Okna z niewidzialnymi panelami słonecznymi

Naukowcy z Uniwersytetu w Nankinie opracowali przezroczystą powłokę, która zamienia zwykłe okna w niewidzialne panele słoneczne. Innowacja wykorzystuje warstwy cholesterycznego ciekłego kryształu, które przekierowują światło słoneczne do ogniw fotowoltaicznych umieszczonych na krawędziach okna, jednocześnie zachowując przejrzystość i dokładność odwzorowania kolorów.

Wykorzystany przez naukowców dyfrakcyjny koncentrator słoneczny, czyli CUSC, utrzymuje 64,2 proc. przepuszczalności światła widzialnego oraz 91,3 proc. wierności kolorów, rozwiązując długoletnie problemy wcześniejszych technologii okien słonecznych, które cierpiały na zniekształcenie obrazu i niską wydajność. W przeciwieństwie do konwencjonalnych systemów, które opierają się na materiałach luminescencyjnych lub rozpraszających, nowa powłoka selektywnie ugina falę światła spolaryzowanego kołowo do krawędzi okna, gdzie cienkie ogniwa słoneczne przekształcają je w energię elektryczną.

Badania laboratoryjne wykazują niezwykłe parametry wydajnościowe tej technologii. System wychwycił 38,1 proc. energii światła zielonego, czyli długości fali najbardziej czułej dla ludzkiego oka. Prototyp o długości jednego cala z powodzeniem zasilił wentylator o mocy 10 miliwatów. Efekt koncentracji jaki uzyskuje się dzięki dyfrakcji może zmniejszyć liczbę potrzebnych ogniw fotowoltaicznych choćby o 75 proc., dramatycznie obniżając koszty instalacji.

Rozwiązanie to jest odpowiedzią na rosnące zainteresowanie przezroczystymi technologiami solarnymi. Globalny rynek fotowoltaiki zintegrowanej z budynkami (BIPV) został wyceniony na około 33 miliardy dolarów w 2025 roku i oczekuje się, iż osiągnie ponad 100 miliardów dolarów do 2032 roku. Szeroko pojęty rynek okien solarnych, w tej chwili wyceniany na około 2,5 miliarda dolarów, może osiągnąć 7 miliardów dolarów do 2033 roku. Tylko w samych Stanach Zjednoczonych istnieje od pięciu do siedmiu miliardów metrów kwadratowych powierzchni szklanych, co stanowi ogromny potencjał do generowania energii. Okna solarne w połączeniu z instalacjami dachowymi teoretycznie mogłyby pokryć do 40 procent zapotrzebowania energetycznego USA, a według badaczy z Uniwersytetu Stanowego Michigan ich łączny udział mógłby zbliżać się choćby do 100 procent pokrycia.

_{Koncepcja CUSC oparta jest na rozszczepieniu polaryzacji kołowej szkła architektonicznego pokrytego warstwą CLC. a) zdjęcie wieży Nanjing Zifeng (po lewej), schematy zintegrowanego okna fotowoltaicznego CUSC (prawy górny róg) oraz ułożone warstwy CLC o różnym skoku helisy nałożone na szkło architektoniczne (prawy dolny róg). b) Transmitancja (niebieska krzywa) i odbicie (czerwona krzywa) CUSC pod panelem słonecznym AM 1.5G (szara krzywa). Si-PV: krzemowa fotowoltaika; warstwy CLC: cholesteryczne warstwy ciekłokrystaliczne; T: transmisja; R: odbicie}

Technologia zaprezentowana przez naukowców z Nankinu pojawia w czasie rosnącej konkurencji handlowej w technologii przezroczystych paneli słonecznych. Firma Next Energy Technologies z Kalifornii niedawno zaprezentowała to, co uważa za największe na świecie przezroczyste okno fotowoltaiczne o wymiarach 101,6 cm na 152,4 cm, które mogą zredukować zużycie energii w typowym budynku komercyjnym o 20–25 proc., jednocześnie zmniejszając zapotrzebowanie na systemy HVAC poprzez absorbowanie światła podczerwonego.

Tymczasem firmy takie jak Ubiquitous Energy starają się przekształcić drapacze chmur w „pionowe farmy słoneczne” poprzez montaż przezroczystych paneli słonecznych od podłogi aż po sufit. Technologia ta wciąż znajduje się we wczesnej fazie komercjalizacji: w tej chwili ich przezroczyste systemy osiągają sprawność jedynie na poziomie 1–3 proc. w porównaniu do 20–23 proc. sprawności tradycyjnych paneli słonecznych.
Chiński zespół przyznaje zresztą, iż do osiągnięcia komercyjnej opłacalności potrzebne są dalsze prace, szczególnie w zakresie poprawy stabilności powłoki, procesów produkcyjnych oraz wydajności konwersji energii, która w tej chwili wynosi 3,7 procent. Przyszłe badania będą koncentrować się na zwiększeniu wydajności szerokopasmowego przetwarzania i kontroli polaryzacji, aby zoptymalizować wydajność na całym widmie słonecznym

/Fot: Unsplash+//