Επιστήμονες ανέπτυξαν μια ολοκαίνουργια, διαφανή επίστρωση που μπορεί να εφαρμοστεί σε οποιοδήποτε συνηθισμένο παράθυρο, μετατρέποντάς το σε αποδοτικό ηλιακό πάνελ και διατηρώντας το ταυτόχρονα σχεδόν διάφανο.
Πρόκειται για έργο μιας ερευνητικής ομάδας από το Πανεπιστήμιο Nanjing στην Κίνα, η οποία έχει ήδη δημιουργήσει ένα μικρό λειτουργικό πρωτότυπο. Αν αυτή η τεχνολογία εφαρμοστεί σε όλα τα παράθυρα του κόσμου, θα μπορούσαμε να μιλάμε για παραγωγή πράσινης ενέργειας σε επίπεδα τεραβάτ (TW).
Η επίστρωση είναι γνωστή με την τεχνική ορολογία «άχρωμος και μονοκατευθυντικός διαθλαστικού τύπου ηλιακός συμπυκνωτής» (CUSC). Λειτουργεί κατευθύνοντας μέρος των φωτονίων του ηλιακού φωτός προς τις άκρες του παραθύρου, όπου τα τοποθετημένα φωτοβολταϊκά κύτταρα τα μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια, ενώ το υπόλοιπο φως συνεχίζει να περνά μέσα από το τζάμι.
«Ο σχεδιασμός CUSC αποτελεί ένα βήμα προόδου στην ενσωμάτωση της ηλιακής τεχνολογίας στο δομημένο περιβάλλον χωρίς να θυσιάζεται η αισθητική», δηλώνει ο οπτικός μηχανικός Wei Hu. «Αντιπροσωπεύει μια πρακτική και επεκτάσιμη στρατηγική για μείωση του άνθρακα και ενεργειακή αυτάρκεια».
Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτή η νέα επίστρωση υπερτερεί των υφιστάμενων επιλογών όσον αφορά τη διαφάνεια, την επεκτασιμότητα και την απόδοση. Η επίστρωση επιτρέπει μέση ορατή διαπερατότητα 64,2% και δείκτη απόδοσης χρώματος 91,3%. Έτσι οδηγεί την παραγωγή ενέργειας χωρίς να αλλοιώνεται η εμφάνιση του παραθύρου.
Η λογική του ηλιακού πάνελ
Το υλικό κατασκευάζεται από χοληστερικούς υγρούς κρυστάλλους (CLCs), οι οποίοι διαθέτουν ιδιότητες που επιτρέπουν τις απαραίτητες αλληλεπιδράσεις με το φως καθώς αυτό τους διαπερνά. Με την τοποθέτηση διαφορετικών στρώσεων CLCs, η επίστρωση μπορεί να καλύψει ολόκληρο το φάσμα του φωτός.
Σημειώνεται ότι μόνο μία πόλωση του φωτός – δηλαδή ένας μόνος από τους πολλούς τρόπους με τους οποίους το φως κινείται ως κύμα – παγιδεύεται και διοχετεύεται για μετατροπή σε ενέργεια. Αυτό επιτρέπει στο παράθυρο να συνεχίζει να λειτουργεί ως παράθυρο.
«Με τον σχεδιασμό της δομής των φιλμ χοληστερικούς υγρούς κρυστάλλους, δημιουργούμε ένα σύστημα που διαθλά επιλεκτικά το κυκλικά πολωμένο φως, κατευθύνοντάς το στον γυάλινο αγωγό φωτός σε απότομες γωνίες», εξηγεί ο Dewei Zhang.
Αυτό που περιγράφει ο Dewei Zhang είναι το εξής με απλά λόγια: Φανταστείτε ότι έχουν φτιάξει ένα ειδικό φιλμ (σαν ένα πολύ λεπτό πλαστικό) από ένα υλικό που λέγεται χοληστερικός υγρός κρύσταλλος. Αυτό το φιλμ λειτουργεί σαν ένας “φύλακας” του φωτός. Όταν το φως το συναντά, το φιλμ διαλέγει μόνο ένα συγκεκριμένο είδος φωτός (το “κυκλικά πολωμένο”) και το κατευθύνει. Αυτό το φως στη συνέχεια «μπαίνει» μέσα σε ένα κομμάτι γυαλιού (τον κυματοδηγό) και ταξιδεύει μέσα του. Το σημαντικό είναι ότι το φιλμ το κατευθύνει με τέτοιο τρόπο ώστε το φως να μπαίνει με μια απότομη γωνία, κάτι που βοηθάει στην καλύτερη συλλογή του, ειδικά από τον ήλιο.
Οι δοκιμές με πράσινο λέιζερ
Σε δοκιμές με πράσινο λέιζερ – το χρώμα στο οποίο το ανθρώπινο μάτι είναι πιο ευαίσθητο – καταγράφηκε ότι το 38,1% της διαθέσιμης ενέργειας παγιδεύτηκε και μετατράπηκε σε ηλεκτρική ενέργεια, κάτι που αποτελεί υψηλό πιθανό μέγιστο για την τεχνολογία. Σε δοκιμές με πιο ρεαλιστικές συνθήκες και με ολόκληρο το φάσμα φωτός, η συνολική απόδοση ήταν 18,1%.
Οι ερευνητές έχουν ήδη καταφέρει να αναπτύξουν ένα πρωτότυπο 2.54 εκατοστών, χρησιμοποιώντας την επίστρωση, το οποίο συλλέγει αρκετή ενέργεια για να τροφοδοτήσει έναν μικρό ανεμιστήρα. Εάν αυτό επεκταθεί σε ένα παράθυρο πλήρους μεγέθους, θα μπορούσε να παραχθεί σημαντική ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας.
Δεδομένου ότι η επίστρωση μπορεί να εφαρμοστεί σε κανονικά παράθυρα χωρίς μεγάλες τροποποιήσεις, η ομάδα είναι αισιόδοξη ότι μπορεί να καταστεί εμπορικά βιώσιμη, αν και πρέπει ακόμη, να γίνει αρκετή δουλειά.
Οι ερευνητές σημειώνουν ότι μπορούν να γίνουν βελτιώσεις για τη σταθερότητα και την κατασκευή της επίστρωσης, ενώ χρειάζεται επίσης αύξηση της απόδοσης μετατροπής ενέργειας, δηλαδή του ποσοστού της ηλιακής ενέργειας που φτάνει και μετατρέπεται σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Προς το παρόν, αυτό το ποσοστό είναι σχετικά χαμηλό, στο 3,7%.
«Για την αναβάθμιση της παραγωγής, πρέπει να ληφθούν υπόψη διάφορες βελτιώσεις στα υλικά και στις διαδικασίες», γράφουν οι ερευνητές στην δημοσιευμένη εργασία τους.
