تفاوت اساسی بین شیشه خورشیدی و شیشه معمولی آن است شیشه خورشیدی از فناوری فتوولتائیک برای تولید الکتریسیته از نور خورشید و در عین حال شفاف ماندن بصری استفاده می کند در حالی که شیشه معمولی به سادگی نور را بدون تولید انرژی عبور می دهد، منعکس می کند یا مسدود می کند. فراتر از این تمایز اصلی، این دو ماده از نظر ترکیب، ویژگیهای انتقال نور، پیچیدگی ساختاری، هزینه، عملکرد حرارتی و طیف وسیعی از کاربردهایی که برای آنها مناسب است، بهطور قابلتوجهی متفاوت هستند. شیشه خورشیدی یک ماده کاربردی مهندسی شده است. شیشه معمولی یک مانع نوری و فیزیکی غیرفعال است.
ترکیب و ساخت: دو محصول اساساً متفاوت
تفاوت ساختاری بین شیشه خورشیدی و شیشه معمولی در سطح مواد و ساخت شروع می شود.
شیشه معمولی
شیشه های معمولی – اعم از شیشه های شناور، شیشه های سکوریت شده، شیشه های چند لایه یا شیشه های عایق – عمدتاً از سیلیس (SiO2، تقریباً 70-75٪)، اکسید سدیم (Na2O)، اکسید کلسیم (CaO) و مقادیر کمی از اکسیدهای دیگر که سختی، مقاومت شیمیایی و خواص حرارتی را تغییر می دهند. این ماده با ذوب این مواد خام در دمای تقریباً 1500 درجه سانتیگراد، شناور کردن شیشه مذاب روی یک حمام قلع (فرایند شیشه شناور)، و سپس بازپخت و برش آن تولید می شود. نتیجه یک ماده غیرفعال است که ویژگی های اصلی آن شفافیت نوری، استحکام مکانیکی و عایق حرارتی است - که هیچ کدام شامل تولید انرژی نمی شود.
شیشه خورشیدی
شیشه خورشیدی یک لایه فتوولتائیک فعال به ساختار شیشه پایه اضافه می کند. بسته به تکنولوژی خاص، این امر از طریق چندین روش مختلف به دست می آید:
- رسوب لایه نازک: مواد نیمه هادی فتوولتائیک - معمولاً سیلیکون آمورف (a-Si)، تلورید کادمیوم (CdTe) یا مس ایندیم گالیم سلنید (CIGS) - به صورت لایه ای بر روی سطح شیشه رسوب می کنند. ضخامت 1 تا 10 میکرومتر از طریق فرآیندهای رسوب بخار فیزیکی (PVD) یا رسوب بخار شیمیایی (CVD).
- ورقه ورقه سیلیکون کریستالی: سلول های خورشیدی سیلیکونی مونو کریستالی یا پلی کریستالی معمولی بین دو لایه شیشه ای با استفاده از لایه های بین لایه EVA (اتیلن وینیل استات) یا PVB (پلی وینیل بوتیرال) محصور می شوند - که یک صفحه شیشه ای خورشیدی چند لایه تولید می کند که در آن سلول ها قابل رویت هستند اما ساختار تا حدی بین سلول ها شفاف می ماند.
- پوشش های پروسکایت یا فتوولتائیک آلی (OPV): فناوری های نوظهور که مواد نیمه هادی فرآوری شده با محلول را روی شیشه اعمال می کنند و با افزایش راندمان تبدیل، شفافیت بالایی را به دست می آورند.
شیشه پایه مورد استفاده در کاربردهای خورشیدی معمولاً است شیشه سکوریت کم آهن - یک نوع خاص فرموله شده برای به حداقل رساندن رنگ مایل به سبز طبیعی شیشه فلوت استاندارد (ناشی از ناخالصی های آهن) و به حداکثر رساندن انتقال خورشیدی. شیشه کم آهن به انتقال نور می رسد 91-93٪ ، در مقایسه با 82-88٪ برای شیشه فلوت استاندارد، که برای راندمان تبدیل انرژی خورشیدی بسیار مهم است.
مقایسه ویژگی های جامع
| ویژگی | شیشه خورشیدی | شیشه معمولی |
|---|---|---|
| تولید انرژی | بله - نور خورشید را به الکتریسیته تبدیل می کند | خیر |
| عبور نور | 20-70٪ (قابل تنظیم با طراحی) | 82 تا 92 درصد (روشن شناور/مرتفع) |
| مواد پایه | لایه PV شیشه ای کم آهن | شیشه شناور استاندارد سودا آهک |
| پیچیدگی ساختاری | بالا - چند لایه با اجزای الکتریکی | ساده - فقط شیشه های تک یا چند لایه |
| هزینه هر متر مربع | 150 تا 500 دلار بسته به تکنولوژی | 5 تا 60 دلار (استاندارد به تخصص) |
| راندمان تبدیل | 5-20٪ (وابسته به فناوری) | N/A |
| عایق حرارتی (U-value) | متوسط تا خوب (بر اساس طراحی متفاوت است) | خوب تا عالی (IGU: 0.5-1.5 W/m²K) |
| وزن | سنگین تر - ساخت چند لایه | فندک - تک یا دو جداره |
| تعمیر و نگهداری | نیاز به بازرسی سیستم برق دارد | حداقل - فقط تمیز کردن |
| کاربرد اولیه | BIPV، نورگیرها، نماها، سقف وسایل نقلیه | پنجره، در، پارتیشن، آینه |
عبور نور: مشهودترین تفاوت عملی
انتقال نور جایی است که مبادله بین تولید انرژی و وضوح نوری در استفاده روزمره آشکارتر می شود. این تفاوتی است که سرنشینان ساختمان و کاربران خودرو به طور مستقیم آن را تجربه می کنند.
انتقال شیشه شناور شفاف استاندارد 82-88٪ of visible light و شیشه کم آهن با کارایی بالا می رسد 91-93٪ . شیشه خورشیدی، با ادغام مواد فتوولتائیک که فوتون ها را برای تولید الکتریسیته جذب می کند، به طور ذاتی نوری را که به طرف دیگر شیشه می رسد کاهش می دهد. درجه کاهش بستگی به فناوری PV مورد استفاده دارد:
- شیشه خورشیدی سیلیکونی آمورف لایه نازک: به طور معمول به دست می آورد انتقال نور مرئی 40 تا 70 درصد - شفافترین شیشههای خورشیدی تجاری موجود، مناسب برای پنجرهها و نورگیرهای ساختمانی که نور روز در کنار تولید انرژی مهم است.
- شیشه خورشیدی لایه نازک CIGS: به انتقال دست می یابد 20-45٪ - شفافیت کمتر اما معمولاً در راندمان تبدیل بالاتر است، که باعث می شود برای کاربردهای نما که در آن خروجی انرژی بر حداکثر نور روز اولویت دارد، مناسب تر باشد.
- شیشه چند لایه سلول سیلیکونی کریستالی: انتقال به طور کامل به فاصله سلولی بستگی دارد - سلول ها مات هستند، اما شکاف بین سلول ها اجازه عبور نور را می دهد. انتقال معمولی است 20-40٪ ، ایجاد شفافیت طرح دار و نه یکنواخت
این محدوده انتقال به این معنی است که شیشه های خورشیدی که به عنوان پنجره ساختمان استفاده می شود، فضاهای داخلی را به میزان قابل توجهی تیره تر از شیشه های استاندارد می کند - یک مبادله که باید در طراحی معماری با اطمینان از روشنایی تکمیلی کافی یا با انتخاب انواع شیشه های خورشیدی با ضریب انتقال بالاتر برای کاربردهای روبروی ساکنان برنامه ریزی شود.
عملکرد انرژی: چه شیشه های خورشیدی تولید می کنند و چه شیشه های معمولی نمی توانند
مزیت تعیین کننده از شیشه خورشیدی بیش از شیشه معمولی توانایی آن برای تولید انرژی الکتریکی مفید از تابش خورشیدی برخوردی است - تبدیل یک ساختمان غیرفعال یا سطح وسیله نقلیه به منبع انرژی فعال.
عملکرد تولید انرژی شیشه خورشیدی به فناوری PV، زاویه نصب، موقعیت جغرافیایی و شرایط سایه بستگی دارد. به عنوان یک معیار کلی:
- شیشه های خورشیدی لایه نازک در یک برنامه فتوولتائیک یکپارچه در ساختمان (BIPV) معمولاً تولید می کنند 40-100 وات پیک در متر مربع (Wp/m²) بسته به فناوری PV و سطح انتقال انتخاب شده
- یک نمای شیشه ای خورشیدی 100 متر مربعی در یک موقعیت عرض جغرافیایی متوسط با نور خورشید خوب (تقریباً 1500 کیلووات ساعت در متر مربع / سال تابش) می تواند تقریباً تولید کند. 4500 تا 9000 کیلووات ساعت در سال - معادل بخش قابل توجهی از برق مصرفی سالانه یک طبقه اداری تجاری است
- شیشه های خورشیدی چند لایه سیلیکونی کریستالی بازده تبدیل بالاتری را به دست می آورند 15-22٪ در هر سطح سلول، اما از آنجایی که تنها بخشی از ناحیه شیشه ای توسط سلول ها پوشیده شده است (بقیه شکاف شفاف است)، بازده کلی پانل معمولا 10-14٪
شیشه معمولی صرف نظر از نوع یا کیفیت آن، انرژی الکتریکی صفر تولید می کند. ارزش مرتبط با انرژی آن به عملکرد عایق حرارتی آن محدود می شود - کاهش بارهای گرمایشی و سرمایشی با کنترل انتقال حرارت از طریق پوشش ساختمان.
تفاوت هزینه: شیشه خورشیدی حق بیمه قابل توجهی دارد
هزینه یکی از مهمترین موانع عملی برای پذیرش گستردهتر شیشههای خورشیدی است و نشاندهنده تفاوت عمده با شیشههای معمولی در سرمایهگذاری اولیه و اقتصاد چرخه عمر است.
شیشه فلوت استاندارد تقریباً هزینه دارد 5 تا 15 دلار در هر متر مربع . محدوده شیشه ایمنی سکوریت از 15 تا 40 دلار در هر متر مربع ، و عایق واحدهای دو جداره (IGUs) از 30 تا 80 دلار در هر متر مربع . شیشه خورشیدی، برعکس، در حال حاضر هزینه دارد 150 تا 500 دلار در هر متر مربع یا بیشتر بسته به فناوری، کارایی و سطح سفارشیسازی - نشان دهنده حق بیمه هزینه 5 تا 30 بار هزینه لعاب معمولی
با این حال، مقایسه هزینه باید جبران درآمد حاصل از تولید برق باشد. یک تاسیسات شیشه ای خورشیدی که برقی به ارزش 0.10-0.20 دلار در هر کیلووات ساعت تولید می کند به تدریج هزینه اضافی خود را در طول عمر مفید خود بازیابی می کند - معمولاً 25 تا 30 سال . با رشد فناوری های لایه نازک و افزایش مقیاس تولید، هزینه های شیشه خورشیدی تقریباً کاهش یافته است. 5 تا 10 درصد در سال ، بهبود اقتصادی پروژه های BIPV.
کاربردها: جایی که از هر نوع شیشه استفاده می شود
برنامه های کاربردی برای شیشه خورشیدی و شیشه معمولی منعکس کننده عملکردهای اساسی و ساختار هزینه آنها است.
شیشه خورشیدی Applications
- فتوولتائیک یکپارچه ساختمان (BIPV): نماها، دیوارهای پرده، نورگیرها، سایبانها و آتریومها در ساختمانهای تجاری و سازمانی - جایی که شیشه هم عملکرد معماری را ایفا میکند و هم انرژی پاکی را از پوشش خود ساختمان تولید میکند.
- خودرو و حمل و نقل: سانروفهای پانوراما و پانلهای سقف در خودروهای برقی - جایی که شیشههای خورشیدی با تولید برق از سطح سقف خودرو در هنگام پارک و رانندگی، محدوده باتری را تکمیل میکنند.
- لوازم الکترونیکی مصرفی: برنامههای در حال ظهور در صفحههای ساعت هوشمند، پنلهای پشتی تبلت و سطوح شارژر قابل حمل - تولید برق اضافی برای دستگاههای در فضای باز
- گلخانه های کشاورزی: سقفهای شیشهای خورشیدی شفاف یا نیمهشفاف که برق تولید میکنند و در عین حال امکان انتقال نور کافی برای رشد گیاهان را فراهم میکنند - یک کاربرد دو منظوره که به طور فزایندهای در تحقیقات agrivoltaic بررسی میشود.
شیشه معمولی Applications
- شیشه استاندارد درب و پنجره در ساختمان های مسکونی و تجاری - جایی که حداکثر انتقال نور، عایق حرارتی و عملکرد صوتی الزامات اولیه هستند.
- پارتیشنهای داخلی، نردهها، محفظههای دوش، و مبلمان - که در آن شفافیت، ایمنی (ترمیم یا چند لایه)، و زیباییشناسی بر عملکرد انرژی اولویت دارند.
- شیشههای جلو و شیشههای جانبی خودرو - جایی که شفافیت نوری، لایهبندی ایمنی، و ویژگیهای صوتی حیاتی هستند و محدودیتهای هزینه، شیشه خورشیدی را برای اکثر کاربردهای خودرو در حال حاضر غیراقتصادی میکند.
- کیسهای نمایشگر، آینهها و ابزارهای نوری - در مواردی که خواص انکساری، انعکاسی یا حرارتی خاصی مورد نیاز است که ادغام PV به خطر بیفتد.
دوام و نگهداری: یک تفاوت عملی برای استفاده در ساختمان
هر دو شیشه خورشیدی و شیشه معمولی مواد بادوام با عمر مفید مورد انتظار هستند 25 تا 30 سال or more در کاربردهای ساختمانی با این حال، نیازهای نگهداری آنها به دلیل اجزای الکتریکی ادغام شده در شیشه های خورشیدی به طور قابل توجهی متفاوت است.
شیشه های معمولی برای حفظ عملکرد و ظاهر نوری فقط به تمیز کردن دوره ای نیاز دارند. شیشه های خورشیدی به دلایل نوری یکسانی نیاز به تمیز کردن دارند - گرد و غبار انباشته شده و کثیفی روی سطح بیرونی می تواند انتقال نور را کاهش دهد و در نتیجه توان خروجی را کاهش دهد. 10-25٪ در صورت تمیز نشدن در سال اما شیشه خورشیدی علاوه بر این نیاز به:
- بازرسی و آزمایش دوره ای اتصالات الکتریکی، جعبه های اتصال، و سیم کشی برای شناسایی خرابی یا خطا در مدار PV
- نظارت بر خروجی الکتریکی در برابر تولید مورد انتظار برای شناسایی تخریب لایه PV در مراحل اولیه قبل از اینکه قابل توجه باشد.
- پروتکلهای جابجایی و تعویض دقیق، زیرا آسیب به لایه PV یا لایه درونپوشی نه تنها بر عملکرد ساختاری شیشه بلکه بر ایمنی الکتریکی آن نیز تأثیر میگذارد.
لایههای نازک PV مورد استفاده در شیشههای خورشیدی ذاتاً قوی هستند و در لایههای شیشهای مهر و موم شدهاند، اما زیرساختهای الکتریکی - اینورترها، کابلکشی، سیستمهای مانیتورینگ - تعهدات نگهداری را اضافه میکنند که شیشههای معمولی به سادگی ندارند.
