В Австралии создали солнечные батареи, которые встроены прямо в оконные стекла
Полупрозрачные солнечные элементы, которые можно встроить в оконное стекло, могут трансформировать архитектуру, городское планирование и производство электроэнергии. Австралийские ученые, создавшие такое изобретение, опубликовали его данные в Nano Energy.
Читайте «Хайтек» в
Исследователи преуспели в производстве солнечных батарей на основе перовскита следующего поколения, которые генерируют электричество и пропускают свет. Сейчас они изучают, как новая технология может быть встроена в коммерческие продукты с Viridian Glass — крупнейшим производителем стекла в Австралии.
Эта технология превратит окна в активные генераторы энергии, потенциально революционизируя дизайн здания. Исследователи говорят, что 2 м² солнечного окна будут генерировать примерно столько же электроэнергии, сколько стандартная солнечная панель на крыше.
Идея полупрозрачных солнечных элементов не нова, но предыдущие проекты провалились, потому что они были очень дорогими, нестабильными или неэффективными. Австралийцы изобрели другой подход.
Они использовали органический полупроводник, который можно превратить в полимер, и использовали его для замены обычно используемого компонента солнечного элемента (известного как Spiro-OMeTAD), который демонстрирует очень низкую стабильность, поскольку создает бесполезное водянистое покрытие. Заменитель дал удивительные результаты.
«Эффективность преобразования солнечной энергии на крыше составляет от 15 до 20%. Полупрозрачные ячейки имеют эффективность преобразования 17%, при этом пропуская более 10% входящего света, поэтому они находятся прямо в зоне получения ультрафиолета. Я давно мечтал иметь окна, которые генерируют электричество, и теперь это становится реальностью. Мы будем стремиться разработать крупномасштабный процесс производства стекла, который можно легко перенести в промышленность, чтобы производители могли легко освоить эту технологию».
Яцек Ясениак, Центр передовых технологий ARC в науке об экситонах (Exciton Science) и Университет Монаш.
Солнечные окна станут благом для владельцев зданий и жителей, и принесут новые проблемы и возможности для архитекторов, строителей, инженеров и проектировщиков. Потому что так получается компромисс. Солнечные элементы можно сделать более или менее прозрачными. Чем они прозрачнее, тем меньше вырабатывается электричества, поэтому архитекторам это нужно учитывать.
Он добавил, что солнечные окна, окрашенные в той же степени, что и нынешние коммерческие окна, будут генерировать около 140 Вт электроэнергии на м². Первое применение, скорее всего, будет в многоэтажных домах. Потому что большие окна, установленные в высотных зданиях, дороги в изготовлении. Дополнительные затраты на включение в них полупрозрачных солнечных элементов будут незначительными.
Но даже с дополнительными затратами здание получает электричество бесплатно. До сих пор каждое здание проектировалось исходя из предположения, что окна в основном пассивны. Теперь они будут активно производить электричество. Планировщикам и дизайнерам, возможно, придется даже пересмотреть то, как они размещают здания на площадках, чтобы оптимизировать ловлю стенами солнца.
Сейчас исследователи тестируют тандемное устройство, где будут использоваться солнечные элементы на основе перовскита в качестве нижнего слоя и органические солнечные элементы в качестве верхнего.
Что касается того, когда на рынке появятся первые коммерческие полупрозрачные солнечные элементы, это будет зависеть от того, насколько успешным будет масштабирование технологии. Разработка таких солнечных окон приведет к новым стеклянным инновациям и технологиям в будущем.
Солнечный коллектор на окно: выгодное тепло для вашего дома
Неудовлетворительное качество централизованного отопления заставляет задуматься о покупке и использовании дополнительных источников тепловой энергии. Однако их стоимость достаточно высока, а высокая энергоемкость приводит к резкому увеличению сумм в счетах за израсходованную электроэнергию. Один масляный обогреватель способен увеличить энергозатраты едва ли не на 60-80% относительно прежнего уровня потребления. А если поставить по такому устройству в каждую комнату, семейный бюджет будет целиком уходить на коммунальные расходы.
Решение проблемы готовы подсказать альтернативные источники тепла, в частности – энергия солнечного света. Те, кто хорошо учил физику в школе, помнит о способности воды накапливать тепло. Под воздействием ярких лучей она превращается в недорогой и эффективный теплоноситель, с применением которого можно разработать и сконструировать солнечный коллектор на окно. Для счастливых обладателей квартир, выходящих на южную сторону, такое решение – настоящая находка, позволяющая получать неограниченное количество бесплатного тепла в ясные дни.
Принцип действия оконного солнечного коллектора
Оконный солнечный коллектор, или гелиосистема, обладает способностью аккумулировать энергию солнца для нагрева воды, циркулирующей по внутреннему трубопроводу. Нагретая вода постепенно остывает, отдавая тепло в окружающую атмосферу. В результате температура воздуха в помещении становится выше. А счетчик электроэнергии продолжает работать в штатном режиме, т.к. к нему не подключены энергоемкие обогреватели.
Простейший солнечный коллектор представляет собой черные пластины в стеклянном или пластиковом корпусе. Благодаря способности черного цвета поглощать большой процент лучей пластины быстро нагреваются и одновременно передают часть полученного тепла воде в теплообменнике. Последняя попадает в накопительный резервуар, где постепенно остывает и опускается вниз, освобождая место для очередной порции нагретой воды из теплообменника. В солнечные дни температура воды может легко достигать 70 o С. Этого более чем достаточно, чтобы «помочь» централизованному отоплению прогреть помещение, не тратя на это ни копейки.
В зависимости от типа конструкции различают:
- Плоские модели, в которых сочетается низкая стоимость и сравнительно невысокий КПД из-за потерь тепла. В роли поглотителя солнечной энергии здесь выступает окрашенный в черный цвет металлический лист. В качестве теплоносителя используется смесь воды и гликоля. Переданное водяной смеси тепло поступает в солнечный аккумулятор, после чего постепенно выделяется в окружающий воздух и нагревает его.
- Вакуумные модели. Их отличительная особенность – вакуум внутри трубок с поглотителем тепла. Нулевая пропускная способность вакуумной среды снижает теплопотери до минимума, и устройство демонстрирует высокую эффективность работы.
- Концентрационные коллекторы – модели с неподвижной конструкцией. Благодаря встроенным цилиндрическим отражателям солнечные лучи собираются и концентрируются, после чего направляются прямо на солнечную панель. Такие модели чаще применяются в промышленных целях, где от количества полученной энергии зависит производительность работы. Благодаря сложному техническому устройству их стоимость сравнительно высока, но все расходы полностью оправданы возможностью получить бесплатную тепловую энергию в промышленных объемах.
- Воздушные модели. Роль теплоносителя здесь играет воздух, который проходит через нагретый поглотитель благодаря эффекту естественной конвекции или нагнетается за счет работы вентилятора. Последний вариант менее эффективен, т.к. часть полученной энергии расходуется на работу вентиляционного узла.
Выгода оконных солнечных коллекторов
Благодаря сравнительно простой конструкции солнечные коллекторы могут проработать 20-30 лет. Недорогие модели азиатского производства вряд ли порадуют таким сроком службы, зато продукция из Европы способна «перескочить» указанные границы за счет надежности и качества сборки.
Рассчитать мощность коллектора несложно. Она равна произведению площади поглощения, уровня солнечной инсоляции в вашем регионе и заявленного КПД устройства. Так, в столице, где уровень инсоляции составляет 1173,7 для модели площадью поглощения около 1 кв.м и КПД около 65% рабочая мощность составит 760 кВт*час/кв.м за год, или 2,08 кВт*час/кв.м. При этом для обеспечения горячей водой одного человека в день требуется около 2-3 кВт тепла. Таким образом, коллектор будет давать ощутимую часть требуемой тепловой энергии, причем совершенно бесплатно.
Самостоятельное изготовление солнечного воздушного коллектора на окно
Если вы намерены установить коллектор на солнечных батареях в оконные стекла, обратите внимание на следующий момент. Непрозрачная конструкция закроет путь для солнечных лучей, и в помещении будет темно. В свою очередь, прозрачные солнечные батареи в оконных стеклах – пока еще технология обозримого будущего. Выход – установка коллектора в помещении с двумя окнами, либо – разработка и изготовление конструкции, занимающей только пол-окна.
Обратите внимание: важно, чтобы поверхность коллектора располагалась под прямым углом к направлению падения солнечных лучей. Поскольку угол движения солнца меняется в зависимости от сезона года, конструкция должна быть подвижной. Не забывая менять расположение конструкции, вы сможете получить максимум солнечной энергии в любое время года. Как вариант — применение адсорберов, криволинейная поверхность которых будет улавливать солнечный свет под любым углом его падения.
Сборка модели солнечного воздушного коллектора на окно осуществляется следующим образом:
- По размеру окна вырезается и собирается фанерный корпус.
- Внутреннюю поверхность короба прокладывают фольгой, чтобы полезное тепло не выходило через легкие стенки, и теплопотери снизились до минимума.
- Внутри короба укладывают черные алюминиевые адсорберы изогнутой формы. Последний момент — изогнутая конструкция — имеет большое значение, позволяя получать и использовать солнечный свет зимой, когда солнце поднимается над горизонтом на незначительное расстояние.
- В нижней части окна просверливают два отверстия для поступления холодного воздуха. Также делают два отверстия в верхней части корпуса коллектора, что необходимо для отведения нагретого воздуха. Чтобы усилить воздушный поток, возле отверстий монтируют обычные компьютерные кулеры 12В. Если не полениться и установить рядом терморегулятор, работа кулеров будет автоматически останавливаться при повышении температуры воздуха до 25-30 o С.
- Внутреннюю часть коллектора, выходящую в комнату, можно закрыть шторой или обить декоративной тканью.
Остается протестировать устройство и наслаждаться бесплатным теплом в первые прохладные дни, когда централизованная система отопления только запускается в работу.
- Что такое инсоляция
- World Solar Challenge 2015 стартует 18 октября
- «Солнечная регата» получила награду «Архимед»
- Производство солнечной энергии
В США изобрели прозрачные солнечные батареи, которые можно вставлять в окна
Американские исследователи разработали новый вид солнечных батарей. В отличие от уже существующих они прозрачны, как стекла окон, и работают с большей эффективностью.
Немного о солнечных батареях
Количество видов солнечных батарей в современном мире сравнительно невелико. Ученые постоянно пытаются придумать новые способы улучшить экологически чистую технологию производства энергии, так как пока она крайне неэффективна. А это ключевой показатель того, будет ли она внедряться повсеместно или нет. Например, использование угля было более дешевым и энергоемким аналогом для древесины, а на смену загрязняющему природу углю пришел бензин.
Кремниевые солнечные батареи
Однако у солнечных батарей преимуществ, за исключением все еще спорной позиции об экологической чистоте, нет. Так, фотоэлементы, используемые в них, содержат токсичные вещества. Эффективность их тоже находится на низком уровне, а само применение несет в себе массу скрытых издержек, которые не очевидны потребителям. И новым решением проблемы солнечных батарей стало исследование ученых Мичиганского университета.
В чем суть исследования
Для того чтобы получить новый вид батарей, американцы создали новые молекулы, которые незаметны для глаза человека, так как «работают» совершенно в другом спектре, но способны взаимодействовать с солнечным светом. По сравнению с остальными молекулами их эффективность значительно выше, а коэффициент полезного действия (КПД) составляет 8%, что немало для подобного вида батарей.
Окна-батареи идеально подходят для высоток
Исследователи считают, что потенциально они могут увеличить эффективность своего изобретения еще больше. Для этого они планируют применять электроды из серебра, однако, тогда оттенок у этих окон будет болотного цвета. Конечно, в сравнении с непрозрачными кремниевыми батареями их КПД все же меньше, но количество мест использования значительно возрастает.
Когда можно будет применить
В отличие от медицинских изобретений, где требуется определенное время для тестирования, которое может занимать несколько лет, и небольших роботов, чье предназначение в большинстве своем чисто экспериментальное, у солнечных батарей выше шансы выйти на рынок в ближайшее время.
Вполне возможно, энергии, выработанной этими батареями, хватит, чтобы обеспечить офисы
Сама по себе идея встраивания таких окон в офисы позволит решить одну из главных проблем солнечных батарей. Если традиционно считается, что электроэнергия нужна нам преимущественно в ночное время, в которое они не работают, то здесь их можно применять в бизнес-центрах. За счет того, что электричество им нужно в дневное время суток, создание комбинированной технологии, компенсирующей часть питания от солнца, может оказаться очень выгодным решением.
Новое поколение солнечных батарей
В последние пять лет в мире произошло резкое падение стоимости солнечной энергии. Эксперты говорят, что в настоящее время она уже стала реальной альтернативой традиционной энергии, добываемой электростанциями.
В Австралии солнечные батареи установлены на миллионах крыш. Ими вырабатывается примерно 7% электроэнергии страны. Эксперты прогнозируют, что затраты на солнечную энергию будут падать, и в итоге она станет основным источником электричества не только в Австралии, но и в других, менее солнечных странах мира.
В последнее время солнечными батареями горячо интересуются дизайнеры, и батареи становятся украшением зданий. Мы расскажем вам про новые дизайнерские идеи интеграции солнечных панелей в современные дома.
Крыша из стеклянной плитки
Эту уникальную систему отопления разработала шведская компания. Плитка изготавливается из обычного стекла и весит не больше обычной черепицы. Она устанавливается на верхней части черной ткани, которая поглощает солнечное тепло. Под тканью расположены вентиляционные отверстия, которые позволяют плитке нагреть чистый воздух. В дальнейшем теплый воздух используется для нагрева воды в отопительной системе дома.
Солнечная черепица
Эти солнечные батареи работают так же, как обычные, но, интегрированы в черепицу. Их разработчики выиграли главную дизайнерскую австралийскую премию за то, что «поменяли правила игры с альтернативной электроэнергией»: обычно солнечные панели выглядят на крыше, как бельмо на глазу.
Солнечные окна
С точки зрения эффективного использования энергии окна считаются слабым местом. Но что, если вместо окон установить солнечные панели? Уже разработано стекло, которое является прозрачной панелью солнечной батареи. Видимый солнечный свет проходит через такие окна, а прямые солнечные лучи накапливаются в фотоэлектрических элементах. Эта технология уже используется, например, в этой башне в Чикаго.
Цветное стекло
Недавно придумали способ печати из цветного стекла, которое может генерировать солнечное электричество. На обычное стекло «напечатывается» слой прозрачных твердотельных солнечных батарей толщиной не более трех микрон. Полученная энергия может использоваться для нужд здания или экспортироваться в национальную энергетическую сеть. Эта технология пока недоступна для использования – ожидается, что полноразмерные панели появятся в продаже в 2016 году. И хотя они будут использоваться, в основном, для новых зданий, компания-производитель говорит о своем интересе к модернизации фасадов на существующих зданиях.
Солнечные покрытия
Ученые британских университетов утверждают, что они преуспели в создании солнечных батарей, которые можно распылять на поверхность зданий. Кроме того, разработано прозрачное покрытие, которое можно наносить на окна. В его состав входят микроскопические солнечные элементы размером менее четверти зернышка риса каждое.
Прозрачные солнечные панели — технология будущего
Экология потребления. Наука и техника: Прозрачные солнечные панели, которые могут быть использованы в качестве окон, представляют собой огромный источник неиспользованной энергии и могут давать больше энергии, чем солнечные батареи на крыше.
Прозрачные солнечные панели, которые могут быть использованы в качестве окон, представляют собой огромный источник неиспользованной энергии и могут давать больше энергии, чем солнечные батареи на крыше.
Авторы исследования утверждают, что широкое использование таких высокопрозрачных солнечных панелей вместе с крышными солнечными станциями может удовлетворить спрос на электроэнергию в США и резко сократить использование ископаемых видов топлива.
«Высокопрозрачные солнечные элементы представляют собой новую волну в солнечной энергетике», — сказал Ричард Лунт, научный сотрудник Мичиганского государственного университета (MSU). «Мы проанализировали их потенциал и продемонстрировали, что благодаря сбору только невидимого спектра света эти устройства могут обеспечить такой же потенциал производства электроэнергии, как солнечные крышные станции, повышая эффективность зданий, автомобилей и мобильной электроники».
Лунт и его коллеги из MSU впервые разработали прозрачный люминесцентный солнечный концентратор, который при размещении на окне генерирует энергию, не нарушая прозрачность стекол. Тонкий пластиковый материал можно применять на зданиях, автомобильных стеклах, сотовых телефонах или других устройствах с прозрачной поверхностью.
В такой системе используются органические молекулы, разработанные Лунтом и его командой для поглощения невидимых длин волн солнечного света. Исследователи могут «настроить» эти материалы, чтобы собирать только ультрафиолетовые и инфракрасные волны, которые затем преобразуют эту энергию в электричество.
Изменение глобального энергопотребления и уход от ископаемых видов топлива потребует именно таких инновационных и экономически эффективных технологий использования возобновляемых источников энергии. Только около 1,5% электроэнергии в Соединенных Штатах и во всем мире производится солнечной энергией.
Но с другой точки зрения в Соединенных Штатах имеется огромный потенциал производства электроэнергии по такой технологии — от 5 до 7 миллиардов квадратных метров стеклянных поверхностей. И с таким большим количеством стекла, прозрачные солнечные технологии могут поставлять около 40 % электроэнергии для США — примерно такой же потенциал имеют и солнечные установки на крышах. «Активное внедрение обеих технологий может покрыть 100% потребностей в электроэнергии, но с условием улучшения технологий хранения энергии», — сказал Лунт.
Высокопрозрачные солнечные панели имеют эффективность около 5 %, в то время как КПД традиционных солнечных панелей обычно составляет от 15 до 18 %. Хотя прозрачные солнечные технологии никогда не будут более эффективными, чем их непрозрачные аналоги, но они имеют огромный потенциал для применения на всех доступных стеклянных поверхностях.
Современные прозрачные солнечные технологии развиты лишь на треть от их реального потенциала, добавил Лунт.
«Это то, к чему мы стремимся», — сказал он. «Традиционные солнечные панели активно исследуются на протяжении более чем пяти десятилетий, а мы работаем над этими прозрачными солнечными батареями только в течение примерно пяти лет. Эта технология предлагает недорогой, и широко применимый способ преобразовывать солнечную энергию на малых и больших ранее недоступных поверхностях».
Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:
