Το Solar Glass, ένα καινοτόμο προϊόν που συνδυάζει τη φωτοβολταϊκή τεχνολογία με τα δομικά υλικά, έχει διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο στην παγκόσμια ενεργειακή μετάβαση και την οικοδόμηση - ενσωματωμένες τάσεις φωτοβολταϊκών (BIPV) τα τελευταία χρόνια. Η βασική του λειτουργία είναι να διατηρεί το φως - μετάδοση και θερμότητα - μονωτικές ιδιότητες του παραδοσιακού γυαλιού, απορροφώντας την ηλιακή ακτινοβολία και μετατρέποντας την σε ηλεκτρική ενέργεια, επιτυγχάνοντας έτσι την ενεργειακή μόνη- επάρκεια στην επιφάνεια του κτιρίου. Με τις συντονισμένες εξελίξεις στην επιστήμη των φωτοβολταϊκών υλικών, στο αρχιτεκτονικό σχεδιασμό και στις διαδικασίες παραγωγής, το ηλιακό γυαλί κινείται από το εργαστήριο σε μεγάλη εφαρμογή κλίμακας - και σταδιακά γίνεται βασική συνιστώσα σε χαμηλό- αστική ανάπτυξη άνθρακα.
Τεχνικές αρχές και ταξινόμηση
Το ηλιακό γυαλί ουσιαστικά ενσωματώνει ή ενσωματώνει φωτοβολταϊκά κύτταρα (όπως κρυσταλλικό πυρίτιο ή λεπτό - κύτταρα φιλμ) σε ένα γυάλινο υπόστρωμα, μετατρέποντας την φωτεινή ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω της φωτοβολταϊκής επίδρασης των υλικών ημιαγωγών. Με βάση την τεχνολογική πορεία και τη λειτουργική εστίαση, μπορεί να χωριστεί στις ακόλουθες τρεις κατηγορίες:
1. Κρυσταλλικό ηλιακό γυαλί πυριτίου
Με βάση τα παραδοσιακά μονοκρυσταλλικά/πολυκρυσταλλικά κύτταρα πυριτίου, τα κύτταρα ενθυλακώνονται ανάμεσα σε δύο στρώματα από γυαλί μέσω ενός γυαλιού (η κοινή δομή είναι το γυαλί - eva μεμβράνη - - eva ταινία-. Αυτός ο τύπος γυαλιού έχει υψηλή απόδοση μετατροπής (πάνω από 22% στο εργαστήριο και κατά μέσο όρο 18% -20% στη μαζική παραγωγή). Ωστόσο, λόγω της ακαμψίας των κυττάρων πυριτίου, απαιτεί συνήθως σταθερή εγκατάσταση και είναι κατάλληλη για επίπεδες επιφάνειες όπως στέγες και τοίχους κουρτίνας.
2. Λεπτό - ηλιακό γυαλί ταινίας
Με βάση το εύκαμπτο λεπτό - τεχνολογίες κυττάρων φιλμ, όπως το άμορφο πυρίτιο (a - SI), το κάδμιο telluride (CDTE) ή το σεληνόριο χαλκού ινδίου (CIGS), ένα στρώμα ημιαγωγού εναποτίθεται απευθείας στην επιφάνεια του γυαλιού για να σχηματίσει μια μονάδα παραγωγής ενέργειας. Τα λεπτό - κύτταρα φιλμ έχουν ισχυρή χαμηλή - απόκριση φωτός (παραγωγή ισχύος ακόμη και κάτω από συννεφιασμένο ή διάχυτο φως) και μπορεί να κατασκευαστεί σε ευέλικτες ή καμπύλες μορφές, καθιστώντας τα ιδανικά για ενσωμάτωση σε ασυνήθιστα σχηματισμένες προσόψεις κτιρίων ή φεγγίτες. Για παράδειγμα, η απόδοση μάζας παραγωγής του CDTE λεπτό - γυαλί φιλμ είναι περίπου 10%-13%, αλλά η τοξικότητα της πρώτης ύλης (κάδμιο) και τα θέματα ανακύκλωσης εξακολουθούν να απαιτούν τεχνική βελτιστοποίηση.
3. Διαφανές ηλιακό γυαλί
Ειδικά σχεδιασμένο για την κατασκευή απαιτήσεων ημέρας ημέρας, αυτός ο τύπος γυαλιού επιτυγχάνει την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας διατηρώντας παράλληλα τη διαίρεση ορατού φωτός (συνήθως 30%{{2} 60%) προσαρμόζοντας την κυτταρική πυκνότητα ή χρησιμοποιώντας τεχνολογίες χαμηλής σχέσης όπως η ευαισθητοποίηση χρωστικής. Αυτός ο τύπος γυαλιού χρησιμοποιείται ευρέως σε γραφεία, θερμοκήπια και δημόσιους χώρους που απαιτούν φυσικό φως, εξισορροπώντας την παραγωγή ενέργειας με εσωτερική άνεση.
Κατάσταση εφαρμογής και τυπικές μελέτες περιπτώσεων
Επί του παρόντος, η εφαρμογή του ηλιακού γυαλιού έχει επεκταθεί από πρώιμα πειραματικά έργα σε διάφορα σενάρια, όπως εμπορικά κτίρια, εγκαταστάσεις μεταφοράς και οικιστικά κτίρια. Η διείσδυσή της στην αγορά συνεχίζει να αυξάνεται με τη μείωση του κόστους και την υποστήριξη της πολιτικής.
Αρχιτεκτονική: Περιεκτική κάλυψη από τοίχους κουρτίνας έως στέγες
Στο High - Rise Buildings, οι τοίχοι της κουρτίνας ηλιακού γυαλιού είναι η πιο τυπική εφαρμογή. Για παράδειγμα, το έργο "Sustainable City" του Dubai χρησιμοποιεί μια μεγάλη έκταση καδμίου Telluride λεπτό - τοίχο από γυαλί κουρτίνας, δημιουργώντας αρκετή ηλεκτρική ενέργεια για να καλύψει πάνω από το 30% των ετήσιων αναγκών ηλεκτρικής ενέργειας του κτιρίου. Στην Κίνα, το ηλιακό γυαλί μονοκρυσταλλικού πυριτίου ενσωματώνεται σε ένα τμήμα της εξωτερικής πρόσοψης του πύργου της Σαγκάης, μειώνοντας τις εκπομπές άνθρακα κατά πάνω από 1.000 τόνους ετησίως. Στις οικιστικές εφαρμογές, τα φωτοβολταϊκά πλακάκια στον τελευταίο όροφο (μια εξειδικευμένη μορφή ηλιακού γυαλιού) αντικαθιστούν σταδιακά τα παραδοσιακά υλικά ασφάλτου και γίνονται ένα τυποποιημένο χαρακτηριστικό σε υψηλά σπίτια -.
Μεταφορές και υποδομή: κόμβοι σε ένα δυναμικό δίκτυο ενέργειας
Το Solar Glass κερδίζει επίσης δημοτικότητα σε οπίσθια γέφυρα, στέγες στάσης λεωφορείων και φραγμούς θορύβου αυτοκινητοδρόμων. Για παράδειγμα, το "ηλιακό ποδήλατο" της Ολλανδίας χρησιμοποιεί κρυσταλλικά κύτταρα πυριτίου που εγκλωβίζονται σε γυαλί, παρέχοντας τόσο πρόσβαση όσο και ισχύ για τα περιβάλλοντα φωτιστικά του δρόμου. Μέρη των τοίχων ηχομονωτικών τοίχων στο Πεκίνο της Κίνας - Xiong'an Expressway είναι ενσωματωμένα με ημιδιαφανές ηλιακό γυαλί, δημιουργώντας αρκετή ηλεκτρική ενέργεια ετησίως για την τροφοδοσία χιλιάδων νοικοκυριών.
Βιομηχανικές εφαρμογές: Συμπλήρωμα της κατανεμημένης ενέργειας
Σε εργοστασιακούς φεγγίτες ή στέγες θερμοκηπίου, το ηλιακό γυαλί μπορεί να μετατρέψει αχρησιμοποίητους κατακόρυφους και κεκλιμένους χώρους σε μικροσκοπικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής. Για παράδειγμα, το έξυπνο θερμοκήπιο της εταιρείας γεωργικής τεχνολογίας χρησιμοποιεί το CIGS Thin - ηλιακό γυαλί ταινιών, το οποίο όχι μόνο παρέχει το βέλτιστο φως για τις καλλιέργειες, αλλά και εξουσιοδότηση εξοπλισμού ελέγχου θερμοκρασίας και άρδευσης, μειώνοντας το συνολικό ενεργειακό κόστος κατά περίπου 25%.
Προκλήσεις και τεχνικά σημεία συμφόρησης
Παρά τις πολλά υποσχόμενες προοπτικές εφαρμογής του ηλιακού γυαλιού, η μεγάλη ανάπτυξη της κλίμακας του - εξακολουθεί να αντιμετωπίζει πολλαπλές προκλήσεις:
• Η αποδοτικότητα και το κόστος εξισορρόπησης: Η απόδοση μετατροπής του τρέχοντος ηλιακού γυαλιού παραμένει χαμηλότερη από αυτή των παραδοσιακών κεντρικών φωτοβολταϊκών μονάδων (η εργαστηριακή αποτελεσματικότητα του τελευταίου έχει ξεπεράσει το 26%). Η υψηλή απαίτηση μετάδοσης περιορίζει περαιτέρω την κυτταρική πυκνότητα, με αποτέλεσμα την παραγωγή χαμηλής ενέργειας ανά περιοχή μονάδας. Επιπλέον, η αντίσταση καιρού και η μακρά - όρος σταθερότητα των υλικών ενθυλάκωσης (όπως η ταινία EVA) επηρεάζουν άμεσα τη διάρκεια ζωής του προϊόντος (που απευθύνονται σε πάνω από 25 χρόνια) και οι σχετικές τεχνολογίες απαιτούν ακόμα επαλήθευση.
• Συμβατότητα με τους κανονισμούς οικοδόμησης: Ως οικοδομικό υλικό, το ηλιακό γυαλί πρέπει να πληροί αυστηρά πρότυπα για πυροπροστασία (π.χ. αντίσταση πυρκαγιάς μεγαλύτερη ή ίση με 1 ώρα), αντίσταση στην πίεση του ανέμου (μεγαλύτερη ή ίση με 1,5 kPa), αντίσταση σεισμού και ηλεκτρική ασφάλεια (αντίσταση μόνωσης> 100 MΩ). Ορισμένες χώρες δεν έχουν ακόμη εκδώσει συγκεκριμένους κανονισμούς για τις ενότητες BIPV, με αποτέλεσμα τους κύκλους επέκτασης της έγκρισης έργου.
• Ανακύκλωση και περιβαλλοντικά ζητήματα: Τα υλικά ενθυλάκωσης που περιέχουν βαριά μέταλλα (όπως το κάδμιο στο κάδμιο Telluride) ή που είναι δύσκολο να υποβαθμιστούν μπορεί να δημιουργήσουν περιβαλλοντικούς κινδύνους. Επομένως, πρέπει να δημιουργηθεί ένα πλήρες σύστημα ανακύκλωσης κύκλου ζωής - για παράδειγμα, εξάγοντας τα γυάλινα και μεταλλικά εξαρτήματα μέσω των φυσικών τεχνικών διαχωρισμού ή με την ανάπτυξη του καδμίου - ελεύθερη λεπτή {{3} μπαταρίες φιλμ (όπως οι perovskite batteries, αλλά η σταθερότητα τους είναι ανύπαρκτες).
Προοπτικές και τάσεις ανάπτυξης
Με την πρόοδο των παγκόσμιων στόχων "διπλού άνθρακα", το ηλιακό γυαλί θα προχωρήσει σε ένα νέο γύρο τεχνολογικής καινοτομίας και επέκτασης της αγοράς.
Τεχνική κατεύθυνση: Αποδοτικότητα και πολυλειτουργική ολοκλήρωση
Στο μέλλον, η εμπορευματοποίηση των ηλιακών κυττάρων Perovskite (η θεωρητική αποτελεσματικότητα υπερβαίνει το 30%, με το τρέχον υψηλότερο εργαστηριακό αποτέλεσμα 25,7%) και τα διαδοχικά κύτταρα (όπως οι δομές διαδοχικής δομής περοβσκίτη/πυρίτιο)) αναμένεται να βελτιώσει σημαντικά την αποτελεσματικότητα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας του ηλιακού γυαλιού. Επιπλέον, η ενσωμάτωση της έξυπνης τεχνολογίας dimming (προσαρμογή της μετάδοσης μέσω ενός ηλεκτροχρωμικού στρώματος) και των λειτουργιών θερμικής διαχείρισης (ενσωματώνοντας τα υλικά αλλαγής φάσης για τη μείωση των φορτίων ψύξης κατασκευής) θα προωθήσει την αναβάθμιση του ηλιακού γυαλιού από την "μοναδική παραγωγή ενέργειας" σε "ολοκληρωμένη διαχείριση ενέργειας".
Οδηγοί αγοράς: διπλή κατάλυση της πολιτικής και της ζήτησης
Οι κυβερνητικές επιδοτήσεις για το BIPV (π.χ. το 14ο Πέντε - Έτος για την οικοδόμηση της ενεργειακής απόδοσης και την ανάπτυξη του πράσινου κτιρίου υποστηρίζουν ρητά την ολοκληρωμένη ανάπτυξη των ηλιακών κτιρίων), η ενίσχυση των προτύπων πιστοποίησης κτιρίων (π.χ. Ο Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας (IEA) προβλέπει ότι η παγκόσμια αγορά BIPV θα υπερβαίνει τα 100 δισεκατομμύρια δολάρια μέχρι το 2030, ενώ η ηλιακή γυάλινη αναμένεται να αντιπροσωπεύει πάνω από το 40% αυτού.
Σύναψη
Ως καινοτόμος crossover μεταξύ της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας και των οικοδομικών υλικών, το ηλιακό γυαλί όχι μόνο επαναφέρει την παραγωγή ενέργειας αλλά και ανασχηματίζει τη λειτουργικότητα και την οικολογική αξία των κτιρίων. Ενώ αντιμετωπίζουμε επί του παρόντος προκλήσεις στην αποδοτικότητα, το κόστος και τη συμμόρφωση με την κανονιστική ρύθμιση, με τη συντονισμένη βελτιστοποίηση της επιστήμης των υλικών, των διαδικασιών παραγωγής και του ρυθμιστικού περιβάλλοντος, είναι έτοιμο να διαδραματίσει αναντικατάστατο ρόλο στην παγκόσμια χαμηλή μετατροπή άνθρακα και να γίνει το κεντρικό όχημα για το "Power {2} που δημιουργεί το δέρμα" των μελλοντικών πόλεων.
