6 Minutės
Skaidrus dangalas paverčia įprastą stiklą saulės gaminančiais langais
Nandzingo universiteto mokslininkai sukūrė skaidrų paviršinį sluoksnį, kurį galima padengti ant įprastinio lango stiklo, kad sugautų saulės šviesą ir nukreiptų ją į langų pakraščiuose montuojamas fotovoltines (PV) ląsteles. Medžiaga — tyrėjų apibūdinta kaip bespalvis ir vienpusis difrakcinio tipo saulės koncentratorius (CUSC) — išlaiko langų matomą skaidrumą, tuo pačiu nukreipdama dalį krintančios šviesos į elektros gamybą.
Tyrėjų komanda pagamino mažą funkcinį prototipą ir paskelbė savo rezultatus žurnale PhotoniX. Jei dangalį bus galima gaminti ekonomiškai ir mastuoti, esamo pastatų stiklinimo atnaujinimas bei nauji langai galėtų reikšmingai padidinti paskirstytą atsinaujinančios energijos gamybą miesto zonose, prisidedant prie pastatų integruotos fotovoltikos (BIPV) ir platesnių dekarbonizacijos tikslų.
Kaip veikia CUSC: cholestericiniai skystieji kristalai ir selektyvus šviesos nukreipimas
Pagrindą dangaliui sudaro cholestericiniai skystieji kristalai (CLC) — medžiagų klasė su inžinerinėmis spiralės formos molekulinėmis struktūromis, kurios sąveikauja su šviesa priklausomai nuo bangos ilgio ir poliarizacijos. Sudėjus kelis CLC sluoksnius, suderintus skirtingoms saulės spektro juostoms, denginys aprėpia platų matomos šviesos spektrą ir vis tiek lieka vizualiai skaidrus, todėl tai yra perspektyvi skaidrios saulės dango alternatyva pastatų fasadams.
Poliarizacijos pasirinktinė difrakcija
Viena svarbi dizaino savybė — CUSC selektyviai difraktuoja vieną apskritos poliarizacijos šviesos komponentą. Tai reiškia, kad tik fotonai su tam tikra poliarizacijos būsena yra šonine kryptimi nukreipiami į stiklą, kur jie dėl dalinio vidinio atspindžio yra vedami link pakraščiuose montuojamų PV ląstelių. Kitos poliarizacijos šviesa daugiausia praeina per stiklą, išsaugodama įprastą lango funkcionalumą ir natūralų apšvietimą.
Optikos inžinierius Dewei Zhang, vienas iš bendraautorių, paaiškina, kad formuojant CLC plėvelių vidinę struktūrą komanda gali „selektviai difraktuoti apskritai poliarizuotą šviesą ir nukreipti ją į stiklo bangolaidį aštriais kampais.“ Šis bangolaidžio efektas koncentruoja šviesą ant pakraštinių ląstelių nepridėdamas stiprios spalvos ar vizualinio poslinkio.
Autoriai galutinį įrenginį vadina bespalviu ir vienpusišku difrakcinio tipo saulės koncentratoriumi (CUSC), pabrėždami jo spalvinį neutralumą ir vienpusį šviesos nukreipimą link energijos konversijos įrangos.
Veikimo rodikliai, prototipai ir apribojimai
Laboratoriniai bandymai parodė perspektyvius optinius parametrus: dangalys praleidžia 64,2 proc. matomos šviesos ir išsaugo 91,3 proc. spalvų tikslumo — svarbūs rodikliai komfortui pastatuose. Naudodami žalią lazerį — parinktą todėl, kad žmogaus akis yra jautriausia tame regione — prietaisas užfiksavo ir konvertavo 38,1 proc. krintančios energijos, rodydamas aukštą teorinį surinkimo efektyvumą idealizuotomis sąlygomis. Platesniuose bandymuose su polichromatine šviesa, imituojančia realią saulės spinduliuotę, tyrėjai nurodo optinio surinkimo efektyvumą 18,1 proc.
Komanda pagamino 1 colio (apie 2,54 cm) prototipo plokštelę padengtą CUSC, kuri pagamino pakankamai elektros mažam ventiliatoriui maitinti. Tačiau dabartinis bendras galios konversijos efektyvumas — krintančios saulės energijos dalis, paverčiama naudinga elektra atsižvelgiant į visą optinį kelią ir PV konversiją — vis dar žemas, apie 3,7 proc. Šis rodiklis apima nuostolius šviesos nukreipimo, bangolaidžio transportavimo ir pakraščiuose montuojamos PV konversijos grandinės metu.
„CUSC dizainas yra žingsnis į priekį integruojant saulės technologijas į pastatus neaukojant estetikos,“ sakė optikos inžinierius Wei Hu, tyrimo komandos narys. „Tai praktiška ir masteliniu požiūriu pritaikoma strategija anglies emisijų mažinimui ir energetinei savarankiškumui.“ Vis dėlto autoriai pažymi, kad kol kas būtina pagerinti stabilumą, gamybos pakartojamumą ir galios konversijos efektyvumą prieš komercinį diegimą.
Iššūkiai plečiant gamybą ir tobulinimo kryptys
Norint pereiti nuo prototipo prie rinkai paruošto produkto, reikia spręsti kelis techninius ir gamybos iššūkius. Tyrėjai išskiria reikalingus veiksmus:
- Padidinti įrenginio lygio elektros konversijos efektyvumą optimizuojant pakraštinių PV ląstelių išdėstymą, mažinant bangolaidžio nuostolius ir tobulinant sluoksniuotų CLC plėvelių spektro aprėptį.
- Stiprinti skystųjų kristalų plėvelių aplinkos ir mechaninį stabilumą, kad danginys atlaikytų UV poveikį, temperatūros ciklus ir įprastinę pastatų priežiūrą.
- Išvystyti mastelio nusodinimo arba laminavimo technologijas, suderintas su didelių plotų stiklu ir esamais langų gamybos procesais, kad būtų pasiekti kaštų ir gamybos pralaidumo tikslai.
„Norint padidinti gamybos mastą, reikia apsvarstyti kelis patobulinimus medžiagose ir procedūrose,“ rašo komanda savo publikuotame straipsnyje, pažymėdama, kad pramoninė plėtra priklausys nuo optinio našumo, patvarumo ir kainos pusiausvyros.
Susijusios technologijos ir galimos paskirties sritys
Skaidrios arba pusiau skaidrios fotovoltinės dangos yra intensyviai tiriama sritis pastatų integruotos fotovoltikos ir miestų fotovoltikos kontekste. Alternatyvos apima plonasluoksnius BIPV modulius, organines fotovoltines plokštes integruotas į stiklines konstrukcijas bei luminiscencinius saulės koncentratorius (LSC), kurie sugeria šviesą ir persiunčia ją link pakraščių. CUSC išsiskiria tuo, kad derina aukštą matomą skaidrumą, spalvinį neutralumą ir kryptinį šviesos nukreipimą naudojant poliarizacijos pasirinktinę difrakciją.
Praktinės taikymo sritys apima biurų ir gyvenamųjų patalpų langų modernizavimą, denginio integravimą į stoglangius, šiltnamių stiklinimą, transporto priemonių stiklą ir net ekranus, papildytus saulės energija. Plačiai diegiant, langų pagrindu paremta generacija galėtų papildyti stogų ir antžemines saulės sistemas bei suteikti paskirstytą energijos tiekimą arti pastatų apkrovų.
Eksperto įžvalga
Dr. Lena Martínez, fotovoltikos tyrėja ir taikomosios optikos lektorė, komentuoja: „Nandzingo komanda demonstruoja elegantišką optinį sprendimą, panaudodama cholestericinius skystuosius kristalus, kad išsaugotų skaidrumą ir nukreiptų energiją į PV ląsteles. Pateikti laboratoriniai duomenys yra skatinantys, tačiau pagrindinis iššūkis bus optinį potencialą paversti ekonomiškai gyvybingais ir patvariais produktais. Modulio lygio našumo ir ilgalaikio stabilumo patobulinimai nulems, ar ši technologija taps plačiai paplitusia pastatų integracijos sprendimu.“
Ši nuomonė atspindi bendrą pastatų integruotos fotovoltikos tyrėjų sutarimą, kad medžiagų patvarumas, gamybos kaina ir suderinamumas su esamais stiklinimo standartais yra tokie pat svarbūs kaip ir laboratoriniai efektyvumo rodikliai.
Išvada
Bespalvis ir vienpusiškas difrakcinio tipo saulės koncentratorius (CUSC), sukurtas Nandzingo universiteto mokslininkų, nubrėžia perspektyvų kelią link tikrai skaidrių saulės langų. Naudodami sluoksniuotas cholestericines skystųjų kristalų plėveles, kurios selektyviai difraktuoja apskritai poliarizuotą šviesą, dangalys gali nukreipti dalį saulės spindulių į pakraštinėse PV ląstelėse vykdomą konversiją, tuo pačiu leisdamas didžiajai daliai matomos šviesos praeiti. Ankstyvieji prototipai demonstruoja gerą optinį skaidrumą ir matomą galios išėjimą, tačiau dabartinis įrenginio lygio elektros konversijos efektyvumas (apie 3,7 proc.) ir gamybos iššūkiai rodo, kad reikalingi papildomi medžiagų tyrimai ir inžineriniai patobulinimai. Jei šie barjerai bus įveikti, skaidrios saulės dangos galėtų tapti reikšminga pastatų integruotos atsinaujinančios energetikos dalimi, suteikiančia paskirstytą generacijos pajėgumą nekeisdamos langų estetinio vaizdo.
Šaltinis: sciencealert
Komentarai