Khoa học quản lý ánh sáng trong các cửa sổ Mặt Trời

Các cửa sổ mặt trời đại diện một đột phá trong quang phổ tạo điện quang điện (BIPV) cho phép các bề mặt kính bình thường tạo ra điện trong khi bảo tồn ánh sáng tự nhiên. Thử thách nằm trong việc kiểm soát quang phổ mặt trời: ánh sáng nhìn thấy được (400–700 nm) phải đi qua để chiếu sáng, trong khi các bước sóng gần nhau (NIR) và tia cực tím (UV) giúp đỡ ít ánh sáng mặt trời nhưng gây ra sự nóng và chất làm thoái hóa vật liệu. Cần phải quản lý hiệu quả. Quản lý ánh sáng có hiệu suất là đạt được qua các bộ quang học chuyên biệt, phản xạ, phản xạ hoặc hấp thụ riêng. Những dải này được thiết kế tại các dây buộc nano để xử lý hiệu suất điện tử, và hiệu suất tạo năng lượng tạo ra hiệu suất.

Công nghệ phối hợp phím

Kết dính chống tăng cường

Lớp phủ phản xạ chống hiển thị (AR) giảm độ phản xạ bề mặt, cho phép nhiều ánh sáng hơn để vào cửa sổ. Đối với cửa sổ mặt trời, điều này có nghĩa là sự chuyển đổi hiển thị cao hơn và tăng lượng photon lên lớp quang phổ. Những lớp quang phổ này có thể tăng cường ánh sáng bằng 3–8, so với cả ánh sáng mặt trời và hiệu suất mặt trời không có kính.

Kết hợp chọn lọc một cách ngoạn mục

Các lớp phủ có chọn lọc một cách tinh vi được thiết kế để truyền ánh sáng hiển thị trong khi phản xạ hay hấp thụ tia hồng ngoại và bức xạ cực tím. Việc này được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều chồng màu mỏng có thể hoạt động như bộ lọc quang học. Lấy thí dụ, các vật liệu diclo-met-di điện (DMD) được thiết kế để tạo “các cửa sổ năng lượng mặt trời đẹp, không có ánh sáng trong không gian bên trong, như chất lỏng trong không gian.

Độ lệch thấp (Low-E) Kết hợp

Trong các cửa sổ có nhiệt độ thấp, chúng có vai trò hai vai trò: giảm sóng hồng ngoại, trong khi cho phép truyền ánh sáng nhìn thấy được.

Kết hợp ảnh chụp

Ảnh chụp (PV) phủ điện trực tiếp chuyển hóa ánh sáng mặt trời thành điện trên bề mặt cửa sổ. Những chất này thường dựa trên các công nghệ quang hợp mỏng như quang hợp, chất silicon, cadmium Truri, hoặc đồng lidium selenide (CGS). Việc thay đổi chất lượng điện tử trong khi chế độ độ quang hợp một phần của chất lượng trong suốt, bao gồm chất lượng quang hợp và chất lượng trong suốt.

Những cải tiến gần đây trong việc hợp nhất phát triển

Thiết kế đa máy tính đa nền tảng

Kỹ thuật đa thanh toán đã tạo ra việc phủ đa thanh với độ dày được điều khiển một cách chính xác (10–200 nm) mà điều khiển ánh sáng thông qua sự can thiệp xây dựng và phá hủy. Dùng lời khuyên lớp nguyên tử (AD) hoặc từ tính hóa, các nhà nghiên cứu có thể xếp chồng lên hàng chục lớp với các lớp đo đạc phức tạp để đạt được phản ứng quang phổ phức tạp. Chẳng hạn, việc phủ bao gồm một lớp TiO2 và SiO2 lớp có thể hoạt động như một tấm gương Bragg trong suốt khi được xem xét. Kết hợp quang học với các lớp mỏng tạo ra lớp màng đa chức năng, tạo ra một lớp năng, nhiệt năng và điều khiển nhiệt năng lượng mặt trời, và chống nhiệt độ.

Tự dọn dẹp

Bụi, đất, và sự phát triển sinh học làm giảm hiệu suất của cửa sổ mặt trời dưới tia UV và làm sạch nước sẽ chỉ ra điều này bằng cách sử dụng những mảnh vỡ siêu yếu dựa trên chất béo hoặc chất lỏng có cấu trúc hóa học làm giảm lượng nước thải.

Kết hợp giữa các tế bào sắc và điện từ

Lớp phủ thích nghi phản ứng với nhiệt độ hoặc điện động là một khu vực hoạt động của nghiên cứu. Lớp phủ nhiệt điện tử, như lớp vải vanadium dioxide, chuyển từ trong suốt sang mờ nhạt, khi nhiệt độ đạt được, chặn các cửa sổ trong thời gian nóng trong khi cho phép ánh sáng thấy được. Lớp điện từ như chất nổ, có thể được làm tối tăm hoặc sáng lên nhờ áp dụng điện áp nhỏ. Việc kết hợp với các lớp PV tạo ra các cửa sổ thông minh có thể tạo ra các cửa sổ năng lượng mặt trời để quản lý ánh sáng, cả hai mặt trời và cả hai tiện nghi.

Những thử thách trong việc hợp tác phát triển

Giữ thăng bằng về sự tinh sạch và hiệu quả

Một cuộc trao đổi cơ bản tồn tại giữa hiệu suất quang hợp và độ trong suốt hiển thị. để tạo ra điện, lớp vỏ bọc PV phải hấp thụ photon, vốn đã giảm sự truyền tải.

Thời tiết khó khăn và chống cự

Các nhà nghiên cứu phải chịu đựng nhiều năm tiếp xúc với bức xạ tia cực tím, nhiệt độ, độ ẩm, độ ẩm và cơ khí căng thẳng của các mảnh da dễ bị thấm vào, nhiễm oxy hóa và độ ẩm. các nhà nghiên cứu đang khám phá chiến lược hấp dẫn, các lớp ngăn cản, và kết nối với kết nối với nhau để kéo dài tuổi thọ.

Thuốc mê và thị trường chấp nhận

Để tích hợp kiến trúc, cần phải có đồng nhất về mặt hình ảnh, màu sắc- tiền mặt (hoặc thẩm mỹ) và không có sọc hoặc di chuyển. Các chồng đa máy tính có thể tạo ra màu giao thoa có thể không tốt. Độ dày của lớp để đạt được một giai điệu trung lập hoặc màu sắc cụ thể là một thách thức liên tục. Các chủ sở hữu và kiến trúc sư thường ưu tiên thẩm mỹ hơn năng lượng, do đó, phủ bao gồm cả hai điều thiết yếu cho việc tiếp nhận thị trường.

Sản xuất chi phí và tính toán tỉ lệ

Lớp phủ có độ sáng cao thường dựa vào kỹ thuật làm chứng (dùng để làm chứng chân không, bốc hơi, AD) rất tốn kém và hạn chế. Quá trình xử lý cuộn vào. Tính năng cuộn, việc lấy chất lượng tắm hóa học, và in mực sẵn sàng được phát triển để giảm chi phí. Ví dụ, việc phủ khe khí cầu đã được chứng minh trên các lớp phụ phụ thủy tinh ở tốc độ tương thích với việc sản xuất thủy tinh nổi. Chất lượng nhất quán trên vùng lớn (v. d. 1.5m) mà không có lỗ hổng hoặc độ ẩm quan trọng cho thương mại.

Hướng tương lai

Kết hợp đa chức năng

Mục tiêu cuối cùng là tích hợp tất cả các chức năng cần thiết - quản lý ánh sáng, năng lượng, kiểm soát nhiệt, tự làm sạch và thẩm mỹ thành một chồng phủ. Nghiên cứu đang tiến tới “tất cả các thiết kế tổng hợp một bộ lọc có chọn lọc, một tế bào bán dẫn, một lớp phản chiếu, và một lớp vỏ bọc tự làm sạch.

Hợp nhất với hệ thống năng lượng xây dựng

Các cửa sổ trong tương lai rất có thể là một phần của hệ thống quản lý năng lượng thông minh. Các bộ phận quản lý và vi điều khiển có khả năng điều chỉnh lớp điện từ dựa trên tiêu chuẩn chung quanh, cư trú và mạng lưới. Những nhu cầu điện tử tạo ra có thể trực tiếp chuyển đổi điện năng, tạo cửa sổ tự nâng cao. Hơn nữa, các tiêu chuẩn quang hợp điện tích hợp (BIPV) và động cơ thúc đẩy sự nhận nuôi, như năng lượng của EU (PB) và 24 tiêu chuẩn của California.

Thu thập vật chất và các ý tưởng

Những lớp vỏ kế tiếp có thể khai thác các chấm điện tử, các ống hấp thụ nano cực nhỏ, và các tinh thể quang ảnh để điều khiển ánh sáng ở các vảy sóng phụ. Ví dụ, việc bọc bạc nano trong một ma trận điện tử có thể tạo ra các điểm hấp thụ phân cực cho NIR trong khi duy trì độ trong suốt. Các vật liệu đa chiều như MoS2 đang được khám phá cho các dạng ổn định, không có điện tử. Máy học tập cũng được sử dụng tối ưu hóa đa đa các thiết kế đa máy, giảm thời gian phát triển từ tháng này sang tháng khác.

Kết luận

Lớp phủ là đá ngầm để làm cho cửa sổ mặt trời là một thành phần thiết thực và hấp dẫn của các tòa nhà bền vững. Bằng cách quản lý kỹ lưỡng quang phổ mặt trời, những lớp phủ này cho phép thế hệ năng lượng, tiện nghi nhiệt, và ánh sáng tự nhiên trong một sản phẩm có thể làm cho các cửa sổ trở nên bền vững. Trong khi những thách thức về tính bền vững, chi phí và thẩm mỹ vẫn còn tồn tại, tiến bộ nhanh chóng trong công nghệ nano, vật liệu thích ứng, và các quá trình sản xuất cho tương lai, nơi mà các cửa sổ mặt trời giống như là kính vạn năng lượng. Các nhà nghiên cứu tại các tổ chức như [FL: khả năng tái tạo năng lượng hiện tại] sẽ tiếp tục phát triển các đường ống dẫn năng lượng và tăng cường năng lượng hóa.

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