Окна, которые вырабатывают электричество: как работает китайская технология солнечного стекла
Стеклянный фасад может не только пропускать дневной свет, но и производить электричество. Такой принцип исследуют специалисты из китайского Нанкинского университета: они создали прозрачный солнечный концентратор CUSC. Разработка перенаправляет часть солнечного излучения к краям стекла, где установлены фотоэлектрические элементы.
Технология потенциально интересна зданиям с большими окнами и фасадами - офисным центрам, жилым комплексам и небоскребам. В отличие от традиционных панелей, солнечное остекление не требует закрывать непрозрачными модулями всю поверхность. Но пока CUSC остается экспериментальной разработкой, а не готовой заменой привычной генерации.
Как стекло превращает свет в электричество
На поверхность стекла наносят многослойную пленку из холестерических жидких кристаллов. Ее структура меняет направление части солнечного излучения: свет попадает внутрь стекла и движется к его краю за счет полного внутреннего отражения. Стекло в такой системе работает как световод и солнечный концентратор.
На торцах располагаются небольшие кремниевые фотоэлементы. Они принимают направленный к ним свет и преобразуют его в электрический ток. Таким образом, элементы, непосредственно вырабатывающие энергию, занимают лишь небольшую часть конструкции, а основная площадь стекла остается прозрачной.
Важную роль играет управление поляризацией света. Слои жидких кристаллов настраивают так, чтобы они направляли определенные участки видимого спектра к краю стекла, а не рассеивали излучение во все стороны. Благодаря этому разработчики стремятся совместить выработку электричества с хорошей видимостью через окно.
Насколько прозрачным остается окно
В опубликованных результатах испытаний средний коэффициент пропускания видимого света составил 64,2%. Это означает, что через покрытие проходит примерно две трети видимого светового потока в условиях проведенных измерений. Индекс цветопередачи достиг 91,3, то есть оттенки объектов за стеклом сохраняют достаточно естественный вид.
Для зданий эти характеристики имеют практическое значение: слишком темное или искажающее цвета остекление может ухудшить освещение помещений и сделать фасад менее комфортным. При этом конкретный результат зависит от исходного стеклопакета, состава покрытия и угла падения света. Поэтому показатель прототипа нельзя автоматически считать характеристикой любого окна с CUSC.
Сколько энергии могут дать солнечные окна
Максимальный измеренный коэффициент преобразования солнечной энергии в электричество у испытанного устройства составил 3,7%. В лабораторном прототипе активная область имела диаметр около 2,54 сантиметра. В солнечную погоду устройство смогло запитать небольшой вентилятор мощностью 10 милливатт. Когда свет перекрывали, вентилятор останавливался.
Эти результаты подтверждают работоспособность принципа, но не показывают, сколько энергии сможет производить фасад целого здания. КПД солнечного стекла ниже, чем у современных кремниевых панелей. Сравнение, однако, не вполне прямое: панели стремятся поглотить как можно больше света, тогда как солнечное окно должно одновременно генерировать электричество и сохранять прозрачность.
На реальную выработку будут влиять площадь остекления, ориентация фасада, затенение соседними зданиями, время года и погода. Окна, на которые большую часть дня не попадает солнце, дадут меньше энергии. Поэтому для оценки эффективности потребуется учитывать условия конкретного здания, а не только лабораторные показатели.
Где можно использовать солнечное остекление
В первую очередь технологию рассматривают для высотных зданий. У небоскреба площадь фасадов обычно значительно больше площади крыши, поэтому одних кровельных панелей может быть недостаточно для использования всего доступного солнечного ресурса. Окна и стеклянные поверхности могли бы стать дополнительной площадкой для выработки энергии.
Возможные области применения - офисные и жилые здания, остекленные галереи, навесы и внутренние перегородки. Еще один вариант - модернизация существующих фасадов, если покрытие получится наносить на установленное стекло. Однако совместимость с разными стеклопакетами и способ монтажа необходимо отдельно проверять: пока нельзя утверждать, что пленка подойдет для любого окна без дополнительных работ.
Что необходимо решить до массового применения
Главное ограничение - пока сравнительно невысокая эффективность. Чтобы солнечные окна давали заметный объем энергии, исследователям нужно улучшить преобразование света, не сделав покрытие темнее и не ухудшив цветопередачу. Кроме того, важно выяснить, как система будет работать при облачности и на фасадах с переменным затенением.
Не менее серьезный вопрос - срок службы. Оконные конструкции подвергаются воздействию ультрафиолета, влаги и перепадов температуры, а также механическим нагрузкам. Покрытие должно сохранять свойства и не расслаиваться или выцветать на протяжении многих лет. Потребуется оценить и влияние конструкции на теплоизоляцию, нагрев помещений, блики и акустические характеристики.
Для строительства важна не только техническая, но и экономическая сторона. Нужно определить стоимость покрытия и монтажа, расходы на подключение фотоэлементов и обслуживание, а также срок окупаемости. Если элементы, размещенные по краям стекла, окажется сложно заменить, это тоже может повлиять на привлекательность технологии для владельцев зданий.
Заменят ли солнечные окна обычные панели
Пока оснований считать CUSC полноценной заменой традиционным солнечным модулям нет. Скорее, речь идет о потенциальном дополнительном источнике энергии для зданий, где много остекления и мало свободного места на крыше. Классические панели эффективнее, однако их нельзя установить на каждом фасаде, не затеняя помещения и не меняя внешний вид здания.
Прежде чем технология станет частью серийного строительства, ее предстоит проверить на крупных образцах и в пилотных проектах. Необходимо подтвердить стабильную работу при разных углах освещения и погодных условиях, долговечность материалов и возможность промышленного производства.
Что это может изменить в проектировании зданий
Если разработчикам удастся улучшить показатели и снизить стоимость, солнечное стекло сможет дополнить другие меры энергосбережения. Например, фасад будет не только пропускать свет и защищать помещения от внешней среды, но и частично обеспечивать здание электричеством. Однако точная роль такого остекления будет зависеть от климата, ориентации здания и общей конфигурации его энергосистемы.
При проектировании важно будет заранее продумать подключение фотоэлементов к электросети здания и доступ к ним для обслуживания. Архитекторам и инженерам придется оценивать не только внешний вид фасада, но и его энергопотребление, освещенность помещений и тепловой баланс. Это позволит понять, где солнечное остекление действительно полезно, а где оно уступает более простым решениям.
Пока китайская разработка демонстрирует перспективный принцип, но ее эффективность в масштабах здания еще предстоит доказать. Если удастся совместить приемлемую выработку, прозрачность, надежность и разумную цену, окна смогут стать дополнительной частью городской энергетики - не отменяя традиционные панели, а расширяя возможности их применения.
