По данным статистики, здания потребляют 40% от всего количества мирового потребления энергии. Конечно, ученые заинтересованы в разработке чистых зданий с нулевым потреблением энергии (NZEB) – сейчас эта цель является главным приоритетом для архитекторов-урбанистов и девелоперов в больших городах. Для достижения этой цели возможна интеграция светочувствительных фотоэлементов, вырабатывающих электроэнергию в оконные стекла. Существует такой метод получения электрической энергии, путём преобразования её из солнечной, называемый фотовольтаикой. Эта методика работает благодаря использованию фоточувствительного покрытия на различных поверхностях. Для ближайшего будущего, глобальная задача, чтобы разработать фасадное остекление, вырабатывающее достаточно электрической энергии, чтобы обеспечивать свои потребности, весьма интересна, хоть и представляет собой непростую задачу (исключением, пожалуй, являются окна и зенитные фонари, размещенные на крышах).

Глобальное исследование 2015 года показало, что из всех возрастных групп люди, рожденные в «нулевых» годах, так называемые миллениалы, охотнее остальных готовы платить за серьезные новые предложения, но 51 процент опрошенных бэби-бумеров также сказали, что будут доплачивать только в случае хорошего качества инновационного продукта. Из этого можно предположить, что многие люди этого поколения готовы платить более высокую цену не только за стабильный продукт, но и за продукт от компании, которая придерживается в своих товарах принципов экологичности и добросовестности.

Солнечная энергия является одним из основных источников природной энергии, отчасти потому, что она может быть включена практически в любую структуру (в отличие, скажем, от ветровых турбин) и является относительно доступной. Благодаря федеральному налоговому кредиту на солнечную энергию частные лица и предприятия, инвестирующие в системы солнечной энергии, могут вычесть до 30 процентов стоимости без ограничения общей стоимости установки. Это весьма выгодно для компаний, желающих получить доступную альтернативную энергию, которая экономит деньги и является основой бесперебойного питания

Несмотря на растущий спрос на солнечные панели, интерес к прозрачным солнечным стеклам еще не настолько явный. И все же, по мере популяризации этой новинки, она, со временем, станет доминирующей позицией в мире строительства и дизайна.

Технология прозрачных солнечных окон

Ученые и исследователи сейчас работают над технологией прозрачных окон, способных генерировать электрическую энергию из солнечной. Но многообещающие разработки пока продаются в небольших количествах и еще не используются в массовом строительстве.

Основная проблема с прозрачным преобразованием солнечной энергии заключается в поддержании прозрачности без потери эффективности. Солнечные элементы, используемые на данный момент, в солнечных панелях, непрозрачны, что позволяет им захватывать свет, видимый человеческому глазу, и преобразовывать его в электроэнергию с коэффициентом полезного действия от 12 до 20 процентов. Вполне логично, что люди не хотят жить в зданиях, заполненных непрозрачными окнами, поэтому солнечные панели обычно устанавливаются на земле или на крышах зданий.

Поиски технологии для производства прозрачных солнечных элементов начались почти 10 лет назад, и с тех пор исследователи из Массачусетского технологического института, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Университета штата Мичиган и нескольких других учреждений добились неплохих результатов. Стало возможным сделать прозрачный солнечный элемент, который собирает энергию из инфракрасного и ультрафиолетового спектра солнечного света, который люди не могут видеть.

Поскольку эти новые солнечные элементы поглощают только невидимое нами излучение, окно может оставаться при этом прозрачным. Хотя это, несомненно, огромный шаг к использованию энергетических окон в каждом новом доме, технология пока, увы, не жизнеспособна. Это всё потому, что, к сожалению, прозрачные солнечные окна имеют коэффициент эффективности только от 1 до 3 процентов.

И пока такие солнечные преобразователи в виде окон не в выигрышном положении, по отношению к стандартным солнечным панелям — у них мало шансов завоевать рынок. Но прогресс не стоит на месте и в ближайшем будущем стоить ожидать глобального прорыва в этой области.

Многообещающие шаги

На первый взгляд сбор энергии солнечного света и поддержание полной прозрачности кажутся несовместимыми. Фотогальваника использует окружающий свет на тех же частотах, что и человеческий глаз, а попытки повышения эффективности солнечных панелей противоречат их прозрачности.

За последние десять лет исследователи в Массачусетском технологическом институте, Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, Университете штата Мичиган и некоторых других учреждениях, в том числе в Техническом университете Делфта, достигли ощутимого прогресса в совмещении обеих целей.

На данный момент наиболее перспективной технологией являются люминесцентные солнечные концентраторы — они позволяют выполнять обе задачи: собирать электроэнергию, при этом сохраняя прозрачность.

Эти стёкла-концентраторы улавливают как рассеянное, так и прямое солнечное излучение. Свет проникает в так называемый волновод, полимерную или стеклянную оптическую пластину или тонкую пленку, покрытую люминесцентными материалами. Внутри волновода свет отражается на узкие полоски фотоэлектрических элементов, которыми он поглощается и превращается в электричество. Сами фотоэлементы либо спорадически встраиваются в пластину, либо располагаются на торцах удерживающей стекло пластины.

Эффективность процесса во многом зависит от хромофоров, частиц люминесцентного покрытия, которые должны улавливать как можно больше света. В то же время этим частицам необходимо изменить длину волны света, чтобы другие частицы не поглощали свет снова на пути к фотоэлектрическим элементам на периметре рамы окна. В настоящее время эффективность этого процесса снижается за счет прозрачности окна. Другими словами, чем больше электричества собрано, тем менее прозрачным является окно. Тем не менее, результаты уже успешно монетизируются.

Окна как солнечные панели

Есть несколько весьма многообещающих технологических стартапов, которые надеются стать доминирующими в популяризации на рынке солнечно-накопительных прозрачных окон. Некоторые из этих новаторских разработок все еще находятся в стадии подготовки или предпродажной подготовки и надеются получить полностью прозрачное оконное стекло, которое, тем не менее, будет преобразовывать солнечную энергию, в то время как другие предлагают кардинально противоположные решения — обойти проблему прозрачности благодаря продуманному дизайну.

Разработки компании Brite

Для самообеспечения электроэнергией тепличного сельского хозяйства компания Brite разработала солнечные стеклопакеты под торговой маркой Brite Solar, в которых чередуются прозрачные элементы и частично-прозрачные солнечные панели. Смешивая использование традиционной (частично непрозрачной) технологии солнечных батарей с прозрачным стеклом, достигается промежуточный эффект с неплохим коэффициентом. И хотя он может быть недостаточно хорош для домов или отелей, сельскохозяйственной промышленностью он был принят на ура.

Onyx Solar

Onyx Solar — это крупная испанская компания, которая разрабатывает и производит энергосберегающие стеклопакеты для строительства и модернизации. Они предлагают полностью стеклянные панели с потрясающим дизайном, с определенными цветами, формой и прозрачностью. Разные степени прозрачности и цвета применяются для разных степеней сбора электроэнергии. Например, самые прозрачные панели (XL Vision) сочетают прозрачность в 30% с пиковой мощностью 28 Вт на квадратный метр. Это, по эффективности, примерно 25% от производимых сейчас лучших по показателям «обычных» тонкопленочных солнечных панелей.

Многофункциональные свойства стекла PV превосходят свойства обычного стекла.

Фотоэлектрическое стекло Onyx Solar может быть изготовлено для оптимизации его работы в различных климатических условиях. Солнечный фактор, также известный как «g-значение» или SHGC, является важнейшим фактором для достижения теплового комфорта в любом здании.

Стекло ThinFilm от компании Onyx обладает солнечно-эффективным фактором от 10% до 40%, что делает его идеальным кандидатом для контроля и поддержания температуры внутри помещения. Фотоэлектрическое стекло из аморфного кремния может адаптироваться к потребностям каждого проекта. Компания предлагает широкий ассортимент цветов и производит самое большое на рынке фотоэлектрическое стекло размерами до 8 квадратных метров (4х2 метра).

Аморфное кремниевое стекло также является идеальным материалом для использования, поскольку оно способствует попаданию в помещение большего количества естественного освещения. Его фильтрующие свойства также подчеркиваются тем, что могут поглощать как вредное ультрафиолетовое излучение, так и инфракрасное излучение, что улучшает его теплоизоляцию в жаркое время.

Physee

Physee — стартап из Делфтского технического университета в Нидерландах. Во время Всемирного экономического форума 2017 года компанию называли «пионером технологий», благодаря его флагманскому продукту — Power Window, который превосходит прозрачность окон Onyx, но имеет меньшую мощность производства электроэнергии: 8-10 Вт/м2. Компания размещает на волноводе тулий, редкоземельный металл, вместе с полоской фотоэлемента, прикрепленной к торцевой кромке стекла. В настоящее время несколько десятков компаний уже внедряют Power Windows, что является дополнительной поддержкой для развития этой амбициозной технологии.

Ожидается ли прорыв?

Пару лет назад команда под руководством Ричарда Ланта из Мичиганского государственного университета придерживалась другого подхода. Принцип, лежащий в его основе, напоминает принцип, рассмотренный выше. Концентратор также представляет собой тонкий слой материала, который можно разместить на окнах, экранах телефонов или на любой плоской прозрачной поверхности. Его толщина составляет менее одной тысячной миллиметра, и он практически неотличим от самого стекла. Этот слой захватывает фотоны ультрафиолетового и инфракрасного света, позволяя проходить фотонам видимого света. По этой причине результат комбинации этих материалов выглядит исключительно прозрачным для человеческого глаза. Эта технология называется ClearView Power.

Повсеместная энергия

Стремясь коммерциализировать прозрачные стёкла с солнечно-преобразовательными технологиями, Ричард Лант основал компанию Ubiquitous Energy, которая в настоящее время находится на экспериментальной стадии. В настоящее время компания достигла уже 90-процентной прозрачности оконного стекла, которое способно улавливать и преобразовывать солнечную энергию в электричество. Компания объявила, что вполне возможно получить порядка 50 Ватт с каждого квадратного метра такого стекла.

Результат изобретения фотоэлектрических систем (BIPV) в настоящее время не слишком впечатляющий, особенно, если речь идет о квартирах и офисах, где требуется высокая степень прозрачности фасадного остекления. Тем не менее, принимая во внимание прогресс и новые наработки, достигнутые за последние десять лет, явно стоит ожидать прорыва в этой области в ближайшем будущем.

Пока ведущие мировые производители умного стекла внедряют свои инновационные разработки в жизнь, обычным обывателям приходится самим думать об утеплении своих балконов и лоджий в новостройках. Не секрет, что фасадное остекление в них холодное. Наша компания с 1999г. занимается остеклением любой сложности, в том числе заменой холодного фасадного остекления на теплое.

Если вы задумались о замене, ремонте окон или утеплении лоджии (балкона), то наши специалисты могут бесплатно проконсультировать вас, подобрав оптимальный вариант, учитывая конструктивные особенности дома и требования управляющих компаний в вашем ЖК.