Știința de gestionare a luminii în Ferestre solare

Ferestrele solare reprezintă o descoperire în industria fotovoltaică integrată în construcții (BIVV), care permite suprafețelor din sticlă obișnuite să genereze electricitate în timp ce păstrează lumina naturală. Provocarea constă în controlul spectrului solar: lumina vizibilă (400 2016/13700 nm) trebuie să treacă prin iluminare, în timp ce lungimile de undă aproape infraroșu (NIR) și ultraviolet (UV) care contribuie puțin la lumina zilei, dar cauzează încălzirea și degradarea materialelor ar trebui gestionate. Gestionarea eficientă a luminii se realizează prin acoperiri optice specializate care transmit, reflectă sau absorb benzi specifice de lungimi de undă. Aceste acoperiri sunt proiectate la scară nano pentru a manipula fotonii, echilibrând eficiența conversiei energiei cu confortul ocupant și performanța energetică a clădirilor.

Tehnologiile de acoperire cheie

Coatinguri antireflective

Acoperirile antireflectorizante (AR) reduc reflexiile suprafetei, permitand mai multa lumina sa intre in fereastra. Pentru ferestrele solare, aceasta inseamna o transmisie vizibila mai mare si un flux crescut de fotoni care sa ajunga la stratul fotovoltaic. Acoperirile standard AR folosesc straturi de interferenta cu unda sfert de material, cum ar fi nitrida de siliciu sau fluorura de magneziu. Progresele recente folosesc modele nanostructurate de ochi-materie care ofera antireflexie in banda larga in intreg spectrul vizibil. Aceste acoperiri pot stimula transmisia luminii cu 38% comparativ cu sticla de pana la lumina soarelui, imbunatatind direct atat performanta celulei solare cat si cea a luminii.

Coperți selective spectrally

Acoperirile selective spectrally sunt concepute pentru a transmite lumina vizibilă în timp ce reflectă sau absoarbe radiațiile infraroșu și ultraviolete. Acest lucru se realizează folosind mai multe stive cu role subțiri care acționează ca filtre optice. De exemplu, stive dielectric-metal-dielectrice (DMD) folosind straturi de argint sau cupru sandwich-uri între oxizi transparente, cum ar fi oxidul de staniu (ITO) sau oxidul de zinc pot realiza o transmisie vizibilă > 70% în timp ce reflectă până la 90% din NIR. Astfel de acoperire sunt centrale pentru a crea ferestre solare

Copane cu densitate scăzută (Low-E)

Acoperirile cu emisii scăzute de CO sunt deja comune în ferestrele eficiente din punct de vedere energetic pentru izolarea termică. În ferestrele solare, ele servesc unui rol dublu: reducerea transferului de căldură radiativă între interior și exterior și gestionarea coeficientului de câștig al căldurii solare (SHGC). Straturile de strat moale cu conținut redus de E, de obicei pe bază de argint, sunt depuse prin pulverizare și pot fi reglate pentru a reflecta infraroșu cu unde lungi, permițând în același timp transmiterea luminii vizibile. Atunci când sunt combinate cu straturi fotovoltaice, aceste acoperiri împiedică scurgerea de căldură în timpul iernii și blochează căldura solară excesivă în timpul verii, îmbunătățind echilibrul global al energiei între ferestre.

Copane fotovoltaice

Acoperirile cu fotovoltaic (PV) convertesc lumina solară direct în electricitate pe suprafața ferestrei. Aceste acoperiri se bazează în mod obișnuit pe tehnologii cu filme subțiri, cum ar fi siliciu amorf, telurură de cadmiu sau galiu de cupru selenid de galiu (CIGS). Soluțiile emergente includ fotovoltaice organice (OPV), celule solare sensibilizate cu colorant (DSSC) și folii subțiri perovskite. Acoperirile perovskite, în special, au atins o eficiență de conversie a energiei mai mare de 20%, menținând în același timp transparența parțială prin controlul grosimii și inginerie a compoziției. Acoperirile cuantice cu punct de acoperire oferă benzi cu ton, permițând absorbția selectivă a NIR în timp ce transmit lumină vizibilă, o abordare promițătoare pentru geamurile solare semi-transparente.

Inovații recente în dezvoltarea de acoperire

Proiectări multistrate nanostructurate

Nanotehnologia a permis crearea de acoperiri multistrat cu grosimi controlate precis (10

Coperte auto-curățare

Praful, murdăria şi creşterea biologică reduc performanţa ferestrelor solare în timp. Auto-curăţarea acoperirilor abordează acest lucru prin utilizarea fotocatalizatiei sau superhidrofilicităţii. Dioxidul de titan (TiO2) acoperă, de exemplu, descompunerea murdăriei organice sub lumina UV şi determină răspândirea uniformă a apei, spălarea resturilor. Acoperiri superhidrofobe bazate pe polimeri fluoruraţi sau pe siliciu nanostructurat, pentru a reduce aderenţa la murdărie. Aceste acoperiri reduc costurile de întreţinere şi ajută la menţinerea unei transmisii luminoase coerente şi a producţiei fotovoltaice, care este esenţială pentru fiabilitatea sistemului pe termen lung.

Acoperiri termocromice și electrocromice

Acoperirile adaptive care răspund la temperatură sau stimulii electrici sunt o zonă activă de cercetare. Acoperirile termocromice, cum ar fi cele bazate pe dioxid de vanadiu (VO2), comuta de la transparent la opac sau reflectorizant atunci când se atinge o temperatură limită, blocarea NIR în perioadele fierbinți, permițându-se totodată lumina vizibilă. Acoperirile electrocromice, folosind materiale precum oxidul de tungsten, pot fi întunecate sau iluminate la cerere prin aplicarea unei mici tensiuni. Integrarea acestora cu straturi fotovoltaice creează ferestre solare inteligente care pot optimiza dinamic gestionarea luminii, îmbunătățind atât generarea de energie, cât și confortul interior.

Provocări în dezvoltarea coeziunii

Eficienţa şi transparenţa în materie de echilibrare

Pentru a genera electricitate, acoperirea fotovoltaică trebuie să absoarbă fotoni, care în mod inerent reduce transmiterea. Realizarea unui echilibru optim [de obicei cu o transmisie vizibilă între 20% și 50% și o eficiență rezonabilă [62] este o inginerie atentă a grosimii absorbantului, a benzii și a captării ușoare. Proiectele semi-transparente de puncte de perovskit și cuantice arată că promit, dar scalarea acestora către ferestre de mare suprafață rămâne o provocare.

Durabilitate şi rezistenţă la vreme

Ferestrele solare trebuie să reziste la ani de expunere la radiații UV, temperatură ciclism, umiditate și stres mecanic. Acoperirile cu folie subțire sunt susceptibile la delaminare, oxidare și pătrundere în umiditate. Cercetătorii explorează strategii de încapsulare, straturi de barieră și etanșare hermetică pentru a prelungi durata de viață. Standardele accelerate de testare, cum ar fi IEC 61646, ajută la evaluarea fiabilității, dar datele de performanță din lumea reală sunt încă limitate pentru multe tehnologii emergente de acoperire.

Estetica şi acceptarea pieţei

Pentru integrarea arhitecturala, acoperirile trebuie sa fie uniforme vizual, neutre din punct de vedere color (sau estetic) si fara streaming sau iridescenta. Stivele multi-strat pot produce culori interferente care pot fi nedorite. Tuning grosimile stratului pentru a atinge un ton neutru sau o paleta de culoare specifica este o provocare in curs de desfasurare. Proprietarii si arhitectii de constructii prioritizeaza adesea estetica peste performanta energetica, astfel incat acoperirile care ofera ambele sunt esentiale pentru adoptarea pietei.

Costul de producție și scalabilitatea

Acoperirile de înaltă performanță se bazează adesea pe tehnici de depunere în vid (spulberare, evaporare, ALD) care sunt scumpe și limitate în cadrul de trecere. Procesarea prin role, depunerea chimică a băii și imprimarea cu jet de cerneală sunt dezvoltate pentru a reduce costurile. De exemplu, acoperirea cu slot-die a straturilor fotovoltaice perovskite a fost demonstrată pe substraturi din sticlă la viteze compatibile cu producția de sticlă flotată. Realizarea unei calități consecvente pe suprafeţe mari (de exemplu, 1,5 m × 2 m ferestre) fără găuri de pin sau variații de grosime este esențială pentru viabilitatea comercială.

Direcţii viitoare

Copane multifuncționale

Scopul final este de a integra toate funcțiile necesare de management al luminii, generarea de energie, controlul termic, auto-curățare, și estetică într-un singur stivă de acoperire. Cercetarea se deplasează spre

Integrarea cu sistemele energetice de construcţii

Ferestrele solare viitoare vor face probabil parte din sistemele de management al energiei din clădiri inteligente. Senzorii și microcontrolerii integrați ar putea ajusta acoperirile electrocrome bazate pe lumina ambientală, ocuparea și cererea de rețea. Electricitatea generată ar putea alimenta direct comutația electrocromică, creând ferestre autoregulante. În plus, se elaborează standarde și stimulente pentru încurajarea adoptării, cum ar fi Directiva privind performanța energetică a clădirilor (EPBD) și Directiva privind titlul 24 a Californiei.

Materiale și concepte emergente

Acoperirile de generaţie următoare pot exploata puncte cuantice, nanoparticule plasmonice şi cristale fotonice pentru a manipula lumina la solzii de lungime subwave. De exemplu, înglobarea nanorodilor argintii într-o matrice dielectrică poate crea absorbatoare sensibile la polarizare pentru NIR menţinând în acelaşi timp transparenţa vizibilă. Perovskite duble strat şi materiale bidimensionale cum ar fi MoS2 sunt explorate pentru fotovoltaice stabile, fără plumb. Învăţarea maşinilor este folosită şi pentru optimizarea proiectărilor de acoperire multistrat, reducând timpul de dezvoltare de la luni la zile.

Concluzie

Acoperirile avansate sunt piatra cheie pentru a face din ferestrele solare o componentă practică și atractivă a clădirilor durabile. Prin gestionarea atentă a spectrului solar, aceste acoperiri permit generarea energiei, confortul termic și lumina naturală într-un singur produs din geamuri. Deși provocările legate de durabilitate, cost și estetică rămân, progresul rapid în nanotehnologie, materiale adaptive și procesele de fabricație indică un viitor în care ferestrele solare sunt la fel de comune ca geamurile duble. Cercetătorii din instituțiile Laboratorul Național pentru Energie Regenerabilă (NREL) și Massachusetts Institute of Technology (MIT)[ continuă să împingă limitele, dezvoltând acoperiri care ar putea transforma fațadele în centrale electrice distribuite. Cu investiții și inovații continue, acoperirile de gestionare a luminii vor juca un rol esențial în realizarea clădirilor energetice nete-zero și reducerea emisiilor globale de carbon.

For further reading, see reviews on semi-transparent perovskite photovoltaics and nanophotonic coatings for smart windows.