8 Minute
Un strat transparent transformă sticla obișnuită în ferestre care generează energie
Cercetătorii de la Universitatea Nanjing au dezvoltat un strat de suprafață transparent care poate fi aplicat pe sticla convențională a ferestrelor pentru a colecta lumina soarelui și a o direcționa către celule fotovoltaice (PV) montate pe margine. Materialul — descris de autori ca un concentrator solar de tip difractiv, incolor și unidirecțional (CUSC) — păstrează claritatea vizuală a ferestrelor în timp ce redirecționează o parte din lumina incidentă pentru a fi transformată în electricitate.
Echipa de cercetare a realizat un mic prototip funcțional și și-a publicat rezultatele în PhotoniX. Dacă stratul poate fi fabricat și scalat la costuri rezonabile, adaptarea geamurilor existente și a celor noi ar putea adăuga o capacitate semnificativă de generare regenerabilă distribuită în mediul urban, contribuind la fotovoltaice integrate în clădiri (BIPV) și la obiectivele largi de decarbonizare.
Cum funcționează CUSC: cristale lichide colesterice și direcționarea selectivă a luminii
La baza acoperirii se află cristalele lichide colesterice (CLC), o clasă de materiale cu structuri moleculare helicoidale proiectate care interacționează cu lumina în funcție de lungime de undă și polarizare. Prin suprapunerea mai multor straturi CLC calibrate pe benzi diferite ale spectrului solar, acoperirea acoperă o gamă largă de lungimi de undă vizibile, rămânând totodată transparentă din punct de vedere vizual.
Difracție selectivă în funcție de polarizare
O caracteristică esențială de proiectare este că CUSC difractează selectiv o singură polarizare circulară a luminii. Asta înseamnă că doar fotonii cu o anumită stare de polarizare sunt redirecționați lateral în sticlă, unde sunt ghidați prin reflexie totală internă către celulele PV montate pe margine. Lumina cu alte polarizări trece în mare parte prin geam, păstrând funcția obișnuită a ferestrei și iluminarea naturală.
Inginerul optic Dewei Zhang, coautor al studiului, explică că prin proiectarea structurii interne a filmelor CLC echipa poate „difracta selectiv lumina circular polarizată, ghidând-o în ghidajul de undă al sticlei la unghiuri abrupte.” Acest efect de ghidaj concentrează lumina asupra celulelor montate pe margine fără a introduce colorații puternice.
Autorii se referă la dispozitivul final drept concentrator solar de tip difractiv, incolor și unidirecțional (CUSC), subliniind atât neutralitatea vizuală, cât și comportamentul său de direcționare unilaterală a luminii către hardware-ul de conversie a energiei.
Metrice de performanță, prototipuri și limitări
În testele de laborator, acoperirea a demonstrat performanțe optice promițătoare: transmite 64,2% din lumina vizibilă și păstrează 91,3% din acuratețea culorii, indicatori importanți pentru confortul utilizatorilor în clădiri. Folosind un laser verde — ales pentru că ochiul omenesc este cel mai sensibil în acea regiune — dispozitivul a capturat și convertit 38,1% din energia incidentă, ceea ce indică o eficiență teoretică ridicată de captare în condiții idealizate. În teste mai generale cu lumină policromatică care imită iluminarea solară reală, cercetătorii raportează o eficiență optică de colectare de 18,1%.
Echipa a fabricat un panou prototip de 1 inch acoperit cu CUSC care a generat suficientă energie pentru a pune în funcțiune un mic ventilator. Totuși, eficiența actuală totală de conversie a energiei — fracțiunea energiei solare incidente transformată în energie electrică utilizabilă atunci când se ia în calcul întregul traseu optic și conversia PV — rămâne scăzută, la aproximativ 3,7%. Această valoare reflectă pierderile în direcționarea luminii, transportul în ghidajul de undă și lanțul de conversie al celulelor PV montate pe margine.
„Designul CUSC este un pas înainte în integrarea tehnologiei solare în mediul construit fără a sacrifica estetica,” a spus inginerul optic Wei Hu, membru al echipei de cercetare. „Reprezintă o strategie practică și scalabilă pentru reducerea emisiilor de carbon și autosuficiență energetică.” Cu toate acestea, autorii notează că îmbunătățirea stabilității, reproducibilității în producție și a eficienței de conversie a energiei va fi esențială înainte de o implementare comercială.
Provocări pentru scalare și direcții de îmbunătățire
Mai multe obstacole tehnice și de fabricație trebuie abordate pentru a trece de la prototip la un produs pregătit pentru piață. Cercetătorii subliniază necesitatea de a:
- Crește eficiența de conversie electrică la nivel de dispozitiv prin optimizarea plasării celulelor PV pe margine, reducerea pierderilor în ghidajul de undă și îmbunătățirea acoperirii spectrale a straturilor CLC suprapuse.
- Îmbunătăți stabilitatea ambientală și mecanică a filmelor din cristale lichide astfel încât acoperirea să reziste la expunerea UV, ciclurile de temperatură și întreținerea de rutină a geamurilor.
- Dezvolte tehnici scalabile de depunere sau laminare compatibile cu sticla de mari dimensiuni și cu procesele existente de fabricație a ferestrelor pentru a îndeplini criteriile de cost și productivitate.
„Pentru a extinde producția, trebuie avute în vedere mai multe îmbunătățiri ale materialelor și procedurilor,” scriu autorii în lucrarea publicată, notând că adoptarea industrială va depinde de echilibrul între performanța optică, durabilitate și cost.
Tehnologii conexe și aplicații potențiale
Fotovoltaicele transparente sau semitransparente reprezintă o zonă activă de cercetare în domeniul fotovoltaicelor integrate în clădiri și al fotovoltaicelor urbane. Alternativele includ module BIPV subțiri, fotovoltaice organice integrate în geamuri și concentratori solari luminescenți (LSC) care absorb lumina și o reemită către margini. CUSC se diferențiază de multe dintre aceste abordări prin combinarea unei transparențe vizibile ridicate, neutralității culorii și direcționării luminii prin difracție selectivă în funcție de polarizare.
Aplicațiile practice variază de la modernizarea ferestrelor din birouri și locuințe până la integrarea stratului în luminatoare, sere, geamuri auto și chiar ecrane cu amplificare solară. Dacă ar fi adoptate pe scară largă, generarea bazată pe ferestre ar putea completa panourile solare de pe acoperiș și cele montate la sol și ar oferi energie distribuită aproape de consumatorii din clădiri.
Opinia unui expert
Dr. Lena Martínez, cercetătoare în fotovoltaică și lector în optică aplicată, comentează: "Echipa din Nanjing demonstrează o abordare optică elegantă folosind cristale lichide colesterice pentru a păstra transparența în timp ce direcționează energia către celulele PV. Valorile raportate sunt încurajatoare pentru dispozitive la scară de laborator, însă provocarea esențială va fi transformarea promisiunii optice într-un produs durabil și economic viabil. Îmbunătățirile în eficiența la nivel de modul și stabilitatea pe termen lung vor determina dacă aceasta devine o soluție mainstream integrată în clădiri."
Această perspectivă reflectă consensul cercetătorilor din domeniul fotovoltaicelor integrate în clădiri: durabilitatea materialelor, costul producției și integrarea cu standardele existente pentru geamuri sunt la fel de importante ca cifrele de eficiență obținute în laborator.
Concluzie
Concentratorul solar de tip difractiv, incolor și unidirecțional (CUSC) dezvoltat de cercetătorii de la Universitatea Nanjing arată un drum promițător către ferestre cu adevărat transparente care generează energie. Folosind filme suprapuse din cristale lichide colesterice pentru a difracta selectiv lumina circular polarizată, acoperirea poate direcționa o parte a luminii solare către celule PV montate pe margine, în timp ce permite trecerea majorității luminii vizibile. Prototipele timpurii arată transparență optică utilă și o putere măsurabilă, dar eficiența actuală la nivel de dispozitiv (aproximativ 3,7%) și provocările de fabricație impun necesitatea unor cercetări materiale și dezvoltări inginerești suplimentare. Dacă aceste obstacole vor fi depășite, acoperirile solare transparente ar putea deveni o componentă semnificativă a energiei regenerabile integrate în clădiri, adăugând capacitate distribuită fără a altera estetica ferestrelor.
Sursa: sciencealert
Comentarii