6 Minuten
Permatoma danga paverčia įprastą stiklą saulės energiją gaminančiais langais
Nandzingo universiteto mokslininkai sukūrė permatomą paviršinį sluoksnį, kurį galima uždėti ant įprastų langų stiklų, kad būtų surenkama saulės šviesa ir nukreipiama į lango pakraščiuose montuojamas fotovoltines (PV) ląsteles. Medžiaga — autoriaus apibūdinta kaip be spalvos ir vienpusiškas difrakcinio tipo saulės koncentratorius (CUSC) — išlaiko langų matomą skaidrumą, tuo pačiu nukreipdama dalį krintančios šviesos, kad ji galėtų būti paversta elektra.
Tyrėjų komanda pagamino nedidelį funkcinį prototipą ir publikavo savo rezultatus žurnale PhotoniX. Jei dangą pavyks pagaminti ir masteliuoti ekonomiškai, esamo pastatų stiklinimo atnaujinimas bei nauji langai galėtų pridėti reikšmingą paskirstytą atsinaujinančios energijos gamybos pajėgumą miesto teritorijose, prisidedant prie pastatams integruotos fotovoltikos (BIPV) ir platesnių dekarbonizacijos tikslų.
Kaip veikia CUSC: cholesteriniai skystieji kristalai ir selektyvus šviesos nukreipimas
Sluoksnio šerdyje naudojami cholesteriniai skystieji kristalai (CLC) — medžiagų klasė su inžinerinėmis spiralės formos molekulinėmis struktūromis, kurios sąveikauja su šviesa priklausomai nuo bangos ilgio ir poliarizacijos. Sulankstant kelis CLC sluoksnius, sureguliuotus skirtingoms saulės spektro juostoms, danga apima platų matomos šviesos diapazoną, išlikdama vizualiai permatoma.
Poliaracijai selektyvi difrakcija
Viena pagrindinių dizaino savybių yra tai, kad CUSC selektyviai difraguoja vieną apskritos poliarizacijos būseną. Tai reiškia, kad tik fotonai su konkrečia poliarizacija yra šoniniu būdu nukreipiami į stiklą, kur juos totalinio vidinio atspindžio dėka veda link lango pakraštyse sumontuotų PV ląstelių. Kitos poliarizacijos šviesa daugiausia praeina per stiklą, išsaugodama įprastą lango funkciją ir natūralų apšvietimą.
Optikos inžinierius Dewei Zhang, vienas iš straipsnio bendraautorių, paaiškina, kad inžinieriniu būdu formuodami CLC plėvelių vidinę struktūrą komanda gali „selektyviai difraguoti apskritinės poliarizacijos šviesą, nukreipdama ją į stiklo bangolaidį stačiais kampais.“ Šis bangolaidinis efektas koncentruoja šviesą ant krašte montuojamų ląstelių be ryškios spalvos atsiradimo.
Autoriai vadina galutinį įrenginį be spalvos ir vienpusišku difrakcinio tipo saulės koncentratoriumi (CUSC), pabrėždami tiek jo vizualinį neutralumą, tiek vienpusį šviesos nukreipimo elgesį energijos konversijos įrangos link.
Veikimo rodikliai, prototipai ir apribojimai
Laboratoriniai bandymai parodė perspektyvią optinę veiklą: danga perduoda 64,2 % matomos šviesos ir išlaiko 91,3 % spalvų tikslumą — svarbūs rodikliai patogumui pastatuose. Naudojant žalią lazerį — pasirinkimą paaiškina žmogaus akies didžiausias jautrumas šiame regione — įrenginys sugeneravo ir konvertavo 38,1 % krintančios energijos, nurodydamas aukštą teorinį surinkimo efektyvumą idealizuotomis sąlygomis. Platesniuose bandymuose su polichromatine šviesa, imituojančia realią saulės apšvietą, tyrėjai praneša apie optinį surinkimo efektyvumą 18,1 %.
Komanda pagamino 1 colio prototipinę plokštelę, padengtą CUSC, kuri sugeneravo pakankamai galios mažam ventiliatoriui maitinti. Tačiau dabartinis bendras energijos konversijos efektyvumas — dalis krintančios saulės energijos, kuri paverčiama naudinga elektra, atsižvelgiant į visą optinį kelią ir PV konversiją — išlieka žemas, maždaug 3,7 %. Šis skaičius atspindi nuostolius šviesos nukreipime, bangolaidžio transportavime ir pakraščiuose montuojamų PV grandinės konversijos etapuose.
„CUSC dizainas yra žingsnis į priekį integruojant saulės technologijas į pastatų aplinką neaukojant estetikos,“ sakė optikos inžinierius Wei Hu, tyrimų komandos narys. „Tai praktiška ir masteliu pritaikoma strategija anglies mažinimui ir energetiniam savarankiškumui.“ Vis dėlto autoriai pažymi, kad prieš komercinį diegimą būtina pagerinti stabilumą, gamybos pakartojamumą ir energijos konversijos efektyvumą.
Iššūkiai plečiant gamybą ir tobulinimo kryptys
Nuo prototipo iki rinkai paruošto produkto reikia išspręsti keletą techninių ir gamybinių kliūčių. Tyrėjai pabrėžia būtinybę:
- Padidinti prietaiso lygio elektros konversijos efektyvumą optimizuojant pakraščių PV ląstelių išdėstymą, mažinant bangolaidžio nuostolius ir gerinant sudėtų CLC sluoksnių spektrinį aprėptį.
- Pagerinti skystųjų kristalų plėvelių aplinkos ir mechaninį stabilumą, kad danga atlaikytų UV poveikį, temperatūros ciklus ir įprastą pastatų stiklinimo priežiūrą.
- Sukurti masteliui pritaikomas dengimo arba laminavimo technologijas, suderinamas su didelio ploto stiklu ir esamais langų gamybos procesais, kad būtų pasiekti kaštų ir pralaidumo tikslai.
„Norint išplėsti gamybą, reikia apsvarstyti keletą medžiagų ir procedūrų patobulinimų,“ rašo komanda savo publikuotame straipsnyje, pažymėdami, kad pramoninis pritaikymas priklausys nuo optinio veikimo, patvarumo ir kainos balanso.
Susijusios technologijos ir galimos taikymo sritys
Permatomos arba pusiau permatomos fotovoltinės technologijos yra aktyvi tyrimų sritis pastatams integruotų fotovoltinių sprendimų ir miesto mastelio fotovoltikos kontekste. Alternatyvos apima plonasluoksnius BIPV modulius, organines fotovoltines sistemas integruotas į stiklinimą ir luminiscentinius saulės koncentratorius (LSC), kurie sugeria šviesą ir persiunčia ją link kraštų. CUSC skiriasi nuo daugelio šių požiūrių tuo, kad derina aukštą matomo skaidrumą, spalvinį neutralumą ir kryptinį šviesos nukreipimą per poliaracijai selektyvią difrakciją.
Praktinės taikymo sritys apima biurų ir gyvenamųjų langų modernizavimą, dangos įtraukimą į stoglangius, šiltnamių stiklinimą, transporto priemonių stiklą ir net saulės papildomas ekranų sistemas. Plačiai diegiant langų pagrindu gaminama energija galėtų papildyti ant stogų ir ant žemės montuojamas saulės sistemas bei tiekti paskirstytą energiją arti pastatų poreikių.
Ekspertės įžvalga
Dr. Lena Martínez, fotovoltikos tyrėja ir taikomosios optikos lektorė, komentuoja: „Nandzingo komanda demonstruoja elegantišką optinį požiūrį, naudodama cholesterinius skystuosius kristalus, kad išsaugotų skaidrumą ir tuo pačiu nukreiptų energiją į PV ląsteles. Pateikti skaičiai skatina optimizmą laboratorinio lygmens įrenginiams, tačiau esminis iššūkis bus optinio potencialo pavertimas ekonomiškai gyvybingais ir patvariais produktais. Modulio lygio efektyvumo ir ilgalaikio stabilumo pagerinimai nulems, ar tai taps plačiai paplitusia pastatams integruota išeitimi.“
Ši nuomonė atspindi bendrą pastatams integruotų fotovoltinių tyrėjų konsensusą, kad medžiagų patvarumas, gamybos kaina ir suderinamumas su esamais stiklinimo standartais yra tokie pat svarbūs kaip ir laboratoriniai efektyvumo rodikliai.
Išvada
Be spalvos ir vienpusiškas difrakcinio tipo saulės koncentratorius (CUSC), sukurtas Nandzingo universiteto mokslininkų, rodo perspektyvų kelią link tikrai permatomų saulės langų. Naudodama sudėtines cholesterinių skystųjų kristalų plėveles selektyviai difraguodama apskritinės poliarizacijos šviesą, danga gali nukreipti dalį saulės šviesos į pakraščiuose montuojamas PV ląsteles, tuo pačiu leidžiant didžiąją dalį matomos šviesos praeiti. Ankstyvieji prototipai demonstruoja naudingą optinį skaidrumą ir matomą galios išvestį, tačiau esamas prietaiso lygio elektros konversijos efektyvumas (apie 3,7 %) ir gamybos iššūkiai reiškia, kad reikia papildomų medžiagų tyrimų ir inžinerinės plėtros. Jei šios kliūtys bus įveiktos, permatomos saulės dangos galėtų tapti reikšminga pastatams integruotos atsinaujinančios energijos dalimi, suteikdamos paskirstytos gamybos pajėgumą nekeisdamos langų estetikos.
Quelle: sciencealert
Kommentar hinterlassen