Läpinäkyvä aurinkokalvo muuttaa ikkunat energiatuotantoon

Johdanto

Nanjingin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet läpinäkyvän pinnoitteen, joka voi muuttaa tavallisen ikkunalasin aktiiviseksi aurinkoenergian pinnaksi säilyttäen samalla suuren osan läpinäkyvyydestä. Teknologia, jota kutsutaan värittömäksi ja yksisuuntaiseksi diffraktiotyyppiseksi aurinkokonsentraattoriksi (CUSC), ohjaa osan saapuvasta auringonvalosta sivusuunnassa lasin sisällä kohti ikkunan reunoille asennettuja aurinkokennoja. Muut aallonpituudet kulkevat edelleen läpi paneelin, mikä säilyttää luonnollisen päivänvalon ja visuaalisen selkeyden.

Tämä lähestymistapa kohdistuu rakennuksiin integroitaviin aurinkoratkaisuihin (BIPV), alaan, joka keskittyy energiantuotannon integroimiseen olemassa oleviin rakenteisiin. Jos teknologia skaalattaisiin kattamaan maailmanlaajuisen ikkunavarannon, tutkijat arvioivat sen mahdolliseksi energiantuotannon panokseksi terawattitasolla, mikä tekee ideasta geopoliittisesti ja taloudellisesti merkittävän hiilidioksidivähennysstrategioissa.

Millä tavalla pinnoite toimii

CUSC-pinnoite perustuu päällekkäisiin kolesteriittisten nestekiteiden (CLC) kerroksiin. CLC-materiaalit ovat eräs nestekidemateriaaleista, joiden molekyylirakenne muodostaa helixmäisen järjestyksen ja jotka valikoivasti vuorovaikuttavat pyörivän polarisaation omaavan valon kanssa. Suunnittelemalla useita erilaisilla optisilla vasteilla varustettuja CLC-kerroksia, pinnoite voi kattaa suuren osan näkyvästä spektristä säilyttäen kuitenkin ihmisen silmälle värittömyyden.

Tärkeä suunnitteluominaisuus on polarisaation valikoivuus: kalvot diffraktoivat ja vangitsevat vain yhden pyörivän polarisaation tilan. Tämä yksittäinen polarisaatio ohjataan lasiin jyrkillä kulmilla ja se etenee sisäisen heijastuksen avulla kunnes se saavuttaa reunalle sijoitetut PV-nauhat. Vangitsematon valo — mukaan lukien ortogonaalinen polarisaatio — kulkee lasin läpi vähäisellä vaimenemisella. Tiimin mukaan pinnoite läpäisee 64,2 % näkyvästä valosta ja säilyttää 91,3 % havaitusta värin oikeellisuudesta, mikä pitää ikkunien esteettiset ja toiminnalliset ominaisuudet ennallaan.

Optinen suunnittelija Wei Hu tiivistää tavoitteen: "CUSC-suunnittelu on askel eteenpäin aurinkoteknologian integroimisessa rakennettuun ympäristöön ilman, että esteettisyydestä tarvitsee tinkiä. Se edustaa käytännöllistä ja skaalautuvaa strategiaa hiilen vähentämiseen ja energian omavaraisuuteen." Kollegansa Dewei Zhang lisää: "Muokkaamalla kolesteriittisten nestekiteiden kalvojen rakennetta luomme järjestelmän, joka valikoivasti diffraktoi pyörivän polarisaation omaavaa valoa ja ohjaa sitä lasin aaltopakettiin jyrkillä kulmilla."

Prototyyppitulokset ja skaalautuvuus

Laboratoriotestit antavat vaihtelevan mutta lupaavan kuvan suorituskyvystä. Vihreällä laserilla — lähellä aallonpituutta, johon ihmisen silmä on herkin — järjestelmä vangitsi ja muunsi jopa 38,1 % saapuvasta energiasta, mikä antaa käyttökelpoisen ylärajan tietyille monokromaattisille sovelluksille. Laajakaistaisessa, todellisemmin aurinkoiseen valaistukseen vastaavassa tilanteessa päällekkäisistä CLC-kerroksista koostuva konsentraattori saavutti optisena keruutehokkuutena 18,1 % yhdenmukaistaen valoa reunalle sijoitetuille PV-selleille. Kun nykyisen prototyypin kokonaissähköntuotanto huomioidaan, käytännön sähkötehokkuus on noin 3,7 %.

Tiimi valmisti yhden tuuman demonstraationäytteen, joka tuotti riittävästi sähköä pienen tuulettimen ajamiseen. Skaalaaminen täysikokoisiin kaupallisiin ikkunoihin vaatisi suuremman pinta-alan pinnoitusprosesseja, luotettavaa laminointia tai deposiitiota olemassa olevalle lasille sekä integroitua reunalle asennettavaa PV-moduulia. Tutkijat toteavat, että materiaalien vakauden, tuotantonopeuden ja kennojen liitännän parantaminen on tarpeen käytännön muuntosuhteen nostamiseksi ja massatuotannon tukemiseksi.

Samankaltaisia teknologioita ovat läpinäkyvät johtavat oksidit, luminesoivat aurinkokonsentraattorit ja perovskitti-lasiyhdistelmät; jokaisella lähestymistavalla on omat kompromissinsa läpinäkyvyyden, kustannusten ja kestävyyden välillä. CUSC-menetelmä erottuu käyttämällä diffraktiivista ohjausta ja polarisaation hallintaa sen sijaan, että se perustuisi absorptio-emissiosykleihin tai massiivisiin läpinäkyvyyden heikennyksiin.

Asiantuntijan näkemys

Tohtori Maria Alvarez, sovelletun fysiikan asiantuntija ja rakennusten aurinkoenergiaratkaisujen tutkija, kommentoi: "Tämä diffraktiivinen ja polarisaatio-valikoiva strategia on oivaltava, koska se minimoi näkyvän häiritsevyyden ja mahdollistaa reunakeruun. Nykyinen 3,7 % järjestelmätaso on vaatimaton, mutta parannuspolku on selkeä: optimoida nestekidekerrostus, lisätä reunakennojen muuntosuhdetta ja kehittää rulla-rullalta -pinnoitusta. Jos nämä tekniset askeleet onnistuvat, teknologia voi täydentää merkittävästi kattoratkaisuja ja julkisivuja.

Yhteenveto

Nanjingin yliopiston kehittämä CUSC-läpinäkyvä pinnoite osoittaa käytännöllisen tavan muuttaa tavalliset ikkunat energiaa tuottaviksi elementeiksi minimalisella visuaalisella vaikutuksella. Keskeisiä vahvuuksia ovat korkea näkyvän valon läpäisy, värin säilyvyys ja polarisaatio-valikoiva diffraktiomekanismi, joka ohjaa valoa tehokkaasti reunalle sijoitetuille aurinkokennoille. Prototyyppimittarit osoittavat lupaavaa optista ohjausta (jopa 18,1 % leveässä spektrissä; 38,1 % vihreällä lasertestillä) mutta nykyisen loppukäytön sähköinen muuntosuhde on noin 3,7 %. Tärkeimmät seuraavat vaiheet ovat materiaalien vakauden, valmistusprosessien ja tehomuunnoksen parantaminen kaupallisen elinkelpoisuuden saavuttamiseksi. Jos teknologia skaalautuu onnistuneesti, läpinäkyvät ikkunapinnoitteet kuten CUSC voisivat laajentaa kaupunkiympäristöjen aurinkoenergian keruupintoja ja tukea merkittävästi hajautettua puhtaan energian tuotantoa.