СОЛНЕЧНЫЕ ОКНА – ПРАВДА ИЛИ ВЫМЫСЕЛ?

Появление

На сегодняшний день «зеленая энергетика» насчитывает целый ряд инновационных разработок, подразумевающих использование солнечного света для выработки электричества. Это многообещающая технология, которая может найти применение не только в городских многоэтажках, но и во многих других отраслях. Вместе с тем многие компании работают над возможностью преобразования окон в окна-батареи.

Некоторые компании предлагают прямо в оконном стекле размещать тонкие полоски кремниевых фотоэлементов. Внешне эти батарейные окна напоминают открытые жалюзи, а это значит, что они не закрывают обзор из окна.

Одни производители решили использовать оконное стекло со специальным полупрозрачным покрытием. И этот слой будет активным, ведь он потребляет солнечный свет и преобразовывает его в электроэнергию, накапливая в специальных полупрозрачных проводниках. В свою очередь часть производителей предлагает наклеить на стекло пленку, которая будет обладать теми же свойствами, что и солнечная батарея.

Устройство

На данный момент разработаны батарейные окна как на стеклянных основаниях, так и на гибких подложках. Однако стоит отметить, что существует множество других разработок.

Гибкие подложки представляют собой тонировочную пленку, которую наклеивают на фасадные панели, окна и т. д. Их светопропускание составляет около 70%, что практически не снижает уровень освещенности в помещении. Они сделаны из гибкого композитного материала, похожего на пластик. В другом случае на закаленное стекло может наноситься двухслойная пленка.

Подложка из закаленного стекла (в некоторых случаях триплекс) покрывается тонким слоем аморфного кремния. Поверх наносится прозрачная кремниевая микропленка, которая преобразует инфракрасные лучи, а аморфный кремний трансформирует видимый спектр.

Многие компании не создают полностью прозрачные фотоэлектрические элементы. Вместо этого они выбрали TLSC – прозрачный люминесцентный солнечный концентратор. Материал TLSC содержит органические соли. Этот материал абсорбирует невидимое глазу инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, которое в итоге трансформируется в инфракрасные волны определенной длины (они также невидимы). Это инфракрасное излучение достигает края пластины, на которой расположены тонкие полоски фотоэлектрических солнечных элементов.

Последняя разработка ученых – это полностью прозрачный материал, который поглощая солнечный свет может генерировать свое электричество. Материал представляет собой полупроводниковую полимерную пленку, насыщенную углеродными «шариками» фуллеренов. Данный материал уникален тем, что он при определенных условиях образует упорядоченную структуру, напоминающую соты при многократном увеличении.

Принцип действия

Прозрачные оконные пленки имеют активный люминесцентный слой. Небольшие органические молекулы поглощают волны солнечного света определенной длины. В то же время, есть возможность настроить структуру для определенных длин волн. Таким образом, эти материалы могут поглощать только ультрафиолетовые лучи и лучи с практически ИК-длиной, чтобы в дальнейшем «подсвечивать» другую длину волны в инфракрасном диапазоне.

«Светящийся» инфракрасный свет можно трансформировать в электричество с помощью тонких полосок фотоэлектрических солнечных элементов батареи. Из-за того, что эти материалы не излучают и не поглощают свет в видимом диапазоне, они выглядят абсолютно прозрачными для человеческого глаза.

Абсолютно новый подход к созданию «солнечного» окна отражает технология создания материала, который при облучении производит электрический ток. Происходит это так:

• Микроскопические капли воды проходят через тонкий слой материала, находящегося в жидком состоянии.
• По мере остывания полимера капли равномерно распределяются по поверхности и испаряются.
• В результате получается текстура из шестиугольников, их плотность определяется скоростью испарения и определяет эффективность переноса заряда. Другими словами, чем плотнее упаковка, тем эффективнее материал.
• Полимерные нити распределены по граням шестиугольников. Стоит отметить, что они остаются пустыми, а материал при этом почти прозрачен. Но плотно уложенные нити по краям отлично поглощают солнечный свет и проводят электрический ток, который также возникает, когда материал подвергается воздействию солнечного света.

Особенности

Главная особенность уже создаваемых панелей – это использование невидимого спектра солнечных лучей, то есть его ультрафиолетовой и инфракрасной частей.

Поглощение и «обработка» инфракрасного излучения дает важное преимущество – минимизацию теплового воздействия. Это чрезвычайно важно для стран с жарким климатом. Именно инфракрасный спектр лучей приводит к нагреву поверхностей и необходимости их охлаждения. Прозрачные панели солнечного концентратора поглощают инфракрасные лучи без нагрева самих батарей. В итоге можно минимизировать затраты на системы охлаждения.

В настоящее время апробированные технологии прозрачных солнечных элементов демонстрируют низкую эффективность. Но по мере совершенствования технологий эффективность будет расти. Даже невысокая производительность окупится отсутствием необходимости поиска места для установки и простотой монтажа. Значительная площадь стеклянных конструкций, которые в реальности не приносят практической пользы, позволит изготавливать значительное количество энергии.

Достоинства и недостатки

К преимуществам можно отнести:

• Удобство использования, ведь не нужно искать дополнительное место для развертывания батарей, ведь они сами размещаются в стекле. Они не занимают места.
• Легкость установки.
•  
• «Электрическое стекло» забирает часть световой энергии, поэтому здания меньше нагреваются. Это снижает затраты на вентиляцию и кондиционирование. Особенно это актуально в странах с солнечным теплым климатом.
• Возможность широкого применения.

К недостаткам можно отнести:

• «Солнечные» окна несовершенны, и многие из них забирают часть света, который должен проникать в помещение.
• Низкий КПД.
• Низкая распространенность.
• Непроработанность технологий.

Перспективы и применение

По мере роста тарифов на электроэнергию жители крупных городов стараются максимально сэкономить на дорогостоящем ресурсе, а ученые всего мира стремятся разрабатывать и внедрять экологически чистые строительные технологии, в том числе альтернативные источники энергии. Актуальна и тема защиты окружающей среды, важную роль играют упомянутые выше технологии.

Некоторые компании уже производят в небольших количествах стекла для установки в зданиях, например, японская корпорация Sharp и многие другие. Возможные применения такого изобретения довольно обширны, но эффективность технологии на данный момент ограничена несовершенной технологией. Уже проверенные технологии дают всего 1%, а более совершенные – 5-7%.

Полученные параметры позволяют широко применять данную технологию в различных направлениях. В ближайшем будущем окна-батареи могут успешно заменить традиционное остекление в автомобилях. Это оконные стекла зданий, в том числе многоэтажных, фасады которых могут быть полностью оборудованы такими прозрачными панелями. Это экраны различных мобильных устройств, таких как электронные книги, планшеты, смартфоны. Основная задача разработчиков – сделать солнечные концентраторы такими же прозрачными, как обычное стекло. К тому же разработчики обещают меньшую цену по сравнению с дорогими солнечными батареями.

Перспективы прозрачных солнечных батарей огромны. Так что замена дисплея смартфона или ноутбука на новый «солнечный» экран существенно увеличит срок его службы без подзарядки. Города будущего смогут превратиться в экологичные электростанции без установки дополнительного оборудования – здания смогут сами обеспечивать себя энергией.

Список литературы:

1. Окна батареи. Прозрачные солнечные батареи // Электросам.Ру [Электронный ресурс]. – 2016. – Режим доступа: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrooborudovanie/jelektropitanie/okna-batarei/. – Дата доступа: 14.10.2020.
2. Энергогенерирующие пластиковые окна // Окна Медиа [Электронный ресурс]. – 2017. Режим доступа: https://www.oknamedia.ru/novosti/energogeneriruyuschie-plastikovye-okna-46337. – Дата доступа: 24.10.2020.
3. Солнечные окна – прозрачные солнечные концентраторы // «Электрик Инфо» - онлайн журнал про электричество [Элекронный ресурс]. – 2008. Режим доступа: http://electrik.info/main/news/928-prozrachnye-solnechnye-koncentratory.html. – Дата доступа: 19.10.2020.
4. Парфенова, Л. М. Основы энергосбережения: учеб.-метод. комплекс для студентов спец. 1-70 02 01, 1-70 02 02 и слушателей ИПК УО «ПГУ» спец. 1-70 02 71 / Л. М. Парфенова. – Новополоцк: ПГУ, 2009. – 200 с.