Tutkitaan läpinäkyvää aurinkokaaria arkkitehtisovelluksiin

Johdanto: Aurinkoenergian seuraava raja

Uusiutuvan energian maailmanlaajuinen työntö on katalysoinut innovaatioita, jotka ulottuvat kauas perinteisen kattopaneelin ulkopuolelle. Yksi lupaavimmista kehityssuunnista on läpinäkyvä aurinkopaneeli.Aurinkosähköteknologia, joka voi korjata auringonvaloa, kun se jää läpi. Toisin kuin perinteiset läpinäkymättömät paneelit, nämä laitteet voidaan integroida suoraan rakennuskuoriin, kääntämällä ikkunoita, julkisivuja ja kattoikkunoita voimantuotantoon, uhraamatta luonnonvaloa tai arkkitehtonista estetiikkaa. Tässä artikkelissa tutkitaan tiedettä, joka on avointen aurinkopaneelien takana, niiden etuja ja rajoituksia, todellisia maailman sovelluksia ja mitä tulevaisuus tuo mukanaan tähän muuntavaan teknologiaan.

Miten läpinäkyvät aurinkokaaret toimivat

Läpinäkyvät aurinkokennot perustuvat tyypillisesti -orgaanisiin aurinkosähköihin (OPV)[], []-perovskit aurinkokennoihin[] tai []luminesenssiin aurinkokennoihin (LSC)[]]. LSC-laitteissa läpinäkyvät materiaalit absorboivat tietyn ultraviolettivalon (UV) tai infrapuna-aallonpituuksilla ja ottavat ne uudelleen näkyväksi valoksi, jota ohjataan ohuiden aurinkokennojen reunoille. Muut mallit käyttävät läpinäkyviä johtavia oksideja ja selektiivisiä vaimentavia väriaineita säilyttääkseen suuren näkyvän läpinäkyvyyden samalla kun ne muuntavat ei-näkyvän valon sähköksi.

Viimeaikaiset läpimurrot esimerkiksi kansallisessa uusiutuvan energian laboratoriossa ja Massachusetts Institute of Technology (MIT)[ ovat nostaneet läpinäkyvän paneelin tehokkuusedut 5-10 prosentin alueelle, joka on kuitenkin pienempi kuin tavanomaiset paneelit (15-22%), riittää moniin rakennusteknisiin sovelluksiin, kun niitä käytetään mittakaavassa.

Tärkeimmät edut perinteisten aurinkopaneelien yli

Esteettinen integraatio ilman kompromissia

Perinteiset aurinkopaneelit ovat usein suuria ja visuaalisesti tunkeilevia. Läpinäkyvät rakenteet voidaan upottaa lasiin, verhoihin ja jopa sisätiloihin, jolloin arkkitehdit voivat säilyttää tyylikkäät ja modernit mallit. Tämä integraatio voi lisätä kiinteistöarvoa ja poistaa erillisten asennusrakenteiden tarpeen.

Pinta-alan kaksikäyttö

Rakennukset ovat jo lasin peitossa. Muuntamalla olemassa olevat ikkuna- ja julkisivualueet voimalähteiksi, läpinäkyvät aurinkorakenteet maksimoivat energiankorjuun ilman lisämaa- tai kattotilaa.Kriittinen etu tiheässä kaupunkiympäristössä.

Päivänvalo ja lasinhallinta

Monia läpinäkyviä aurinkomateriaaleja voidaan virittää suodattamaan haitallista UV- ja infrapunasäteilyä samalla kun saadaan aikaan mukava näkyvä valo. Tämä vähentää jäähdytyskuormia ja sisäilman häikäisyä ja luo mukavampia ja energiatehokkaampia sisätiloja.

Skaalattavuus verkko-Zero-rakennuksille

Kun rakennukseen yhdistetään läpinäkymättömät kattopaneelit, läpinäkyvät rakenteet auttavat siirtämään rakennuksia lähemmäs nettoenergiankulutusta. Jotkut kaupalliset laitokset ovat jo osoittaneet, että integroitu läpinäkyvä aurinkovoima voi toimittaa 20-30 prosenttia rakennuksen sähköntarpeesta.

Ensisijainen arkkitehtisovellus

Rakennus julkisivut ja verhoseinät

Toimistotornit, kauppakeskukset ja lähirakennukset, joissa on laaja lasin ulkopinta, ovat ihanteellisia ehdokkaita. Läpinäkyvät aurinkopaneelit korvaavat standardilasipaneelit, jotka muuttavat koko rakennuksen kuoren generaattoriksi. Amsterdamissa sijaitseva [ ja Seattlessa sijaitseva Bullittt Center[ ovat varhaisia esimerkkejä energia-myönteisistä rakennuksista, joissa on kehittynyttä lasitekniikkaa.

Valot ja valot

Suuria ylälasit.Yhteinen lentokentillä, museoissa ja ostoskeskuksissa voidaan varustaa läpinäkyvillä aurinkorakenteilla, joilla voidaan kompensoida valaistus ja LVI-energian käyttö. Koska nämä alueet saavat suoraa aurinkoa useita tunteja, ne tarjoavat runsaasti energiantuottopotentiaalia.

Maatalouskasvihuoneet

Läpinäkyvät paneelit voidaan virittää päästää läpi tiettyjä aallonpituuksia, että kasvit tarvitsevat fotosynteesin samalla muuntamalla loput sähköksi. Tämä mahdollistaa [] agrovoltaic kasvihuoneet[], jotka tuottavat samanaikaisesti kasveja ja uusiutuvaa energiaa, mikä vähentää toimintakustannuksia viljelijöille.

Kaupunkiinfrastruktuuri

Bussisuojat, katukalusteet, julkiset taide- ja digitaalikyltit voivat olla integroituja ja läpinäkyvä aurinko. Pienimuotoisia tiloja on jo olemassa Tokiossa, Lontoossa ja San Franciscossa.

Auto- ja kannettavat elektroniikkalaitteet

Arkkitehtuurin lisäksi tutkitaan läpinäkyvää aurinkolämpöä auton kattokattojen, älypuhelinten takapaneelien ja puettavien laitteiden osalta. Vaikka nämä sovellukset ovat edelleen suurelta osin tutkimusvaiheessa.

Laajakaistaisen hyväksymisen rajoittaminen

Tehokkuus ja avoimuus

Useimmat läpinäkyvät aurinkokennot saavuttavat [3-10% hyötysuhteen[] 50-70% näkyvällä valonsiirrolla. Suurempi läpinäkyvyys voi pudota hyötysuhteen alle 5%, mikä ei välttämättä oikeuta asennuskustannuksia. Tutkijat kokeilevat tandem-kennoja ja kehittyneitä valo-jännitys nanorakenteita helpottaakseen tätä vaihtosuhdetta.

Valmistuskustannukset ja -skaalattavuus

Avoin aurinkopaneeli on erityisesti indiumtinaoksidia (ITO) tai harvinaista maadolla olevaa doptaasia käyttävien tuotteiden tuotanto on kallista. Orgaanisen aurinkosähkön ja ratkaisujalosteiden roll-roll-tulostus on lupaava keino kustannusten alentamiseksi, mutta volyymin tuotanto on edelleen vähäistä.

Kestävyys ja pitkäikäisyys

Orgaaniset ja perovskit materiaalit hajoavat nopeammin UV-altistuksessa ja lämpösyklissä kuin perinteinen pii. Kapselointia ja suojapinnoitteita kehitetään pidentämään elinikää 20 vuotta, mutta pitkän aikavälin kenttätiedot ovat niukat.

Sääntely ja koodit

Rakennuskoodit vaativat usein erityisiä paloluokitusta, iskunkestävyys- ja lämpötehoa fenestaatiotuotteille. Läpinäkyvien aurinkopaneelien on täytettävä nämä samat standardit, mikä lisää kehitysaikaa ja sertifiointikustannuksia.

Reaalimaailman laitokset ja tapaustutkimukset

Swiss Tech Convention Center, Lausanne

Valonlähdeten varhaisnäyttely: rakennuksen julkisivuun asennettiin värillisiä, puoliavoimia paneeleja, jotka tuottavat riittävästi sähköä aulan valaistuksen viritykseen. Hanke osoitti, että esteettinen vetovoima ja energiantuotanto eivät ole toisiaan poissulkevia.

Coors Event Center, Colorado University

Jälkiasennushanke korvasi perinteisen lasin läpinäkyvällä aurinkolasilla pääsisäänkäynnin käytävässä. Järjestelmä tarjoaa osittaisen varjostuksen samalla kun se tuottaa 12 MWh vuodessa.

Energia-alan yleiseurooppalainen pilottituotanto

MIT:n spin-off-mallisto, Ubiquitous Energy on kaupallistanut läpinäkyvän aurinkopinnoitteen, jota voidaan soveltaa vakiolasiin. Kalifornian pilottilinja tuottaa UE PowerTM -ikkunoita kaupallisiin rakennusprojekteihin, joiden tavoitteena on 50% ja tehokkuus lähes 10%.

Ympäristövaikutukset ja kestävä kehitys

Läpinäkyvät aurinkopaneelit voivat merkittävästi pienentää rakennuksen operatiivista hiilijalanjälkeä. [Joule[] -julkaisussa julkaistussa tutkimuksessa arvioitiin, että jos 10 prosenttia uusista kaupallisista lasilaseista Yhdysvalloissa käyttää avointa aurinkolämpöä, se voisi kompensoida yli 40 miljoonaa tonnia hiilidioksidia vuodessa. Lisäksi koska nämä järjestelmät korvaavat perinteisen lasin (jo nyt korkealla orgaanisella aineella) aurinkosähkö pinnoitteen ympäristökustannukset ovat suhteellisen alhaiset.

Biologisen kierrätyksen loppuminen on kuitenkin edelleen ongelma. Monet läpinäkyvät aurinkolämpölaitteet sisältävät orgaanisia tai perovskiittiyhdisteitä, joita ei vielä kierrätetä laajalti. Teollisuusyhteenliittymät, kuten Aurinkoenergiateollisuusyhdistys , pyrkivät luomaan standardeja harvinaisten materiaalien uudelleensaamiseksi.

Taloudellisen elinkelpoisuuden ja investointien tuoton arviointi

Aurinkoikkunat ovat nykyään saatavilla 200 $500 neliömetriltä, noin 2...4 kertaa matalan lasin standardihinnasta. Sähkösäästöt ja verkkosyötteistä saatavat mahdolliset tulot voivat kuitenkin tuottaa 8.15 vuoden takaisinmaksuajan, joka on kattoaurinkoa pidempi mutta houkutteleva suuripintaisille rakennuksille ja sähkön korkea hinta. Yhdysvaltain energiaministeriön kaltaisten aloitteiden tuotantovaakajen rakentaminen-integroitu valosähköinen (BIPV) ohjelma[[] kustannusten odotetaan laskevan 40.0660% vuosikymmenen kuluessa.

Metric	Conventional PV Panels	Transparent Solar Arrays
Efficiency	15–22%	5–10%
Transparency	0%	30–70%
Installed Cost per m²	$150–$250	$200–$500
Payback Period	5–10 years	8–15 years
Best‑fit Building Type	Rooftops	New construction with glazing

Tulevaisuuden näkymät ja kehittyvät teknologiat

Perovskite-perustetut läpinäkyvät solut

Perovskite aurinkokennot ovat nähneet tehokkuusetuja 3%:sta yli 25%:iin vain vuosikymmenessä. Tutkijat ovat nyt kehittämässä [ täysin läpinäkyviä perovskite-elokuvia[], jotka voivat saavuttaa 12% tehokkuuden ja mahdollistaa 45% näkyvän valonsiirron. Jos vakausongelmat ratkaistaan, niistä voi tulla hallitseva läpinäkyvä aurinkoteknologia vuoteen 2030 mennessä.

Kvanttipiste Solar Windows

Kvanttipisteet.Namemetrikokoisia puolijohdehiukkasia voidaan virittää imemään tiettyjä aaltoja ja samalla pysyä avoimena. Varhaiset prototyypit [Los Alamos National Laboratory[] ovat saavuttaneet 40% läpinäkyvyyden tehostamalla yli 7%. Pisteet voidaan suihkuttaa olemassa olevaan lasiin, mikä saattaa mahdollistaa jälkiasennukset edulliseen hintaan.

Läpinäkyvät Tandem-laitteet

Pinoamalla kaksi eri valoa vaimentavaa kerrosta.Yksi läpinäkyvä näkyvälle valolle, mutta absorboiva UV/IR, toinen absorboiva näkyvä ...voi nostaa tehokkuustehokkuutta 15%:iin ja säilyttää osittaisen läpinäkyvyyden. Tämä lähestymistapa on edelleen laboratoriossa, mutta se on lupaava seuraavan sukupolven rakennusnahkoille.

Älykkäät Windows integroidulla tallennusjärjestelmällä

Läpinäkyvän aurinkokromaattisen lasin (lasi, joka muuttaa sävyä tarpeen mukaan) yhdistäminen voisi luoda ...älyisiä ikkunoita.Näytä ja , jotka jo integroivat nämä ominaisuudet, vaikka läpinäkyvä aurinko on edelleen lisätoiminto eikä ydintoiminto.

Päätelmät

Läpinäkyvät aurinkopaneelit eivät ole kaukainen fantasia.Ne ovat jo powering aulat, kattoikkunat ja bussisuojat ympäri maailmaa. Vaikka nykyinen tehokkuus ja kustannushaasteet rajoittavat niiden välitöntä korvaamista perinteisiä paneeleja, teknologia etenee nopeasti. Rakennuskoodit kiristävät ja netto-nolla energia mandaatit yleistyvät, arkkitehteillä ja kehittäjillä on voimakas uusi työkalu muuttaa passiiviset lasipinnat aktiivisiksi energiavaroiksi. Jatkuvalla investoinnilla materiaalitieteeseen, valmistusasteikolla ylöspäin ja kierrätysinfrastruktuurilla läpinäkyvästä auringosta voisi tulla kaupunkiarkkitehtuurin vakioominaisuus, joka auttaa kaupunkeja saavuttamaan ilmastotavoitteet vaarantamatta suunnitteluvisiota.