Przezroczyste panele fotowoltaiczne

Jedną z głównych przeszkód we wdrażaniu energii słonecznej na szeroką skalę jest posiadanie wystarczającej ilości miejsca na panele słoneczne, zwłaszcza w miastach, w których brakuje gruntów i przestrzeni na dachach budynków. W lokalizacjach o dużej gęstości zaludnienia, wytworzenie wystarczającej ilości energii słonecznej do zasilania budynku tylko z dachu jest trudne, zwłaszcza gdy systemy mechaniczne zajmują miejsce. Co jednak, gdyby samo szkło mogło generować czystą energię za pomocą przezroczystych paneli słonecznych?

Michigan State University (MSU) opracował pierwsze w pełni przezroczyste panele fotowoltaiczne (PV) w 2014 roku. Panele te nadają się do przezroczystych okien, a nawet ekranów dotykowych w urządzeniach, ponieważ nie pochłaniają widocznego światła słonecznego, tworząc nowy paradygmat dla energii słonecznej.

Chociaż przezroczyste panele słoneczne są mniej wydajne niż monokrystaliczne i polikrystaliczne ogniwa słoneczne, istnieje wiele potencjalnych zastosowań ze względu na ich funkcjonalność, takich jak szyby w samochodach, szkło w wieżowcach, a nawet ekrany dotykowe w telefonach komórkowych. Naukowcy pracują nad udoskonaleniem technologii przezroczystych paneli słonecznych, tak aby były one komercyjnie opłacalne na dużą skalę.

Historia przezroczystych paneli fotowoltaicznych.

Naukowcy z MSU wykorzystali sole organiczne do pochłaniania niewidocznych długości fal światła, w tym światła podczerwonego i ultrafioletowego. Takie podejście pozwala szkłu słonecznemu działać jak typowe szkło, a jednocześnie generuje energię słoneczną, ponieważ przechodzi przez nie światło widzialne. Następnie w 2020 r. naukowcy ze Stanów Zjednoczonych i Europy opracowali przezroczyste panele słoneczne o 100% przezroczystości.

“Wysoce przezroczyste ogniwa słoneczne stanowią falę przyszłości dla nowych zastosowań solarnych” – powiedział Richard Lunt, profesor nadzwyczajny inżynierii chemicznej i materiałoznawstwa Johansen Crosby Endowed na MSU. “Przeanalizowaliśmy ich potencjał i pokazaliśmy, że zbierając tylko niewidzialne światło, urządzenia te mogą zapewnić podobny potencjał wytwarzania energii elektrycznej jak dachowe panele słoneczne, zapewniając jednocześnie dodatkową funkcjonalność w celu zwiększenia wydajności budynków, samochodów i mobilnej elektroniki”

Niestety, wydajność przezroczystych paneli słonecznych jest dość niska i wynosi obecnie około 1%, ale ich potencjał szacuje się na 5%. Chociaż jest to bardzo niski poziom, potencjalne zastosowania szkła solarnego oznaczają, że może ono być szeroko stosowane w wielu aplikacjach, co czyni je niezwykle praktycznym w inny sposób.

“MSU ma naszą pierwszą instalację zewnętrzną w stosunku do firmy” – powiedział Lunt. “Mamy dziesiątki projektów, które są obecnie instalowane na całym świecie z naszej linii pilotażowej. Teraz przygotowujemy się do komercyjnych linii produkcyjnych, które będą naprawdę transformacyjne”

Częściowo przezroczyste panele fotowoltaiczne.

Niemiecki startup o nazwie Heliatek GmbH opracował częściowo przezroczyste panele słoneczne, które pochłaniają 60 procent otrzymywanego światła. Wydajność częściowo przezroczystych paneli słonecznych, znanych również jako częściowo przezroczyste panele słoneczne, wynosi 7,2%, co nadal jest wartością znacznie niższą niż w przypadku tradycyjnych paneli słonecznych.

Półprzezroczysta technologia solarna ma niższą wydajność, ponieważ 40 procent światła nie jest pochłaniane, co czyni ją częściowo przezroczystą. Jednakże, częściowo przezroczyste szkło solarne może być idealne do konkretnych zastosowań, w których pożądane jest przyciemniane szkło, takie jak okna solarne na południowej ścianie budynków.

Półprzezroczyste panele fotowoltaiczne.

Półprzezroczyste panele fotowoltaiczne to specyficzny rodzaj przezroczystych paneli słonecznych o przepuszczalności światła poniżej 100%. Chociaż dostępne są w pełni przezroczyste panele słoneczne, półprzezroczyste moduły są obecnie częściej spotykane na rynku.

Te półprzezroczyste panele szczególnie dobrze nadają się do zastosowań takich jak okna budynków i szklarnie, gdzie pożądany jest pewien poziom filtracji światła. Jednak w przypadku urządzeń takich jak smartfony, które wymagają 100% transmisji światła, półprzezroczyste panele mogą nie być idealnym wyborem.

Jak działają przezroczyste panele słoneczne?

Panele słoneczne pochłaniają światło słoneczne (fotony) i przekształcają je w energię elektryczną (elektrony). Ta przezroczysta technologia paneli słonecznych działa jak przezroczysty koncentrator słoneczny i pochłania światło, które nie jest widoczne gołym okiem, w tym określone długości fal UV i podczerwieni. Jednak światło widzialne przechodzi przez nie, więc potencjalnie każde szklane okno może zostać przekształcone w ogniwo fotowoltaiczne.

Przezroczyste panele słoneczne składają się zazwyczaj z wielu warstw. Warstwy te są zaprojektowane tak, aby przechwytywać światło słoneczne i przekształcać je w energię elektryczną przy jednoczesnym zachowaniu przezroczystości. Konkretny skład i liczba warstw mogą się różnić w zależności od producenta i zastosowanej technologii, ale zwykle obejmują przezroczyste warstwy przewodzące, warstwy półprzewodnikowe i powłoki ochronne. Warstwy te współpracują ze sobą, umożliwiając panelowi generowanie energii elektrycznej przy jednoczesnym przepuszczaniu światła.

Jakie są niektóre zastosowania przezroczystych paneli fotowoltaicznych?

Przezroczyste panele słoneczne przepuszczają światło podczas generowania energii elektrycznej i mają szereg potencjalnych zastosowań, w tym:

1. Fotowoltaika zintegrowana z budynkiem (BIPV): Szklane panele słoneczne można zintegrować z oknami, fasadami i świetlikami budynków, przekształcając je w funkcjonalne powierzchnie generujące energię bez zasłaniania naturalnego światła.
2. Szklarnie: Przezroczyste panele słoneczne mogą być wbudowane w konstrukcje szklarniowe, umożliwiając roślinom otrzymywanie światła słonecznego przy jednoczesnym generowaniu energii elektrycznej do zasilania działalności szklarni.
3. Elektronika użytkowa: Przezroczyste panele słoneczne mogą wydłużyć żywotność baterii lub zapewnić dodatkowe zasilanie w urządzeniach elektronicznych, takich jak smartfony i tablety.
4. Motoryzacja: Przezroczyste ogniwa słoneczne mogą być zintegrowane z szybami lub szyberdachami pojazdów, zaspokajając zapotrzebowanie na energię elektryczną pojazdów elektrycznych lub hybrydowych.
5. Meble i wiaty zewnętrzne: Przezroczyste panele słoneczne mogą być stosowane do konstrukcji zewnętrznych, takich jak wiaty autobusowe, ławki lub pawilony, zapewniając cień przy jednoczesnym generowaniu energii odnawialnej.
6. Przenośne ładowarki: Przezroczyste ogniwa słoneczne mogą być wbudowane w przenośne ładowarki, umożliwiając użytkownikom wykorzystanie energii słonecznej do ładowania urządzeń w podróży.
7. Zastosowania wojskowe i ratunkowe: Szklane panele słoneczne mogą być wykorzystywane w zastosowaniach wojskowych i awaryjnych, zapewniając zasilanie dla operacji w terenie, schronów lub urządzeń komunikacyjnych.
8. Lotnictwo i kosmonautyka: Przezroczyste ogniwa słoneczne mogą być zintegrowane z powierzchniami statków kosmicznych lub satelitów, zaspokajając ich zapotrzebowanie na energię w kosmosie.
9. Produkty konsumenckie: Różne produkty konsumenckie, takie jak urządzenia do noszenia, plecaki, a nawet odzież, oferują dyskretny sposób generowania energii z przezroczystych paneli słonecznych.
10. Przestrzenie publiczne i infrastruktura: Przezroczyste panele fotowoltaiczne mogą być zintegrowane z przestrzeniami publicznymi, takimi jak przystanki autobusowe, chodniki lub zadaszenia, łącząc funkcjonalność ze zrównoważonym wytwarzaniem energii.

Firmy produkujące przezroczyste panele fotowoltaiczne.

Kilka firm jest aktywnie zaangażowanych w rozwój i produkcję przezroczystych technologii solarnych. Do wiodących producentów w branży przezroczystych paneli słonecznych należą:

Firma Ubiquitous Energy z siedzibą w Kalifornii poczyniła znaczące postępy w rozwoju przezroczystych ogniw słonecznych do zastosowań komercyjnych. Ich technologia ClearView Power™ została zaprojektowana w celu zaoferowania przezroczystych okien słonecznych dla budynków. Firma skupiła się na zwiększeniu przejrzystości i wydajności swoich ogniw słonecznych, dzięki czemu dobrze nadają się one do integracji architektonicznej.

W Wielkiej Brytanii Polysolar specjalizuje się w przezroczystym szkle fotowoltaicznym dostosowanym do integracji z budynkami. Firma aktywnie uczestniczyła w różnych projektach, w tym w instalacji przezroczystych zadaszeń słonecznych i rozwiązań dla fotowoltaiki zintegrowanej z budynkiem (BIPV) w środowiskach miejskich.

Firma z siedzibą w Hiszpanii znana jest z innowacyjnych produktów solarnych zintegrowanych z budynkami i rozwiązań okiennych z panelami słonecznymi. Onyx poświęcił się tworzeniu przezroczystych paneli słonecznych odpowiednich do stosowania w świetlikach, zadaszeniach i fasadach. Rozwiązania te umożliwiają wytwarzanie energii elektrycznej przy jednoczesnym przepuszczaniu naturalnego światła.

Bright Solar, firma myśląca przyszłościowo, poczyniła znaczące postępy w rozwoju produktów ze szkła solarnego dostosowanych do zastosowań komercyjnych. Ich najnowocześniejsza technologia ma na celu zapewnienie innowacyjnych rozwiązań w zakresie integracji budynków. Firma Bright Solar skoncentrowała się na zwiększeniu zarówno przejrzystości, jak i wydajności swojego szkła solarnego, dzięki czemu idealnie nadaje się ono do płynnej integracji architektonicznej.

SolarScape stał się liderem w rozwoju produktów ze szkła solarnego przeznaczonych do zastosowań komercyjnych. Ich technologia przezroczystych paneli słonecznych ma na celu zrewolucjonizowanie rozwiązań integracji budynków. SolarScape dąży do zwiększenia zarówno wydajności, jak i przejrzystości szkła solarnego w celu zapewnienia płynnej integracji architektonicznej.

Firma ta jest znaczącym graczem w sektorze energii odnawialnej, szczególnie w dziedzinie BIPV. Firma wykazała się zaangażowaniem w innowacje w opracowywaniu najnowocześniejszych produktów BIPV, które płynnie integrują technologię słoneczną z elementami architektonicznymi, w tym ze szklanymi ścianami osłonowymi i sunroomami.

Znana ze swoich przezroczystych okien generujących energię elektryczną, firma SolarWindow Technologies pracuje nad rozwojem elastycznych, cienkich powłok, które przekształcają zwykłe szkło w generujące energię elektryczną okna z panelami słonecznymi.

Przyszłe zastosowania przezroczystych paneli fotowoltaicznych.

Szacuje się, że w Stanach Zjednoczonych znajduje się od 5 do 7 miliardów metrów kwadratowych szklanych powierzchni, więc możliwości wykorzystania szkła solarnego są niemal nieograniczone. Oznacza to, że przednie szyby i szyberdachy w samochodach, ekrany smartfonów, ściany osłonowe i zadaszenia budynków mogą generować energię słoneczną.

“Kiedy zdasz sobie sprawę, że możesz to zrobić, możesz zrobić ogniwo słoneczne, które wygląda jak okno, to naprawdę pobudza wyobraźnię” – powiedział Lunt.

Jeśli ta nowa technologia zostanie zaimplementowana w szkle na wieżowcach, istnieje większy potencjał do generowania znacznej ilości energii słonecznej, ponieważ na wysokich budynkach jest tak wiele pionowych powierzchni. Ponadto, kąt pod jakim słońce pada na przezroczyste panele słoneczne nie jest tak krytyczny.

Tradycyjne panele fotowoltaiczne a przezroczyste panele fotowoltaiczne.

Ponieważ te dwie technologie są tak różne, tak różne są też ich idealne zastosowania. Na przykład, jeśli wykonawca instalacji solarnej chce wygenerować jak najwięcej energii na ograniczonej przestrzeni, tradycyjne panele fotowoltaiczne są lepszą opcją, ponieważ są znacznie bardziej wydajne. Jednak gdy potrzebny jest przezroczysty produkt fotowoltaiczny, przezroczyste panele słoneczne mają wyraźną przewagę. Jeśli przezroczyste produkty fotowoltaiczne staną się powszechne, trudno będzie odróżnić je od konwencjonalnych materiałów.

“Realia zmian klimatycznych oznaczają, że musimy znaleźć więcej sposobów na wykorzystanie energii odnawialnej” – powiedział Lunt. “Przezroczyste szkło solarne znacznie rozszerza możliwości wykorzystania energii słonecznej i zmienia sposób, w jaki myślimy o wytwarzaniu energii. Nie ma już kompromisu między estetyką a energią odnawialną. Mogą Państwo przekształcić niemal każdą powierzchnię budynku lub krajobrazu w panel słoneczny i generować energię w miejscu, w którym jej Państwo używają, nawet nie wiedząc, że tam jest”

Jednak przezroczyste panele słoneczne wciąż szybko się rozwijają, więc to, co może być prawdą dzisiaj, może być inne za dekadę. Na przykład, inżynierowie z MSU opracowali obecnie przezroczyste panele słoneczne z warstwą tlenku cynku, które według ich przewidywań będą działać przez trzy dekady, więc potencjalna żywotność obu technologii jest porównywalna.

Podobnie jak tradycyjne moduły słoneczne, przezroczyste panele słoneczne nie wytwarzają emisji gazów cieplarnianych podczas produkcji energii i pomagają zmniejszyć zależność od zanieczyszczających paliw kopalnych. Obecnie nieco ponad 3 procent energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych jest generowane ze słońca. Jednak w miarę jak świat przechodzi na czystsze formy energii, potrzebne są innowacje, aby umożliwić energii słonecznej wytwarzanie większego udziału w całkowitym koszyku energetycznym.

Chociaż tradycyjne panele słoneczne doskonale nadają się do zastosowań na dachach i farmach słonecznych, istnieją inne zastosowania, w których się nie sprawdzają, zwłaszcza w obszarach o dużej gęstości zaludnienia, gdzie potrzebne są lekkie ogniwa słoneczne. Oprócz wdrożenia na szerszą skalę, potrzebne są również możliwości magazynowania energii, aby zapewnić, że energia słoneczna może dostarczać moc podstawową przez cały dzień, niezależnie od pogody.

Zalety tradycyjnych paneli fotowoltaicznych:

• Najwyższa sprawność konwersji energii dzięki dostępnym na rynku panelom słonecznym o sprawności przekraczającej 22 procent
• Bardziej dojrzała technologia, która była intensywnie testowana przez dziesięciolecia, co oznacza, że wydajność w świecie rzeczywistym jest łatwiejsza do przewidzenia
• Dostępna do wdrożenia na szeroką skalę dzięki solidnym zdolnościom produkcyjnym w wielu krajach
• Panele słoneczne z przezroczystego szkła muszą być obsługiwane z większą ostrożnością niż tradycyjne panele słoneczne, aby uniknąć pęknięcia, ponieważ szkło jest bardziej kruche

Zalety przezroczystych paneli fotowoltaicznych:

• Idealne rozwiązanie dla obszarów miejskich, gdzie przestrzeń dla tradycyjnych paneli słonecznych jest ograniczona, ponieważ wszystkie przezroczyste powierzchnie budynku mogą generować energię
• Zalety estetyczne, ponieważ szkło solarne płynnie integruje się z budynkami i innymi zastosowaniami, więc różnica między tradycyjnym szkłem a w pełni przezroczystym szkłem solarnym jest niewyczuwalna
• Kąt padania promieni słonecznych na powierzchnię nie ma znaczenia, co rozszerza możliwości zastosowania
• Mobilna elektronika może wykorzystywać światło otoczenia do częściowego ładowania własnych baterii, co byłoby atrakcyjne dla konsumentów
• Szkło solarne może spełniać dwie funkcje, gdy jest zintegrowane z budynkami, efektywnie wykorzystując zasoby
• Same przezroczyste ogniwa słoneczne są lekkie i przenośne (przed nałożeniem na szkło)

Czy istnieją przezroczyste panele fotowoltaiczne?

Przezroczyste panele słoneczne, często nazywane oknami słonecznymi, to nowe technologie w dziedzinie energii słonecznej. Naukowcy badają różne podejścia, w tym organiczne ogniwa fotowoltaiczne, technologie cienkowarstwowe, barwnikowe ogniwa słoneczne, przezroczysty krzem i ogniwa słoneczne z kropkami kwantowymi, aby stworzyć panele słoneczne o różnym stopniu przezroczystości. Jednakże, pomimo postępów w kierunku w pełni przezroczystych paneli słonecznych o wysokiej wydajności, nie są one powszechnie dostępne na rynku.

Czy przezroczyste panele słoneczne są tak samo wydajne jak tradycyjne panele fotowoltaiczne?

Nie, przezroczyste panele słoneczne są generalnie mniej wydajne niż tradycyjne panele słoneczne. Ich zaletą jest półprzezroczystość, która pozwala na przepuszczanie światła, jednak cecha ta często wiąże się z niższą wydajnością konwersji energii. Naukowcy aktywnie pracują nad poprawą wydajności energetycznej przezroczystej technologii solarnej, ale na chwilę obecną nie dorównuje ona wydajności konwencjonalnych, nieprzezroczystych paneli słonecznych.

Co oznaczają przezroczyste panele słoneczne dla przyszłości energii fotowoltaicznej?

Jeśli przezroczyste panele słoneczne staną się powszechne, ich potencjalne zastosowania będą nieskończone. Inżynierowie i specjaliści od energii słonecznej będą musieli zrozumieć, jak skutecznie wdrożyć tę technologię w elektronice, samochodach, budynkach i innych zastosowaniach. Podobnie architekci i wykonawcy będą musieli wiedzieć, jak włączyć przezroczyste produkty solarne do fasad budynków, aby zmaksymalizować produkcję energii odnawialnej.

Wraz z postępem w branży energii słonecznej, specjaliści ds. energii słonecznej muszą być na bieżąco z najnowszymi technologiami, aby pomóc w napędzaniu innowacji. Na horyzoncie jest wiele obiecujących technologii solarnych, które mogą zmienić przyszłość ruchu czystej energii, w tym ciekłe panele słoneczne i wykorzystanie perowskitu jako półprzewodnika w modułach słonecznych w celu zastąpienia lub zminimalizowania wykorzystania krzemu. Tak więc przyszłe przełomy naukowe będą kształtować przyszłość czystej energii na całym świecie.