная способность составляет порядка 70%, что фактически не снижает уровня освещенности помещения. Делают их из гибкого композитного материала, который схож с пластиком.

• Второй вариант прозрачных панелей предполагает нанесение двухслойной пленки на закаленное стекло. На закаленную стеклянную подложку (в некоторых случаях триплекс) наносится тонкая пленка аморфного кремния. На нее сверху напыляется прозрачная микропленка кремния. Микропленка преобразует ИК-лучи, а аморфный кремний — видимый спектр.

• Ряд компаний решили не создавать полностью прозрачный фотоэлектрический элемент. Вместо этого они решили взять TLSC, то есть прозрачный люминесцентный солнечный концентратор. TLSC–материал состоит из органических солей, он поглощает невидимое глазу излучение инфракрасного и ультрафиолетового спектра, в результате оно преобразуется в инфракрасные волны некоторой длины (они также невидимы). Указанное инфракрасное излучение идет к краям пластины, где установлены тонкие полоски фотоэлектрических солнечных батарей.
• Последней разработкой ученых является абсолютно прозрачный материал, который при поглощении солнечного света может генерировать его электричество. Материал представляет пленку из полупроводникового полимера, который насыщен углеродными «мячиками» фуллеренов. Уникальность этого материала в том, что при определенных условиях он формирует упорядоченную структуру, которая напоминает пчелиные соты при многократном приближении.

Принцип действия

• Прозрачные пленки для окон содержат активный люминесцентный слой. Небольшие органические молекулы поглощают определенные длины волн солнечного света. При этом имеется возможность настраивать структуру под определенные длины волн. Так эти материалы могут поглощать лишь ультрафиолет и лучи с практически инфракрасной длиной волны, чтобы впоследствии «подсвечивать» иную длину волны в инфракрасном диапазоне.
• «Светящийся» инфракрасный свет может быть преобразован в электроэнергию при помощи тонких полосок фотоэлектрических солнечных элементов батареи. Вследствие того, что указанные материалы не излучают и не поглощают свет в видимом спектре, то смотрятся они для человеческого глаза абсолютно прозрачно.
• Совершенно новый подход в создании окна батареи демонстрирует технология создания материала, который создает электрический ток при его облучении. Происходит это так:

— Через тонкий слой материала, который находится в жидком состоянии, направляются микроскопические капли воды.
— По мере остывания полимера капли равномерно распределяются по поверхности и испаряются.
— В результате создается текстура из шестиугольников, их плотность определяется скоростью испарения и определяет эффективность переноса заряда. Другими словами, чем плотнее упаковка, тем эффективнее материал.
— Нити полимера распределяются по граням шестиугольников. При этом они остаются пустыми, а сам материал выглядит практически полностью прозрачным. Однако плотно упакованные нити вдоль граней превосходно поглощают солнечный свет, а также проводят электрический ток, который в том числе создается при облучении солнечным светом материала.

Особенности

• Главная особенность уже создаваемых панелей заключается в применении невидимого спектра солнечных лучей, то есть его ультрафиолетовой и инфракрасной частей.
• Поглощение и «переработка» инфракрасного излучения позволяет добиться важного достоинства — минимизация теплового воздействия. Это крайне важно для стран с жарким климатом. Именно ИК-спектр лучей приводит к нагреванию поверхностей и необходимости охлаждать их. Прозрачные панели солнечных батарей поглощают ИК-лучи, при этом не разогреваются сами. В результате можно минимизировать траты на системы охлаждения.
• На текущий момент освоенные технологии прозрачных солнечных батарей демонстрируют малый КПД. Но с усовершенствованием технологий КПД будет повышаться. Даже малая производительность будет окупаться отсутствием необходимости поиска места установки и легкостью монтажа. Значительная площадь стеклянных конструкций, которые фактически не приносят практической пользы, позволит вырабатывать существенное количество электроэнергии.

Достоинства и недостатки

К достоинствам можно отнести:

• Удобство применения, нет необходимости искать дополнительное место для развертывания батарей, ведь они сами размещаются в стекле. Они не занимают места.
• Легкость монтажа.
• Экологичность.
• «электростекла» отбирают часть энергии света, вследствие чего здания меньше нагреваются. Это позволяет снизить затраты на вентиляцию и кондиционирование. Особенно это актуально в странах с солнечным и жарким климатом.
• Возможность широкого применения.

К недостаткам можно отнести:

• Окна батареи не совершенны и многие из них забирают часть света, которое должно попасть в помещение.
• Низкий КПД.
• Малая распространенность.
• Не проработанность технологий.

Перспективы и применение

Окна батареи в ближайшем будущем вполне могут заменить обычные стекла в:

• Домах и других зданиях.
• Электронных приборах.
• Автомобилях.

Некоторые компании уже производят стекла в небольших количествах для установки в зданиях, это японская корпорация Sharp и ряд других. Возможности применения подобного изобретения довольно обширны, но эффективность технологии на данный момент ограничивается несовершенством технологии. Уже апробированные технологии обеспечивают всего 1%, а более продвинутые — 5-7%.

Тем не менее, перспективы прозрачных солнечных батарей обширны. Так замена дисплея смартфона или ноутбука на новый «солнечный» экран позволит существенно увеличить срок его работы без подзарядки. Города будущего смогут превратиться в экологичные электростанции без установки дополнительного оборудования — здания смогут сами себя снабжать энергией.

Источник

Стеклянное покрытие солнечных батарей

Тот, кто построил загородный дом или капитальный дачный домик, непременно захочет обеспечить его бесперебойным автономным электроснабжением. При выборе солнечных батарей покупателя интересуют, прежде всего, мощность и эффективность гелиевых панелей. Но при этом мало кто интересуется такой немаловажной деталью оборудования, как прозрачное покрытие. А между тем стекло для солнечных панелей, его качество, прочность, прозрачность имеют огромное значение для эффективной работы.

Несколько слов о стеклянном покрытии

Понятно, что вкладывая деньги в столь дорогостоящее оборудование, которым являются солнечная домашняя электростанция, покупатель предполагает, что это – долгосрочные инвестиции, а, следовательно, это оборудование должно надежно функционировать не один десяток лет. Понимая это, ведущие мировые производители могут гарантировать бесперебойную работу своих изделий на срок до 25 лет. Для покупателя важно, чтобы этот производитель или его дилеры находились в пределах досягаемости потребителя. Тогда при выходе из строя какого-либо элемента его можно без проблем заменить по гарантии.

Пользуясь тем обстоятельством, что есть множество регионов, до которых крупные производители еще не добрались, этот рынок начали осваивать небольшие фирмы, реализующие свою продукцию по более низким ценам. Естественно, эта более низкая цена соответствует и качеству производимой продукции. Соответственно, срок гарантийного обслуживания уменьшается до двух лет. Срок службы изделия, его эффективность зависят от многих факторов. И во многом эта зависимость обусловлена качеством стеклянного покрытия.

Для снижения стоимости своей продукции маленькие фирмы используют чаще всего недорогое стекло. Это стекло может прослужить несколько лет, постепенно теряя свои первоначальные качества. Затем оно может помутнеть, а мутное стекло резко снижает эффективность солнечного модуля. Дешевые стекла по своей прочности, ударовыносливости в разы уступают дорогим покрытиям.

Реакция на ударное воздействие закаленного и обычного стекла

А если стекло не выдержит, например, ударов града, то это может создать очень серьезные проблемы. Даже через небольшую трещину вода может попасть во внутреннюю полость солнечного модуля и вызвать короткое замыкание. Кроме того, у дешевых стекол, как правило, отсутствует антибликовое покрытие, что также снижает эффективность изделия.

Поэтому при покупке гелиевых панелей обязательно следует проверять, какое именно стекло установлено на изделии. Это должно быть зафиксировано в спецификации на изделие. Если в спецификации отсутствует информация о качестве стекла, то самым разумным будет отказаться от покупки. Лучше всего в системах гелиевой энергетики зарекомендовало себя закаленное ударопрочное стекло с антибликовым покрытием. Конечно, такое стекло стоит намного дороже обычного листового стекла, но оно служит и гарантией того, что солнечная панель прослужит верой и правдой несколько десятилетий. В спецификации на изделие тип стекла, его характеристики должны быть указаны отдельным пунктом.

Осколки обычного и закаленного стекла

Листовое стекло различной толщины в качестве покрытия гелиевого модуля наиболее часто применяют малоизвестные фирмы для того, чтобы привлечь покупателей невысокой ценой изделий. Но, как уже было сказано, эффективность и качество таких изделий оставляют желать лучшего. Что касается продукции известных мировых производителей, то в некоторых их изделиях также применяется листовое стекло. Речь идет о солнечных батареях на базе аморфного кремния. При изготовлении панелей на базе аморфного кремния используется не кристаллический кремний, а соединение кремния с водородом – силан. Силан наносится тонким слоем на плоский стеклянный лист, как этого требует технология производства аморфных солнечных батарей. Но в качестве покрытия изделия обязательно используется ударопрочное закаленное стекло.

Закаленное стекло

Это стекло обладает свойствами, которые делают его незаменимым для применения в системах солнечного энергообеспечения. В процессе изготовления материал проходит стадию термической обработки (закалку). Во время этой технологической операции во внутреннем объеме стеклянной массы возникают механические напряжения, равномерно распределенные как по поверхности, так и в теле листа.

Именно благодаря этим физическим напряжениям с векторами сжатия и растяжения материал, полученный в результате такой термообработки, приобретает высокую механическую прочность, стойкость к мгновенным механическим воздействиям, а при разрушении образует мелкие осколки с затупленными концами и ребрами. Благодаря последней особенности закаленное стекло называют также безопасным стеклом.

Схема технологического процесса закалки стекла

Процесс изготовления закаленного стекла сам по себе очень сложный и требует больших затрат как по времени, так и энергетических. Главная технологическая операция – термохимическая обработка стекла. В процессе закалки стекло нагревается до температуры +650°С +700°С. При этом стеклянная масса становится мягкой. Сразу после нагрева материал попадает в камеру охлаждения, где он обдувается воздухом.

Это очень ответственная операция, так как при охлаждении необходимо постоянно контролировать поток воздушных струй, чтобы они равномерно распределялись по поверхности охлаждаемого листа. В этом режиме в поверхностных слоях стекла возникают мощные напряжения сжатия, а в самом теле материала возникают напряжения растяжения.

Распределение напряжений в закаленном стекле

В конечном итоге в материале образуется та самая система уравновешивающих напряжений, которая и придает стеклу высокую механическую и термическую устойчивость. Кроме этих основных видов внутренних напряжений в стекле могут возникать и другие напряжения. Эти побочные напряжения возникают от того, что отдельные части материала (например, керамика или металл) могут иметь различные коэффициенты теплового расширения и различные степени упругости. Эти напряжения для данного материала постоянны и не оказывают сколь-нибудь существенного влияния на качество конечного продукта.

Процесс изготовления закаленного стекла очень сложен и изобилует множеством нюансов, учесть которые невозможно без полностью автоматического контроля и управления. Только при таких условиях соблюдаются все основные технологические требования, и получается высококачественное закаленное стекло. После завершения процесса закалки любые операции по механической обработке стекла становятся невозможными. Поэтому процессу закалки подвергаются уже готовые листы, обрезанные заранее по нужным габаритам.

Прочность закаленного стекла

Готовое закаленное стекло выборочно проверяют на ударопрочность. Согласно методике проверки шестимиллиметровое закаленное стекло должно выдерживать удар металлического шарика весом в 250 граммов, который падает с высоты два метра. Но как показал ряд испытаний, качественно закаленное стекло выдерживает удар такого шарика, брошенного с высоты три метра. Восьмимиллиметровое закаленное стекло способно выдержать удар полукилограммовой гири, падающей с высоты два метра.

В заключение следует добавить, что на стекла, предназначенные для систем солнечной фотовольтаики, наносится анибликовое покрытие, которое не только повышает степень защиты от механических и химических воздействий, но и снижает пропускание лучей ультрафиолетовой и инфракрасной областей спектра, что предотвращает чрезмерный нагрев фотоэлементов.

Источник