Hamarosan az ablakod is energiát fog termelni

Képzeljünk el egy nagyvárost, ahol a felhőkarcolók titkon energiát gyűjtenek a fény nem látható spektrumaiból, miközben az ott dolgozóknak tiszta kilátást és tiszta energiát biztosítanak.

A tetőkön elhelyezett, vagy az épületekbe integrált napelemek nagy előnye, hogy a felhasználás helyén termelik meg az energiát, miközben nincs szükségük külön földterületre. Vannak azonban olyan épületrészek, sőt egész épületek, amelyek esetében eddig nem merült fel komolyan, hogy bevonhatóak lennének az energiatermelésbe. Az ablakok célja ugyanis a fény áteresztése, a napelemek azonban elnyelik a fényt, ezért a csupa üveg irodaépületek, bevásárlóközpontok, és üvegházak egyelőre fehér foltot jelentenek a napelemtelepítések térképén.

A mérnökök fantáziáját azonban mindig is megmozgatta ez a probléma, ám a napelemes üvegek készítése kompromisszummal jár: a hatékonyságot csak a fényáteresztés rovására lehet növelni, és fordítva. Ha értelmezhető mennyiségű energiát akarunk termelni, akkor az üveg túl sötét lesz ablaknak, ha viszont valódi ablakként funkcionál, akkor nagyon alacsony lesz a hatékonysága.

Az ausztrál Clearvue egy olyan napelemes ablakot fejlesztett ki, amely ezt az ellentmondást igyekszik feloldani, amennyire csak lehetséges. A megoldásuk lényege, hogy az üveg a látható fényt átereszti, miközben az emberi szem számára nem érzékelhető ibolyántúli és infravörös fény energiáját hasznosítja.

Ezért jó választás a perovszkit a tandem napelemekben

Mint arról egy korábbi cikkünkben is írtunk már, a bolygónkat elérő napfény 42%-a esik a látható spektrumba, 5%-a magas energiájú ultraibolya, 53%-a pedig infravörös fény. A belső terek megvilágításához vagy a fotoszintézishez csak a 380 nm és 780 nm közötti hullámhosszúságú látható fényre van szükségünk, az ezen kívül eső spektrumok így szabad prédát jelentenek a napelemek számára.

A Clearvue termékei több rétegnyi üvegből állnak, ami a zaj- és hőszigetelés szempontjából is előnyös, de extra védelmet biztosítanak a napelemcellák számára is, melyek az ablak szélein, a keret mentén kapnak helyet egy vékony sáv formájában. Az üvegtáblák felszíneit olyan nano- és mikrokristályokból álló rétegekkel vonják be, amelyek a látható fény legnagyobb részét, 70%-át átengedik, az infravörös fényt azonban elvezetik a napelemes cellákig, az UV-fényt pedig átalakítják infravörös fénnyé, mielőtt azt is elvezetnék a szélek felé. Ez utóbbira azért van szükség, mert a szilíciumkristályos napelemek nem képesek az UV-fényt hasznosítani, a közeli infravörös fényt azonban magas hatásfok mellett konvertálják villamos energiává.

„Az igazán jó minőségű nanorészecskék előállítása és a szintetikus eljárások nagyfokú kontrollálhatósága viszonylag új keletű fejlemény” – mondta el Nick Kirkwood a vállalattal együttműködő ARC Centre of Excellence in Exciton Science kutatója a PV-Magazine-nak.

A nanorészecskék feladata, hogy elnyeljék a napfényt, majd az ablakon belül más hullámhosszon újra kisugározzák azt. Ennek a folyamatnak a hatásfokát „kvantumhozamnak” nevezik. Ez a nanorészecskék által kibocsátott fotonok százalékos arányát jelenti ahhoz képest, hogy mennyit nyelnek el – minél magasabb a szám, annál többet bocsátanak ki.

Az ARC Centre kutatóinak sikerült elérniük, hogy a nanorészecskék 80%-os kvantumhozamot érjenek el, de ez a szám skálázáskor 60%-ra csökken.

A nanorészecskék másik feladata az, hogy az elnyelt fényt más hullámhosszon, úgynevezett „stokes-eltolódásként” újra kibocsátsák. Minél nagyobb a stokes-eltolódás, annál jobb. Ha túl kicsi, egy szomszédos részecske újból elnyeli a fotont, de ha elég nagy, akkor az összes többi nanorészecske figyelmen kívül hagyja, így a fény képes akadálytalanul haladni. A kutatóknak a stokes-eltolódás mértékének hangolásában is sikerült jelentős előrelépéseket elérniük.

A nap újra kisugárzott fényét ezután az ablak széléhez vezetik, melynek során a fotonok oda-vissza pattognak két réteg között – feltéve, hogy a megfelelő szögben sugározták ki őket.

A fény visszasugárzásának szöge mindig véletlenszerű, tehát van rá esély, hogy csak úgy visszamegy egyenesen oda, ahonnan jött. Általában az ablakba érkező fény körülbelül 25%-a veszik el így.

„Ez az egyik kihívás, amivel dolgoznunk kell” – mondta Kirkwood.

Bár azt még senki sem találta ki, hogyan lehetne kivonni a káoszt az univerzumból, a kutatók azt vizsgálták, milyen hatással van a nanorészecskék alakjának megváltoztatása, és hogyan befolyásolja ez a fény újrakibocsátási szögét. Arra jutottak, hogy ha olyan nanorészecskét használnak, amely nem gömb, hanem rúd alakú, akkor jobban irányítható, hogy a fény merre menjen.

Ezt a tudást még nem építették be ClearVue termékébe, mivel egyelőre nem sikerült átlátszóvá tenniük a rúd alakú nanorészecskéket. De ez minden bizonnyal lehetséges, és így a nagyobb hatékonyság is elérhetővé válik.

A ClearVue napelemes ablakának első generációja összességében 3,3%-os hatásfokkal rendelkezik, ami azt jelenti, hogy négyzetméterenként körülbelül 30-33 wattos csúcsteljesítményre képes, a következő generáció azonban már négyzetméterenként 40 W-ot ígér.

Az elmúlt két évben az első generációs panelek valós körülmények között történő tesztelése is lezajlott.

A nyugat-ausztráliai Murdoch Egyetem 2021-ben építette fel a 300 m² alapterületű kísérleti üvegházát, amelyhez 202 négyzetméternyi napelemes üvegtáblát használtak fel. A ClearVue moduljait az épület tetejébe, illetve az északi és a nyugati falába integrálták, a teljes rendszer névleges összkapacitása végül 6,1 kWp lett.

Az üvegházat 4 teremre osztották, amelyek közül az első nem kapott napelemes ablakokat, hogy referenciaként tudjon szolgálni a kísérlet során. Forrás: Mikhail Vasiliev – Field Performance Monitoring of Energy-Generating High-Transparency Agrivoltaic Glass Windows

A két évig zajló mérések eredményeiről készült tanulmány szerint a napelemek a legjobb napokon akár 19 kWh-t is termeltek – egy a helyszín közelében található, referenciaként használt 6,6 kW-os, ideálisan tájolt, tetőre szerelt rendszer esetében a csúcstermelés körülbelül 40 kWh volt. A rosszabb napokon ennél kisebb volt az eltérés, esős időben pedig még arra is akadt példa, hogy az üvegház termelt több energiát.

A napelemes üvegek alacsonyabb hozamát főként a nem optimális orientáció, a szennyeződések, a szélsőségesebb hőingadozás és az alacsonyabb elhelyezésből eredő részleges árnyékolás okozta.

A rendszer mindezek ellenére is képes volt 40%-kal csökkenteni az üvegház helyiségeinek éves energiafelhasználását, ezzel a technológia a terepen is bizonyította működőképességét.

Az üvegház egyes termeinek kumulált áramfelhasználása egy közel egyéves időszak alatt. A kék színnel jelölt 1-es terem esetében nem alkalmaztak napelemes üvegeket. A referenciául szolgáló helyiséghez képest a másik három terem energiafogyasztása közel 40%-kal alacsonyabb volt. Forrás: Mikhail Vasiliev – Field Performance Monitoring of Energy-Generating High-Transparency Agrivoltaic Glass Windows

Egy bevásárlóközpont átriumában installált 18 modulból álló rendszer adatai alapján a ClearVue úgy kalkulál, hogy a helyi klimatikus viszonyok mellett egy 1000 négyzetméteres üvegfelület évi 20 ezer kWh villamos energiát képes megtermelni.

Ahhoz azonban, hogy a koncepció pénzügyileg is életképes legyen, alacsony költségekre van szükség.

A ClearVue honlapja szerint termékük négyzetméterenként körülbelül 600 ausztrál (400 amerikai) dollárba kerül. A hagyományos 3 rétegű ablaküvegek ennek a felébe kerülnek a hazai piacon, Amerikában azonban ennél jóval kisebb lenne a napelemek felára – már ha egyáltalán a 3 rétegű ablak a referencia, hiszen annak alkalmazása nem mindenhol indokolt. A megtérülés természetesen nagyban függ az energia árától, az éghajlattól és az alternetívák költségeitől, ezért régiónként és konkrét helyszínenként nagyon eltérő lehet a matek.

Egy tavaly nyélbe ütött kaliforniai üvegházas projekt esetében például három és fél éves megtérüléssel számoltak a felek, ami egy nagyon kedvező érték, más esetekben viszont ez az időtartam jóval hosszabb lehet, vagy soha nem térülne meg.

A ClearVue brosúrája szerint elérhető energiamegtakarítás egy amerikai irodaház esetében.

Ne feledjük azonban, hogy egy korai szakaszban lévő technológiáról van szó, amely generációról generációra egyre hatékonyabb és olcsóbb lesz, így a piaci lehetőségei is egyre nagyobbak lesznek. Nekem régi vesszőparipám, hogy idővel a legtöbb, a nap fényének kitett mesterséges felület energiát fog termelni. Ezen a téren nyilvánvalóan az ablakok jelentik a legkeményebb diót, de technikailag már ez is megoldható.

A ClearVue néhány héttel ezelőtt kapta meg az első nagyobb megrendelését: egy Melbourne-ben épülő hatemeletes irodaházban fogják felhasználni a második generációs napelemes ablakaikat.

dr. Papp László (Sol Invictus)

Technológiai elemző, és a Villanyautosok.hu csapatának megújuló energiákkal, energiatárolással, illetve piaci trendekkel foglalkozó szakértője. Célja, hogy minél többek számára tegye egyértelművé, hogy a fenntartható jövő gazdaságilag is a legracionálisabb választás.