Солнечные окна — прозрачные солнечные концентраторы

Группой исследователей из Университета штата Мичиган, под руководством Ричарда Лунта, разработан уникальный солнечный концентратор, способный преобразовывать в электричество лишь ультрафиолетовую, не воспринимаемую человеческим глазом, часть солнечного спектра. Материал прозрачен для видимого света, а это значит, что такие прозрачные солнечные панели можно легко вставлять вместо оконного стекла, при этом окно будет смотреться совершенно привычно, словно в нем обычное стекло, но попутно будет вырабатываться электричество. Разработка получила название «прозрачный люминесцентный солнечный концентратор».

Уже широко известны окрашенные люминесцентные солнечные концентраторы, в которых часть спектра падающего на концентратор излучения поглощается в окрашенном верхнем слое, затем переизлучается с большей длиной волны. Потом через второй, прозрачный слой, излучение направляется к боковой грани концентратора, где расположена линейка фотодиодов, преобразующих излучение в электрическое напряжение.

Когда прямой солнечный свет падает на верхний слой концентратора, он имеет определенное направление. Но когда происходит переизлучение, после того, как солнечный свет поглощен, лучи света уже имеют разные направления. Получается, что в разных направлениях излучается примерно одинаковое количество света.

Если угол падения переизлученных лучей на границе стекло-воздух больше определенного значения, то отражение происходит обратно внутрь стекла, затем лучи падают на противоположную границу, там снова отражаются под тем же углом, и так через несколько отражений в конце концов, луч попадает на боковую грань концентратора. На боковой грани расположена линейка фотодиодов , которая преобразует энергию лучей в электричество.

По причине того, что переизлучение света происходит равномерно во все стороны, большая его часть, почти 80%, падает на границы стекла под углом, который именно больше критического, и потому переносится к линейке фотодиодов на боковых гранях стекла.

Таким образом, солнечные концентраторы обладают следующими достоинствами:

• во-первых, в отличие от обычных солнечных панелей, где фотоэлектрические преобразователи покрывают всю поверхность, здесь преобразователи расположены на гранях, это снижает стоимость;

• во-вторых, в силу прозрачности, такой концентратор можно вставлять как обычное оконное стекло.

Но есть и недостатки, первый из которых заключается в низком КПД, ведь здесь он значительно ниже, чем у обычных солнечных панелей , а второй – в том, что свет, падающий в помещение не чистый, а слегка красноватый. Другими словами, обычный прозрачный солнечный концентратор является все же «цветным», а не прозрачным.

Второй то недостаток и удалось устранить исследователям из Университета штата Мичиган. Ученые изготовили верхний слой из органических молекул, обладающих особым свойством. Они поглощают не только ультрафиолетовую, но и часть инфракрасного спектра, переизлучая затем ее в инфракрасный же свет, но уже с другой длиной волны.

В результате, учеными получен совершенно по-новому работающий концентратор, который не поглощает и не излучает в видимом диапазоне спектра, то есть воспринимается человеческим глазом как обычное прозрачное стекло.

Полученные параметры позволяют широко внедрить данную технологию для различных применений. Это и оконные стекла зданий, в том числе и высотных, фасады которых могут быть полностью оснащены такими прозрачными панелями. Это и экраны различных мобильных устройств, таких как электронные книги, планшеты, смартфоны. Главная задача разработчиков в том, чтобы сделать солнечные концентраторы незаметными, как привычные стекла.

Ричард Лунт отмечает, что несмотря на первый шаг, впереди ещё очень много работы по совершенствованию, в первую очередь — улучшению эффективности нового концентратора. Сейчас достигнута эффективность преобразования солнечной энергии образцом в 1%, но разработчики говорят, что на данный момент их цель — повысить её до 5%. Эффективность же лучших из окрашенных люминесцентных солнечных преобразователей доходит до 7%.