Солнечные панели вместо окон

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

В Австралии создали солнечные батареи, которые встроены прямо в оконные стекла

Полупрозрачные солнечные элементы, которые можно встроить в оконное стекло, могут трансформировать архитектуру, городское планирование и производство электроэнергии. Австралийские ученые, создавшие такое изобретение, опубликовали его данные в Nano Energy.

Исследователи преуспели в производстве солнечных батарей на основе перовскита следующего поколения, которые генерируют электричество и пропускают свет. Сейчас они изучают, как новая технология может быть встроена в коммерческие продукты с Viridian Glass — крупнейшим производителем стекла в Австралии.

Эта технология превратит окна в активные генераторы энергии, потенциально революционизируя дизайн здания. Исследователи говорят, что 2 м² солнечного окна будут генерировать примерно столько же электроэнергии, сколько стандартная солнечная панель на крыше.

Идея полупрозрачных солнечных элементов не нова, но предыдущие проекты провалились, потому что они были очень дорогими, нестабильными или неэффективными. Австралийцы изобрели другой подход.

Они использовали органический полупроводник, который можно превратить в полимер, и использовали его для замены обычно используемого компонента солнечного элемента (известного как Spiro-OMeTAD), который демонстрирует очень низкую стабильность, поскольку создает бесполезное водянистое покрытие. Заменитель дал удивительные результаты.

«Эффективность преобразования солнечной энергии на крыше составляет от 15 до 20%. Полупрозрачные ячейки имеют эффективность преобразования 17%, при этом пропуская более 10% входящего света, поэтому они находятся прямо в зоне получения ультрафиолета. Я давно мечтал иметь окна, которые генерируют электричество, и теперь это становится реальностью. Мы будем стремиться разработать крупномасштабный процесс производства стекла, который можно легко перенести в промышленность, чтобы производители могли легко освоить эту технологию».

Яцек Ясениак, Центр передовых технологий ARC в науке об экситонах (Exciton Science) и Университет Монаш.

Солнечные окна станут благом для владельцев зданий и жителей, и принесут новые проблемы и возможности для архитекторов, строителей, инженеров и проектировщиков. Потому что так получается компромисс. Солнечные элементы можно сделать более или менее прозрачными. Чем они прозрачнее, тем меньше вырабатывается электричества, поэтому архитекторам это нужно учитывать.

Он добавил, что солнечные окна, окрашенные в той же степени, что и нынешние коммерческие окна, будут генерировать около 140 Вт электроэнергии на м². Первое применение, скорее всего, будет в многоэтажных домах. Потому что большие окна, установленные в высотных зданиях, дороги в изготовлении. Дополнительные затраты на включение в них полупрозрачных солнечных элементов будут незначительными.

Но даже с дополнительными затратами здание получает электричество бесплатно. До сих пор каждое здание проектировалось исходя из предположения, что окна в основном пассивны. Теперь они будут активно производить электричество. Планировщикам и дизайнерам, возможно, придется даже пересмотреть то, как они размещают здания на площадках, чтобы оптимизировать ловлю стенами солнца.

Сейчас исследователи тестируют тандемное устройство, где будут использоваться солнечные элементы на основе перовскита в качестве нижнего слоя и органические солнечные элементы в качестве верхнего.

Что касается того, когда на рынке появятся первые коммерческие полупрозрачные солнечные элементы, это будет зависеть от того, насколько успешным будет масштабирование технологии. Разработка таких солнечных окон приведет к новым стеклянным инновациям и технологиям в будущем.

Источник

Солнечные окна изменят мировой рынок

Солнечные окна и квантовые точки делают окно источником энергии

Плюсы и минусы солнечных окон

Как делают окна будущего

Альтернативы пленкам есть: окна с квантовыми точками

Между тем, Solar Window не единственная компания, которая преуспела в создании инноваций, позволяющих использовать пространство окна для пополнения и умножения солнечной энергии. Группа американских инженеров из лаборатории в г. Лос-Амос смогла добиться того, чтобы солнечные панели были встроены непосредственно в окно без ущерба для его светопрозрачности.

Стекло превращается в солнечную батарею с помощью «вживленных» в него квантовых точек. Их называют ЛСК — люминесцентные солнечные концентраторы. ЛСК собирают энергию солнца как цветок и направляют свет с больших площадей на микроэлементы. Особенностью ЛСК является то, что ими можно управлять. Например, можно настроить пучок таких точек на сбор света с фиксированной длиной волны и игнорирование всех других волн. Состоят такие квантовые точки из полупроводников и поливинилпирролидона.

Преимущество технологии в долговечности продукта и его устойчивости к различным атмосферным явления. Кроме этого, квантовые точки хорошо интегрируются не только на стекло стандартных размеров, но и в огромные фасадные панели из стекла и полностью исключает необходимость использования дорогих фотоэлектрических материалов. До внедрения в массовое производство инновации не хватает хороших показателей по КПД: 6%. Пока эта цифра остается на отметке 1,9%. При хороших результатах новинка обещает сделать нулевым потребление энергии в городах. Скажем, 12 000 панелей в окнах Всемирного делового центра обеспечат электричеством 350 жилых помещений.

Крыша дома моего – это электрогенератор!

Зеленая энергетика – в массы!

Tesla наиболее известная в производстве энергогенерирующих крыш, но не единственная. Интерес к возобновляемым источникам энергии заставил многих производителей задуматься об их эргономике, эстетике и интеграции в привычную среду: ведь в чистом виде панели выглядят довольно технократично и «бесчеловечно». Отсюда многообразный дизайн крыш, который должен имитировать традиционные строительные материалы, такие как дерево и камень. Компания Sistine Solar производит солнечные панели в виде черепицы, кирпичной кладки и даже мха. Итальянцы из фирмы Dyaqua решили сконцентрироваться на производстве покрытий для исторически ценных зданий: их панели имитируют деревянный брус, камень, старую черепицу.

Подход Tesla более широкий: она работает с энергией в трех аспектах – производство, накопление и транспорт. Черепица для крыш в содружестве с аккумуляторами нового поколения Power 2 полностью реализует задумку Мастер-плана Два от Илона Маска: согласно ему здание полностью переводится в режим работы на солнечной энергии.

Новинки Tesla пока доступны только американцам, но уже готовятся расширить ареал своего применения и начать движение на экспорт. Как это изменит реальный мир и экономику – покажет время. Все перечисленные технологически инновации при условии объедения способны кардинально влиять на развитие оконной индустрии и снижение потребления обычных источников энергии, что приведет к энергетической революции во всем мире.

Конечно, это процесс не одного дня. Сегодня продукты рынка солнечной энергетики все еще являются роскошью для рядового покупателя. Причиной тому, сравнительно высокая стоимость.

Источник

Прозрачные солнечные панели — новая попытка от китайских ученых

Солнечная энергетика — один из трендов современности. В некоторых регионах при помощи солнечной энергии можно полностью удовлетворять свои нужды в электричестве. Для того, чтобы сделать фотоэлементы более эффективными, многие ученые готовы тратить время и ресурсы, причем немалые. Кому-то это удается, но пространство для маневра все равно остается.

Некоторые исследователи пытаются найти свой путь в этой сфере — например, сделать солнечные панели прозрачными. Это позволит расширить спектр их использования — размещать панели не только на крыше, но, например, в оконных проемах. Другими словами, заменять стекла в окнах на фотоэлементы.

Сообщения о прозрачных солнечных панелях появляются с завидной регулярностью, но пока что большинство экспериментов так и остаются экспериментами. Возможно, проект китайских ученых что-то изменит.

Дело в том, что они создали действительно прозрачные солнечные панели, где основную роль играет редкоземельный металл иттербий. Этот химический элемент способен излучать два «инфракрасных фотона» при поглощении одного «голубого». «Инфракрасные фотоны» игнорируются любыми материалами, кроме кремния, который, как известно, используется в качестве основного рабочего элемента солнечных панелей. Этот металл поглощает инфракрасные фотоны, излучая электрон. Получается, что на каждый «голубой» фотон кремний реагирует выделением двух электронов.

Получается, что прозрачные панели на 160% эффективнее обычных фотоэлементов (не на 200%, поскольку всегда есть потери).

Прозрачные фотоэлементы представляют собой полимерное стекло с включением наночастиц. Последние поглощают ультрафиолетовый свет, пропуская излучение других спектров. Все это позволяет добиться полной прозрачности фотоэлементов.

Положительным моментом является еще и то, что когда иттербий выделяет инфракрасные фотоны, они уходят в пространство под углом, который позволяет кремнию поглотить их. Как результат — можно создать окно, стекло в котором генерирует инфракрасные фотоны, а рамка, включающая кремний, способна поглощать их, генерируя электричество.

Правда, в конечном итоге мы получаем, мягко говоря, не очень эффективные солнечные батареи. Да, световое излучение синего спектра позволяет генерировать инфракрасные фотоны с эффективностью в примерно 180%. Но, к сожалению, прозрачные солнечные батареи способны поглощать свет синего спектра с эффективность лишь в 3%. Проблема состоит в том, что далеко не все фотоны улавливаются рамкой.

Тем не менее, даже это может быть отличным результатом, если прозрачные фотоэлементы внедрять повсеместно. КПД солнечных панелей такого типа можно улучшать, а если представить себе большое здание с окнами из прозрачных фотоэлементов, то речь идет о генерации значительных объемов электричества.

Возможно, увеличить эффективность солнечных батарей можно, изменив состав «стекла», что позволит получать больше «голубых» фотонов. Кроме того, кремний не единственный материал, который может использоваться для создания фотоэлементов. Есть и более эффективные — но они более дорогие (гораздо более дорогие).

Источник