Окна батареи. Прозрачные солнечные батареи. Работа и применение. Прозрачные солнечные панели - технология будущего

Окна впускают в дом свет, а вместе с ним и солнечное тепло. Существует множество технологий пассивного регулирования света из окон с целью уменьшения или увеличения количества поступающего тепла. А ведь это тепло, по сути – энергия, которую теоретически можно преобразовать в электричество. Ученые из Министерства энергетики США разработали прозрачную солнечную пленку, которая позволит превратить окна в экологичные генераторы электроэнергии.

Понятно, что для максимально эффективного использования солнечной энергии коллекторы должны располагаться в местах непосредственного контакта с солнечными лучами. До сих пор таковыми считались только крыши домов. Новая разработка позволит расширить применение солнечных технологий еще и на поверхности окон.

Совместная разработка ученых Брукхэвенской национальной лаборатории и Лос-Аламосской национальной лаборатории представляет собой прозрачную тонкую пленку, способную поглощать свет и генерировать электрический заряд. Материал, описанный в журнале «Chemistry of Materials», можно было бы использовать для создания прозрачных панелей солнечных батарей или даже окон, поглощающих солнечную энергию и вырабатывающих электричество.

Новый материал состоит из полупроводниковых полимеров с добавлением фуллеренов – молекул, состоящих из шести атомов углерода. При точном соблюдении условий технологического процесса материал самостоятельно структурируется, создавая на относительно большой (в несколько миллиметров) площади повторяющийся узор из шестигранных ячеек микронного размера (структура, изначально свойственная фуллеренам).

«Такие тонкие сотовые пленки уже создавались из обычных полимеров вроде полистирола, но наш материал впервые сочетает в себе полупроводники и фуллерены, что дает ему возможность поглощать свет, а также эффективно генерировать и разделять электрические заряды», – заметил Мирче Котлет, физхимик из Брукхэвенского Центра функциональных наноматериалов (CFN).
Кроме того, материал остается практически прозрачным, поскольку при добавлении фуллеренов полимерные цепи выстраиваются по краю микронных шестиугольников, а в центре их слой остается неплотным и очень тонким. Как пояснил Котлет, более плотные края шестиугольников усиленно поглощают свет и могут способствовать проведению электричества, в то время как их центральная часть относительно прозрачна, а потому поглощает очень мало света.

«Сочетание этих особенностей при достижении крупномасштабного структурирования сделает возможным практическое применение технологии, например, для создания энергогенерирующих солнечных окон, прозрачных панелей солнечных батарей или новых видов дисплеев», – заявил Чжихуа Сюй, ученый-материаловед из CFN.
Для получения солнечной сотовой пленки ученые пропустили сквозь тонкий слой смешанного раствора полимера и фуллерена поток крошечных (микронных) капель воды. В растворе полимера эти капли воды самоорганизовались в большие матрицы. После полного испарения растворителя полимер принял форму гексагональной сотовой решетки достаточно большой площади. По утверждениям разработчиков, этот метод достаточно эффективен для того, чтобы применяться не только в лабораторных условиях, но и в масштабах промышленного производства.

Ученые проверили равномерность сотовой структуры при помощи различных методов сканирования и электронной микроскопии, а также протестировали оптические свойства и эффективность формирования заряда на разных частях сотовой структуры (по краям, в центре ячеек, в местах пересечения отдельных ячеек) с помощью регулируемой во времени софокусной флуоресцентной микроскопии.
Оказалось, что степень уплотнения полимера определяется скоростью испарения растворителя, что, в свою очередь, влияет на скорость переноса заряда сквозь материал. Чем медленнее испаряется растворитель, тем плотнее располагается полимер, и тем лучше переносится заряд.

«Наша работа позволила глубже понять оптические свойства сотовой структуры. Следующий шаг – использование этих тонких сотовых пленок для изготовления прозрачных, гибких и экологически чистых солнечных элементов и других устройств», – заключил Мирче Котлет.

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 .

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.

Исследователи из Мичиганского государственного университета , который при этом преобразует солнечный свет в электроэнергию. По сравнению с предыдущими условно-прозрачными материалами этот действительно выглядит как стекло. В перспективе его можно будет поставить вместо стекла в окно жилого дома и получать дополнительную дармовую энергию, или превратить в экран смартфона/планшета, чтобы он подзаряжался самостоятельно.

Конечно, солнечная панель для получения электричества должна улавливать фотоны, которые будут генерировать энергию. А значит, она не может быть полностью прозрачной. Поэтому предыдущие версии таких материалов были полупрозрачными . В чём подвох?

В новом материале используется технология "солнечного концентратора ". Содержащиеся в нём органические соли поглощают невидимое (ультрафиолетовое и инфракрасное) излучение. Оказавшись внутри панели, всё излучение переходит в инфракрасный диапазон. Это излучение, отражаясь от плоскостей панели изнутри, проникает к её краям. Там его встречают узкие полоски из обыкновенных фотовольтаических панелей, которые и поглощают свет, выделяя энергию.

Пока эффективность сбора энергии у пробных панелей составляет 1%. Учёные считают, что этот показатель можно увеличить до 5%. Максимальный КПД для непрозрачных солнечных концентраторов составляет 7%. Конечно, это очень мало, по сравнению с современными солнечными панелями, у которых КПД серийных образцов , а в лабораториях доходит и до 50%. Зато прозрачные преобразователи энергии могут быть установлены в дома вместо обычных стёкол. Если представить себе целый небоскрёб, в котором вся поверхность перерабатывает энергию, то полученное число уже будет достаточно внушительным.

Экология потребления. Наука и техника: Прозрачные солнечные панели, которые могут быть использованы в качестве окон, представляют собой огромный источник неиспользованной энергии и могут давать больше энергии, чем солнечные батареи на крыше.

Прозрачные солнечные панели, которые могут быть использованы в качестве окон, представляют собой огромный источник неиспользованной энергии и могут давать больше энергии, чем солнечные батареи на крыше.

Авторы исследования утверждают, что широкое использование таких высокопрозрачных солнечных панелей вместе с крышными солнечными станциями может удовлетворить спрос на электроэнергию в США и резко сократить использование ископаемых видов топлива.

«Высокопрозрачные солнечные элементы представляют собой новую волну в солнечной энергетике», - сказал Ричард Лунт, научный сотрудник Мичиганского государственного университета (MSU). «Мы проанализировали их потенциал и продемонстрировали, что благодаря сбору только невидимого спектра света эти устройства могут обеспечить такой же потенциал производства электроэнергии, как солнечные крышные станции, повышая эффективность зданий, автомобилей и мобильной электроники».

Лунт и его коллеги из MSU впервые разработали прозрачный люминесцентный солнечный концентратор, который при размещении на окне генерирует энергию, не нарушая прозрачность стекол. Тонкий пластиковый материал можно применять на зданиях, автомобильных стеклах, сотовых телефонах или других устройствах с прозрачной поверхностью.

В такой системе используются органические молекулы, разработанные Лунтом и его командой для поглощения невидимых длин волн солнечного света. Исследователи могут «настроить» эти материалы, чтобы собирать только ультрафиолетовые и инфракрасные волны, которые затем преобразуют эту энергию в электричество.

Изменение глобального энергопотребления и уход от ископаемых видов топлива потребует именно таких инновационных и экономически эффективных технологий использования возобновляемых источников энергии. Только около 1,5% электроэнергии в Соединенных Штатах и во всем мире производится солнечной энергией.

Но с другой точки зрения в Соединенных Штатах имеется огромный потенциал производства электроэнергии по такой технологии - от 5 до 7 миллиардов квадратных метров стеклянных поверхностей. И с таким большим количеством стекла, прозрачные солнечные технологии могут поставлять около 40 % электроэнергии для США - примерно такой же потенциал имеют и солнечные установки на крышах. «Активное внедрение обеих технологий может покрыть 100% потребностей в электроэнергии, но с условием улучшения технологий хранения энергии», - сказал Лунт.


Высокопрозрачные солнечные панели имеют эффективность около 5 %, в то время как КПД традиционных солнечных панелей обычно составляет от 15 до 18 %. Хотя прозрачные солнечные технологии никогда не будут более эффективными, чем их непрозрачные аналоги, но они имеют огромный потенциал для применения на всех доступных стеклянных поверхностях.

Современные прозрачные солнечные технологии развиты лишь на треть от их реального потенциала, добавил Лунт.

«Это то, к чему мы стремимся», - сказал он. «Традиционные солнечные панели активно исследуются на протяжении более чем пяти десятилетий, а мы работаем над этими прозрачными солнечными батареями только в течение примерно пяти лет. Эта технология предлагает недорогой, и широко применимый способ преобразовывать солнечную энергию на малых и больших ранее недоступных поверхностях».

Обычно солнечные батареи не являются прозрачными. И потому их ставят либо на землю, либо на крышу. Но специалисты нью-йоркского Центра архитектуры, науки и технологии (CASE) разработали полностью прозрачные солнечные панели, которые можно вешать на фасады домов.

У солнечных батарей, помимо низкого коэффициента полезного действия, есть еще один существенный минус. По причине малого КПД их для получения достаточного количества энергии, нужно много. Вот и устилают ими большие пространства на земле и на крышах здания. Но даже самая большая крыша, полностью устеленная солнечными панелями, не обеспечит энергией здание, которое она прикрывает. Вот если бы батареи эти были прозрачными, ими бы можно было стеклить фасады! И чтобы это были не , а вполне полноценные прозрачные панели.

Именно так решили специалисты из Центра архитектуры, науки и технологии в Нью-Йорке и разработали полностью прозрачные солнечные батареи. Конечно, до обычного оконного стекла этим панелям пока что далеко. Они представляют собой шестигранные стеклянные пирамидки, в самом центре которых находится фоторецептор.

Пирамидальная форма и возможность двигаться за солнцем позволяет им «захватывать» тепловую энергию и отправлять ее в уже упомянутый выше фоторецептор. Эта нехитрая технология обеспечивает значительное увеличение КПД таких солнечных батарей по сравнению с обычными.

А прозрачное стекло, из которого они сделаны, позволяет вешать массивы этих солнечных панелей вдоль фасадов здания без ущерба для дневного освещения помещений внутри.