علوم مدیریت نور در ویندوز خورشیدی

پنجره های خورشیدی نشان دهنده یک پیشرفت در فتوولتائیک های مقیاس ساختمان (BIPV)، قادر به تولید سطوح شیشه ای معمولی برای تولید برق در حالی که حفظ نور طبیعی است.چالش در کنترل طیف خورشیدی است: نور قابل مشاهده (400-700 نانومتر) باید از طریق نور عبور کند، در حالی که نزدیک مادون قرمز (NIR) و فرابنفش (UV) طول موج هایی که به نور و سوزاندن انرژی کمک می کنند، باید به طور موثر در کنترل نور، کنترل شوند، و یا کنترل نور، به دست آورند، به طور موثر در باند های نور، به دست آورند.

Key Cover Technologies

پوشش های ضدپناه

پوشش های ضد انعکاس (AR) بازتاب سطح را کاهش می دهد، اجازه می دهد نور بیشتری برای ورود به پنجره، برای پنجره های خورشیدی، این بدان معنی است که انتقال قابل مشاهده و افزایش شار فوتون به لایه فتوولتائیک استاندارد AR استفاده از لایه های مداخله فصلی از مواد مانند نیتید سیلیکون یا فلوراید منیزیم، پیشرفت های اخیر استفاده از الگوهای نانو ساختار چشم-ساختاری است که ارائه پهنای باند پهن باند را به طور مستقیم با افزایش می دهد.

پوشش های انتخابی | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |

پوشش های انتخابی اسپلی برای انتقال نور قابل مشاهده در حالی که منعکس کننده یا جذب تابش مادون قرمز و ماوراء بنفش است، طراحی شده است، این با استفاده از چندین پشته نازک فیلم که به عنوان فیلترهای نوری عمل می کنند، به عنوان مثال، پشته های دی الکتریک- فلزی-دی الکتریک (DMD) با استفاده از نقره یا لایه های مس بین اکسیدهای مانند در قلع (ITO) یا اکسید زینک می توانند به فضاهای انتقال الکتریکی قابل مشاهده برسند، در حالی که منعکس کننده ی 80٪ از پنجره های مرکزی هستند.

پوشش های کم ارتفاع (Low-E)

پوشش های کم E در حال حاضر در پنجره های انرژی کارآمد برای عایق حرارتی رایج هستند.در پنجره های خورشیدی، آنها نقش دوگانه ای را ایفا می کنند: کاهش انتقال گرمای تابشی بین داخلی و خارجی و مدیریت ضریب حرارت خورشیدی (SHGC) لایه های کم-E نرم، به طور معمول نقره ای، از طریق تبخیر و می تواند تنظیم شود تا منعکس کننده موج مادون قرمز طولانی باشد در حالی که اجازه می دهد تا از انتقال نور قابل مشاهده شده در زمستان جلوگیری شود.

پوشش Photovoltaic

پوشش های Photovoltaic (PV) نور خورشید را به طور مستقیم به برق بر روی سطح پنجره تبدیل می کنند.این پوشش ها به طور معمول بر اساس فن آوری های نازک فیلم مانند سیلیکون بی شکل، cadmium Telluride، یا مس در انتقال سنگ آهک (CIGS) راه حل های نوظهور شامل فتوولتائیک آلی (OPV)، سلول های خورشیدی حساس (DS)، و پوشش نازک تر از طریق تمیز کردن ضخامت نور مادون قرمز، به طور خاص، ارائه می دهند.

نوآوری های اخیر در توسعه پوشش

طراحی چند لایه نانوساختار

فناوری نانو باعث ایجاد پوشش های چند لایه با ضخامت های کنترل شده دقیق (10 تا 200 نانومتر) شده است که نور را از طریق مداخله سازنده و مخرب دستکاری می کند.استفاده از رسوب لایه های لایه اتمی (ALD) یا مغناطیس متخلخل، محققان می توانند به ده ها لایه از لایه های مختلف برای دستیابی به پاسخ های طیف پیچیده، پوششی متشکل از Ti متناوبO2 و لایه های Siref2 را ایجاد کنند که می تواند یک پوشش حرارتی قابل مشاهده مانند BIR را ایجاد کند.

پوشش های خود-پاکسازی

گرد و غبار، خاک و رشد بیولوژیکی عملکرد پنجره های خورشیدی را در طول زمان کاهش می دهد. پوشش های خود تمیز کردن این را با استفاده از فتوکاتالیز یا ابر هیدروفیزیکی دی اکسید تیتانیوم (TiO2) پوشش های طولانی مدت، شکستن خاک ارگانیک تحت نور UV و باعث آب برای گسترش، حتی شستشو، پوشش های سوپر هیدروفوبیک بر اساس پوشش های طولانی مدت که به حداقل رساندن سوخت های ضدعفونی کننده آب و یا سوخت های مقاوم کمک می کند، کاهش می یابد.

پوشش های Thermochromic و Electrochromic

پوشش های سازگار که به دما یا محرک های الکتریکی واکنش نشان می دهند، یک منطقه فعال از تحقیقات است. پوشش های Thermochromic، مانند پوشش های مبتنی بر دی اکسید وانیوم (VO2)، سوئیچ از شفاف به مبهم یا منعکس کننده زمانی که یک دمای آستانه به دست می آید، مسدود کردن NIR در طول دوره های گرم در حالی که اجازه می دهد پوشش های قابل مشاهده. Electrochromic، با استفاده از مواد مانند تنگستن، می تواند با استفاده از انرژی خورشیدی ساده سازی شود و یا استفاده از این ولتاژ کوچک را با استفاده از نور کم کند.

چالش های توسعه پوشش

تعادل کارایی و شفافیت

یک تجارت اساسی بین بهره وری فتوولتائیک و شفافیت قابل مشاهده وجود دارد.برای تولید برق، پوشش PV باید فوتون ها را جذب کند، که به طور ذاتی انتقال را کاهش می دهد. دستیابی به تعادل مطلوب - به طور معمول با انتقال قابل مشاهده بین 20 تا 50٪ و بهره وری معقول - نیاز به مهندسی دقیق ضخامت جذب کننده، باند، و تله نور.

قابلیت دور بودن و مقاومت در برابر آب و هوا

پنجره های خورشیدی باید سال ها در معرض اشعه UV، دوچرخه سواری دمایی، رطوبت و استرس مکانیکی مقاومت کنند. پوشش های نازک فیلم مستعد به توهم، اکسیداسیون و رطوبت در معرض تابش UV هستند، محققان در حال بررسی استراتژی های انقباض، لایه های مانع و مهر و موم های اوماتیک برای گسترش عمر هستند، مانند IEC 61646، کمک به ارزیابی قابلیت اطمینان، اما داده های واقعی هنوز محدود است.

بیهوشی و پذیرش بازار

برای ادغام معماری، پوشش ها باید به صورت بصری یکنواخت، خنثی رنگ (یا به لحاظ زیبایی شناسی خوشایند)، و آزاد از خط یا بی رحمی باشند. پشته های چند لایه می توانند رنگ های مداخله ای تولید کنند که ممکن است نامطلوب باشد. ضخامت لایه های خیره کننده برای دستیابی به یک تن خنثی یا رنگ خاص پالت در حال انجام است.

هزینه های تولید و مقیاس پذیری

پوشش های با عملکرد بالا اغلب به تکنیک های رسوب خلاء (تعامل، تبخیر، ALD) که گران و محدود در پردازش از طریقput. Roll-to-roll، رسوب حمام شیمیایی و چاپ جوهر برای کاهش هزینه های توسعه یافته است، به عنوان مثال، پوشش اسلات ×ی لایه های PV Perovskite در بستر شیشه ای با سرعت سازگار با تولید شیشه ای سازگار است.

مسیر های آینده

پوشش های چند منظوره

هدف نهایی ادغام تمام توابع مورد نیاز - مدیریت نور، تولید انرژی، کنترل حرارتی، تمیز کردن خود و زیبایی شناسی - در یک پشته پوشش منفرد است. تحقیقات در حال حرکت به سمت طرح های "همه جانبه در یک" است که ترکیب یک فیلتر انتخابی طیفی، یک سلول نیمه هیدروسکیته، یک لایه ضد بازتاب، و یک نمونه اولیه تمیز کردن خود است که می تواند اتصال سریع و ساده سازی تعداد دقیق را بهبود بخشد.

ادغام با سیستم های انرژی ساختمان

پنجره های خورشیدی آینده احتمالا بخشی از سیستم های مدیریت انرژی ساختمان هوشمند خواهند بود. سنسورهای جاسازی شده و میکروکنترلرها می توانند پوشش های الکتروکرومیک را بر اساس نور محیط، اشغال و تقاضای شبکه تنظیم کنند. برق تولید شده می تواند به طور مستقیم برق را تغییر الکتروکرومیکلیک کند، همچنین پنجره های خود تنظیم کننده را ایجاد کند.

مواد و مفاهیم نوظهور

پوشش های نسل بعدی ممکن است از نقاط کوانتومی، نانوذرات پینمونیک و کریستال های فوتونیک برای دستکاری نور در مقیاس های زیر موج استفاده کنند، به عنوان مثال، جاسازی نانوردهای نقره در یک ماتریس دی الکتریک می تواند جذب کننده های حساس به قطب قطبی برای NIR ایجاد کند در حالی که حفظ شفافیت قابل مشاهده است. لایه های دو و دو بعدی مانند MoS2 برای بهینه سازی زمان بدون فتوولتائیک برای کاهش استفاده از طراحی های چند ماه استفاده می شود.

نتیجه گیری

پوشش های پیشرفته سنگ کلیدی برای ساخت پنجره های خورشیدی یک جزء عملی و جذاب از ساختمان های پایدار است.با دقت مدیریت طیف خورشیدی، این پوشش ها تولید انرژی، راحتی حرارتی و نور طبیعی را در یک محصول واحد مقیاس پذیر (۱) تولید انرژی را به عنوان توسعه دهنده محدودیت های انرژی، هزینه و زیبایی شناسی باقی می ماند، پیشرفت سریع در فناوری نانو، مواد سازگار، مواد سازگار و فرآیندهای تولید به آینده که در آن محققان انرژی دوگانه (Fachrlaing به عنوان توسعه یافته است.

For further reading, see reviews on semi-transparent perovskite photovoltaics and nanophotonic coatings for smart windows.[در این باره]