9 دقیقه
مقدمه
پژوهشگران دانشگاه نانجینگ یک لایهٔ سطحی شفاف ابداع کرده‌اند که میتوان آن را روی شیشهٔ معمولی پنجره‌ها قرار داد تا نور خورشید را جمعآوری و به سلولهای فوتوولتائیک نصب‌شده در لبه‌ها هدایت کند. این ماده که محققان آن را «متمرکزکنندهٔ خورشیدی از نوع پراش‌دهندهٔ یکنواخت و بی‌رنگ» یا به‌اختصار CUSC نامیده‌اند، شفافیت بصری پنجره‌ها را حفظ میکند و همزمان بخشی از نور ورودی را به‌گونه‌ای هدایت میکند که قابل تبدیل به برق باشد.
تیم تحقیقاتی یک نمونهٔ کاربردی کوچک ساخته و نتایج را در مجلهٔ PhotoniX منتشر کرده‌اند. اگر این پوشش را بتوان به‌صرفه تولید و مقیاسپذیر کرد، میتوان شیشههای موجود ساختمان‌ها را بازتجهیز یا در پنجرههای جدید به‌کار برد تا ظرفیت تولید انرژی تجدیدپذیر توزیعشده در محیط‌های شهری افزایش یابد. این رویکرد میتواند به توسعهٔ اجزای فتوولتائیکِ یکپارچه با ساختمان (BIPV) و هدف‌های کاهش کربن کمک کند.
چگونه پوشش شفاف خورشیدی (CUSC) کار میکند: کریستال‌های مایع کولستریک و هدایت انتخابی نور
هستهٔ عملکرد این پوشش را کریستال‌های مایع کولستریک (cholesteric liquid crystals یا CLCs) تشکیل می‌دهند؛ دسته‌ای از مواد با ساختار مارپیچی مهندسی‌شده که با نور در طول موج‌ها و حالات پلاریزاسیون مختلف تعامل دارند. با قرار دادن چند لایهٔ CLC که هر یک برای ناحیه‌های مختلف طیف خورشید تنظیم شده‌اند، پوشش میتواند گسترهٔ وسیعی از طول موج‌های مرئی را پوشش دهد و در عین حال شفافیت بصری حفظ شود.
پراش انتخابی براساس پلاریزاسیون
ویژگی کلیدی طراحی این است که CUSC تنها یک پلاریزاسیون چرخشی خاص از نور را پراش می‌دهد. یعنی فقط فوتون‌هایی با حالت پلاریزاسیون مدور مشخص بهصورت جانبی داخل شیشه هدایت می‌شوند و در آنجا با بازتاب کلی داخلی (total internal reflection) به سمت سلولهای PV نصب‌شده در لبه‌ها هدایت می‌گردند. نور با پلاریزاسیون دیگر عمدتاً از پنجره عبور میکند و عملکرد معمول پنجره و تأمین نور روز را حفظ میکند.
مهندس اپتیک Dewei Zhang، از نویسندگان مقاله، توضیح می‌دهد که با مهندسی ساختار داخلی فیلمهای CLC تیم میتواند «پلاریزاسیون نور مدور را بهصورت انتخابی پراش دهد و آن را با زوایای تند به داخل موجبر شیشه‌ای هدایت کند.» این اثر موجبری نور را بر روی سلولهای لبه متمرکز میکند بدون اینکه رنگ‌آمیزی شدیدی ایجاد شود.
نویسندگان دستگاه نهایی را «متمرکزکنندهٔ خورشیدی از نوع پراش‌دهندهٔ یکنواخت و بی‌رنگ» یا CUSC می‌نامند، عبارتی که هم بی‌رنگ بودن بصری و هم رفتار هدایت یک‌طرفهٔ نور به‌سوی سخت‌افزار تبدیل انرژی را نشان می‌دهد.
شاخص‌های عملکرد، نمونه‌های اولیه و محدودیت‌ها
در آزمایشگاه، این پوشش عملکرد اپتیکی امیدوارکننده‌ای نشان داد: 64.2 درصد از نور مرئی را منتقل میکند و 91.3 درصد دقت رنگ را حفظ میکند؛ معیارهایی که برای راحتی کاربران در فضای داخلی ساختمان اهمیت دارند. با استفاده از لیزر سبز—که به‌دلیل حساسیت بالای چشم انسان در آن ناحیه انتخاب شد—دستگاه 38.1 درصد از انرژی تابشی را جمعآوری و تبدیل کرد که نشان‌دهندهٔ بازده نظری بالای جمعآوری در شرایط ایده‌آل است. در آزمایش‌های گسترده‌تر با نور چندطیفی که شبیه روشنایی خورشیدی واقعی است، محققان بازدهٔ جمعآوری اپتیکی 18.1 درصد را گزارش کردند.
تیم یک پنل نمونهٔ 1 اینچی پوشش‌داده‌شده با CUSC ساخت که توان کافی برای راه‌اندازی یک پنکهٔ کوچک تولید کرد. با این حال، بازدهٔ کلی تبدیل توان فعلی—یعنی سهم انرژی خورشیدی ورودی که در مسیر کامل اپتیکی و زنجیرهٔ تبدیل PV به برق قابل استفاده تبدیل می‌شود—هنوز پایین و در حدود 3.7 درصد است. این عدد انعکاس‌دهندهٔ تلفات در هدایت نور، حمل‌ونقل موجبری و تبدیل در سلولهای PV نصب‌شده در لبه‌ها است.
مهندس اپتیک Wei Hu، از اعضای تیم تحقیق، می‌گوید: «طراحی CUSC گامی رو به جلو در ادغام فناوری خورشیدی با محیط ساخته‌شده بدون قربانی‌کردن زیبایی‌شناسی است.» او اضافه میکند که این رویکرد میتواند راهکاری عملی و مقیاسپذیر برای کاهش کربن و خودکفایی انرژی باشد. بااین‌حال، نویسندگان تأکید می‌کنند که بهبود پایداری، تکرارپذیری تولید و بازدهٔ تبدیل توان برای عرضهٔ تجاری ضروری خواهد بود.
چالشهای مقیاس‌پذیری و راه‌های بهبود
برای حرکت از نمونهٔ اولیه به محصولی آمادهٔ بازار، چندین موانع فنی و تولیدی باید مرتفع شوند. محققان نیاز به موارد زیر را برجسته کرده‌اند:
- افزایش کارایی تبدیل الکتریکی در سطح دستگاه از طریق بهینه‌سازی محل قرارگیری سلولهای PV لبه‌ای، کاهش تلفات در موجبر و بهبود پوشش طیفی لایههای CLCِ پشته‌شده.
- تقویت پایداری محیطی و مکانیکی فیلمهای کریستال مایع تا پوشش در مقابل تابش UV، سیکل‌های دما و نگهداری معمول برای شیشهٔ ساختمان مقاومت کند.
- توسعهٔ تکنیک‌های رسوب‌دهی یا لمیناسیون مقیاسپذیر که با شیشهٔ بزرگمساحت و فرایندهای ساخت پنجرهٔ موجود سازگار باشند تا اهداف هزینه و توان تولید برآورده شود.
«برای افزایش تولید، باید چندین بهبود در مواد و فرایندها در نظر گرفته شود،» تیم در مقالهٔ منتشرشده نوشته است و اشاره میکند که پذیرش صنعتی به تعادل بین عملکرد اپتیکی، دوام و هزینه بستگی خواهد داشت.
راهکارهای فنی برای بهبود بازده
تعدادی مسیر تحقیقاتی وجود دارد که میتواند به ارتقای بازده و قابلیت تجاریسازی CUSC منجر شود:
- طراحی بهتر موجبر داخل شیشه برای کاهش تلفات در طول حمل‌ونقل نور.
- همگام‌سازی طیفی لایههای CLC با پاسخ طیفی سلولهای PV لبه تا انرژی جذب‌شده را به‌طور مؤثرتری به برق تبدیل کنند.
- استفاده از سلولهای PV با بازده بالاتر یا انواعی که برای دریافت نور از زوایا بهتر طراحی شده‌اند.
- تحقیقات روی پوشش‌های ضدفتوزایی و تثبیت‌کننده‌های حرارتی برای افزایش عمر مفید فیلم‌ها.
فناوری‌های مرتبط و کاربردهای احتمالی
فتوولتائیک‌های شفاف یا نیمه‌شفاف حوزهٔ فعالی از پژوهش در BIPV و فتوولتائیک شهری هستند. گزینه‌های جایگزین شامل ماژول‌های نازک BIPV، فتوولتائیک‌های آلی که در شیشه ادغام می‌شوند، و متمرکزکننده‌های خورشیدی لومینسانت (LSC) است که نور را جذب و دوباره به‌سمت لبه‌ها بازتاب می‌دهند. CUSC از بسیاری از این رویکردها متمایز است چون ترکیب شفافیت بالای مرئی، خنثی‌بودن رنگ و هدایت جهت‌دار نور از طریق پراش انتخابی بر اساس پلاریزاسیون را ارائه می‌دهد.
کاربردهای عملی شامل بازتوانی پنجرههای اداری و مسکونی، استفاده در سقفهای نورگیر، شیشهٔ گلخانه‌ها، شیشهٔ خودروها و حتی نمایشگرهایی است که انرژی خورشیدی تقویتشده دارند. اگر به‌طور گسترده به‌کار رود، تولید از طریق پنجره میتواند حمایت‌کنندهٔ آرایه‌های خورشیدی روی سقف و زمینی باشد و انرژی توزیعشده نزدیک به مصرف ساختمان فراهم کند.
دیدگاه کارشناسان
دکتر Lena Martínez، پژوهشگر در حوزهٔ فتوولتائیک و مدرس اپتیک کاربردی، اظهار میکند: «تیم نانجینگ یک راهکار اپتیکی زیبا با استفاده از کریستال‌های مایع کولستریک نشان داده است که شفافیت را حفظ میکند و در عین حال انرژی را به سلولهای PV هدایت میکند. اعداد گزارش‌شده برای دستگاه‌های آزمایشگاهی دلگرم‌کننده‌اند، اما چالش اساسی تبدیل وعدهٔ اپتیکی به محصولی با صرفهٔ اقتصادی و بادوام است. بهبود در بازده سطح ماژول و پایداری بلندمدت تعیین‌کننده خواهد بود که آیا این به‌عنوان یک راهکار اصلی برای BIPV مطرح می‌شود یا خیر.»
این دیدگاه منعکس‌کنندهٔ اجماع پژوهشگران BIPV است که دوام ماده، هزینهٔ ساخت و یکپارچه‌سازی با استانداردهای شیشه‌بندی موجود به‌اندازهٔ ارقام بازده آزمایشگاهی اهمیت دارند.
نتیجه‌گیری و نکات عملی
پوشش شفاف خورشیدی CUSC که توسط محققان دانشگاه نانجینگ توسعه یافته، راهی امیدوارکننده برای واقعی‌کردن پنجرههای خورشیدی شفاف ارائه می‌دهد. با استفاده از فیلمهای پشته‌شدهٔ کریستال مایع کولستریک که نور مدور پلاریزه را بهصورت انتخابی پراش می‌دهند، پوشش میتواند بخشی از نور خورشید را به سلولهای PV نصب‌شده در لبه‌ها هدایت کند و در عین حال بخش اعظم نور مرئی را عبور دهد.
نمونه‌های اولیه نشان‌دهندهٔ شفافیت چشمگیر اپتیکی و تولید توان قابل‌سنجش هستند، اما بازدهٔ کلی تبدیل توان روی سطح دستگاه هنوز در حدود 3.7 درصد قرار دارد و چالشهای ساختی و دوام وجود دارد. اگر این موانع با تحقیقات مواد و مهندسی فرایندی برطرف شوند، پوشش‌های خورشیدی شفاف می‌توانند بخش مهمی از انرژی تجدیدپذیر یکپارچه با ساختمان باشند و ظرفیت تولید توزیعشده را بدون تغییر محسوس در زیبایی پنجره‌ها افزایش دهند.
نکات عملی برای توسعهٔ تجاری
- تمرکز بر افزایش بازده دستگاه از طریق بهینه‌سازی ترکیب طیفی و طراحی موجبر.
- اجرای آزمایش‌های طولانی‌مدت تحت تابش UV و سیکل‌های دمایی برای ارزیابی پایداری واقعی پوشش.
- همکاری با تولیدکنندگان شیشه و صنعت پنجره برای ایجاد فرایندهای رسوب‌دهی یا لمیناسیون مناسب مقیاس بزرگ.
- ارزیابی اقتصادی با توجه به هزینهٔ مواد، طول عمر مورد انتظار و صرفهٔ توسعهٔ انرژی در طول زمان.
در مجموع، پوشش شفاف خورشیدی CUSC نشان می‌دهد که میتوان بدون آسیب رساندن به عملکرد نوردهی و زیبایی پنجره‌ها، توان خورشیدی را جمعآوری کرد. مسیر پیش رو نیازمند هم‌افزایی میان اپتیک، مواد و مهندسی ساخت است تا این نوآوری از آزمایشگاه به پنجرههای شهری برسد و به شبکهٔ انرژی توزیعی کمک کند.
منبع: sciencealert
نظرات