Turbinele eoliene și panourile fotovoltaice joacă în prezent un rol esențial pentru tranziția Europei spre surse de energie electrică regenerabilă, însă niciuna dintre aceste două tehnologii nu este perfectă. 

Turbinele eoliene sunt adecvate în zonele cu vânturi puternice relativ îndepărtate de regiunile locuite, iar tehnologia folosită până de curând pentru producția palelor va genera circa 500.000 de tone de deșeuri până în 2050. 

Între timp, panourile fotovoltaice pot fi utilizate în special pe acoperișurile caselor și, cu o eficiență mai scăzută, inclusiv pe blocurile de locuințe, în timp ce montarea acestora pe terenuri generează controverse cu privire la scăderea suprafețelor agricole. O alternativă este reprezentată de sistemele de panouri fotovoltaice plutitoare amplasate pe lacuri de acumulare, însă și acestea vin cu o serie de dezavantaje. 

În acest context, cercetătorii fac în prezent progrese importante pentru a utiliza beneficiile panourilor fotovoltaice și pentru a rezolva, în același timp, o mare parte dintre dezavantajele acestora. Noul produs gândit de specialiști este practic un panou fotovoltaic transparent care poate fi integrat în ferestre, astfel că devine ideal in special pentru clădirile cu ferestre mari, cum ar fi cele de birouri. 

Cum funcționează panourile fotovoltaice transparente

Potrivit unui raport al Departamentului de Energie al Statelor Unite, pe timpul sezonului de vară aproximativ 75% din lumina solară care cade pe un sistem de geamuri duble pătrunde în interior și se transformă în căldură. Cea mai eficientă metodă pentru a limita cantitatea de căldură apărută în acest mod este utilizarea unor rulouri exterioare care să împiedice razele solare să cadă direct pe suprafața ferestrelor. 

Și totuși, cercetătorii propun o soluție și mai eficientă: cum ar fi să folosești lumina solară care ajunge în mod direct pe ferestre pentru a o transforma în energie electrică, după un principiu de bază asemănător cu cel al panourilor fotovoltaice?

Ideea este foarte atractivă, întrucât orice clădire cu ferestre poate fi transformată practic într-un generator de energie electrică. De exemplu, se estimează că doar în Statele Unite există în total între 5 și 7 milioane de metri pătrați de sticlă utilizați pentru fațadele clădirilor. În plus, lumina solară care ajunge pe sticlă poate fi captată la fel de eficient indiferent de poziția geamului, spre deosebire de panourile fotovoltaice a căror eficiență depinde în mare măsură inclusiv de unghiul de înclinare al acestora. 

Pentru a capta lumina solară, cercetătorii integrează într-o fereastră obișnuită un așa-numit strat de tip Transparent Luminescent Solar Concentrator, pe scurt TLSC. Mai pe românește, un strat fotovoltaic conceput să capteze doar o parte din lumina solară, și anume cea invizibilă pentru ochiul uman, în lungimi de undă infraroșii și ultraviolete, în timp ce lumina vizibilă trece prin fereastră și iluminează interiorul. Lumina captată este apoi transportată spre marginea din plastic a ferestrei, acolo unde sunt montate o serie de fâșii înguste de celule de panouri fotovoltaice care au rolul de a o converti în energie electrică. 

Cum sunt produse panourile fotovoltaice transparente

Proiecte de dezvoltatare pentru această tehnologie datează de mai bine de un deceniu, însă primele rezultate au fost modeste, întrucât eficiența energetică era foarte mică, iar dispozitivul utilizat pentru captarea luminii solare transforma ferestrele în unele complet opace, ceea ce limita posibilitatea de a fi utilizate pe scară largă.

Primele progrese concrete în această direcție au apărut în 2014, când cercetătorii de la Universitatea din Michigan au reușit să producă energie electrică pentru alimentarea unui ventilator conectat la fereastră, însă eficiența era de numai 1%. 

De atunci, cercetători din întreaga lume au îmbunătățit tehnicile pentru generarea de energie electrică prin această metodă. Spre deosebire de siliciul folosit pe aproape toate panourile fotovoltaice clasice, pentru dispozitivele TLSC cercetătorii mizează în special pe oxizi metalici. Cei mai promițători din punct de vedere tehnic sunt dioxizii de titan, iar printre alternative relativ decente se numără oxidul de zinc, oxidul de cupru sau oxidul de nichel. De altfel, una dintre opțiunile încercate este combinarea mai multor materii prime, iar până acum cele mai promițătoare rezultate sunt cele în care se folosesc dioxizi de titan și oxid de nichel. 

De asemenea, cercetătorii de la Universitatea Națională din Coreea de Sud au dezvoltat un design inedit pentru pelicula de panou fotovoltaic prin integrarea unui strat foarte subțire de silicon în spațiul dintre două pelicule subțiri de oxizi metalice. Practic, o combinație între tehnologiile panourilor fotovoltaice transparente și cele clasice cu scopul de a îmbunătăți eficiența.

Până la rafinarea tehnologiei pentru a fi produsă în masă, numeroase companii implicate în acest domeniu au dezvoltat pelicule de strat fotovoltaic semi-transparente, întrucât acestea oferă o eficiență mai mare. Teoretic, dezavantajul este că ferestrele vor fi permanent semi-opace, prin care pătrunde, de exemplu, doar 50% sau 30% din cantitatea de lumină, ceea ce înseamnă o cantitate mai mică de lumină naturală la interior. În general, în loc de oxizi de titan, panourile fotovoltaice semi-transparente folosesc siliciu amorf (a-Si), o formă necristalină a siliciului, în special datorită costurilor de producție semnificativ mai mici.

În practică, astfel de opțiuni pot fi folosite fără probleme pentru depozite logistice sau alte tipuri de clădiri comerciale. Pe de altă parte, există deja dezvoltatori imobiliari care preferă fațade de sticlă mai întunecate pentru unele proiecte, în special pentru cele poziționate în așa fel încât primesc o cantitatea foarte mare de lumină naturală pe timp de vară. 

Cercetătorii se așteaptă ca panourile fotovoltaice complet transparente să atingă în faza finală de dezvoltare o eficiență de circa 10%. Astfel, panourile fotovoltaice transparente nu vor fi la fel de eficiente precum panourile fotovoltaice clasice, care oferă o eficiență de 13% – 18%, însă pe de altă parte acest lucru este mai puțin relevant: gândește-te doar că o fațadă de sticlă a unei clădiri de birouri are o suprafață semnificativ mai mare decât acoperișul clădirii respective, unde ar fi montat un sistem de panouri fotovoltaice, astfel că în realitate cantitatea de energie electrică ce poate fi generată este mai mare. 

Proiecte imobiliare care integrează panouri fotovoltaice pentru fațade

Pe piață s-au remarcat deja câteva companii care dezvoltă proiecte de panouri fotovoltaice semi-transparente. 

În Statele Unite, printre companiile din domeniu se numără Ubiquitous, care a instalat astfel de panouri transparente chiar la Universitatea din Michigan, dar și la sediul său central. Totuși, proiectele vizează suprafețe mai degrabă simbolice, de numai 10 metri pătrați, cu scopul de a testa tehnologia. Ubiquitous afirmă că utilizează doar materie primă abundentă pe Pământ și că soluțiile sale vor putea asigura în viitor până la 30% din consumul de energie electrică al unei clădiri. 

Pe de altă parte, una dintre cele mai promițătoare companii care activează în prezent pe această piață este Onyx Solar. Fondată în Spania în 2009 cu un domeniu de activitate mai vast, dar strâns legat de energia regenerabilă, Onyx Solar a dezvoltat pe parcursul timpului colaborări cu numeroși cercetători de la Universitatea din Barcelona sau Massachusetts Institute of Technology (MIT), ceea ce i-a permis în timp să obțină peste 350 de contracte importante pentru panouri fotovoltaice pentru fațade. 

De exemplu, clădirea de birouri Tanjong Pagar din Singapore are 64 de etaje, iar Onyx Solar a montat aici sticlă fotovoltaică cu un grad de transparență de 10% pe o pergolă cu suprafața de 2.600 de metri pătrați situată la intrarea principală. Sistemul oferă o capacitate maximă de 125 kW și poate genera circa 100 MWh de energie electrică anual. 

Un alt proiect vizează fațada clădirii Genyo deținută de compania farmaceutică Pfizer în localitatea spaniolă Granada. Aici, Onyx Solar a oferit panouri de sticlă fotovoltaică cu grad de transparentă 20% pe o suprafață totală de peste 1.000 de metri pătrați care permite obținerea unei cantități de aproape 30 MWh de energie electrică pe an. 

Tot cei de la Onyx Solar au lucrat și la cea mai mare fabrică din lume a companiei Coca Cola, situată în localitatea mexicană Monterrey. Vorbim despre acoperirea unei părți din fațada de 588 de metri pătrați cu panouri cu un grad de transparență de 20%, cu ajutorul cărora compania poate produce circa 17 MWh de energie electrică anual.

Unul dintre cele mai ample proiecte este însă Gioia 22, o clădire de birouri din Milano în care au sediul companii precum Google sau Microsoft. Onyx Solar a instalat aici panouri fotovoltaice semi-transparente pe o suprafață de 5.000 de metri pătrați, care vor genera aproape 400 MWh de energie electrică anual. 

Utilizare inedită: plafonul de sticlă al mașinii tale

Fațadele de sticlă ale clădirilor de birouri moderne reprezintă clientul ideal pentru noua tehnologie, întrucât ar permite reducerea semnificativă a facturilor pentru energia electrică. 

Pe de altă parte, cercetătorii scot în evidență că tehnologia este viabilă pentru orice fel de sticlă, nu doar pentru ferestrele unei clădiri. Cum sună ipoteza ca ecranul telefonului tău să integreze o peliculă de panou fotovoltaic transparent capabil să genereze energie electrică? Chiar dacă pentru moment este mai degrabă o ipoteză, cercetătorii sunt convinși că o astfel de tehnologie este fezabilă și că ar prelungi mai mult simbolic autonomia bateriei Li-Ion. Mai important va fi însă că integrarea în telefoanele mobile ar fi cu adevărat utilă pentru persoanele care locuiesc în regiuni în care accesul la o rețea clasică de energie electrică este deficitar. 

De asemenea, o astfel de tehnologie se pretează inclusiv în industria auto. Pe piață există deja constructori auto care oferă pentru unele modele hibride sau electrice opțiunea de a echipa mașina cu panouri fotovoltaice pe plafon. Printre ele se numără versiunea plug-in hybrid a lui Toyota Prius sau SUV-urile electrice Hyundai Ioniq 5 și Fisker Ocean. Acestea au însă o eficiență neglijabilă, astfel că aduc un aport minor la funcționarea unor sisteme auxiliare.

În viitor, constructorii ar putea opta pentru echiparea unor modele cu plafon de sticlă care să integreze panouri fotovoltaice transparente sau semi-transparente. De altfel, în ultima perioadă plafonul de sticlă a devenit o opțiune întâlnită tot mai frecvent în gamele de modele ale constructorilor și a ajuns inclusiv pe modele ale unor constructori de volum.

Elemente încă necunoscute

Industria panourilor fotovoltaice transparente este încă la început, motiv pentru care există încă numeroase necunoscute, atât pentru producători, cât și pentru beneficiari. 

De exemplu, în prezent, prețul unui sistem de panouri fotovoltaice transparent este mai mare decât cel al unui sistem de panouri fotovoltaice clasic, însă pe măsură ce producția va crește costurile de dezvoltare vor scădea. Prin urmare, este de așteptat ca în timp prețurile să ajungă la paritate sau chiar să fie mai scăzute în cazul panourilor fotovoltaice transparente. 

De asemenea, pentru moment este incertă perioada de timp în care un sistem de panouri fotovoltaice transparente va avea un randament bun înainte de a necesita servicii de mentenanță complexe sau înlocuirea ferestrelor. Cert este că un strat fotovoltaic organic se degradează în timp la expunerea cu oxigenul sau cu vaporii de apă și, de asemenea, este afectat de temperaturile extreme. 

Chiar și în acest context, panourile fotovoltaice transparente sunt atractive datorită numeroaselor avantaje pe care le oferă, în special în privința integrării facile în fațadele clădirilor înalte. În plus, pe măsură ce tehnologia se va maturiza, acestea vor deveni mai eficiente și își vor găsi locul și în alte produse, inclusiv mașini sau telefoane mobile. 

Dezvoltarea panourilor fotovoltaice transparente concomitent cu utilizarea panourilor fotovoltaice clasice ne va permite să ne apropiem de 100% din cererea de energie electrică, dacă reușim să îmbunătățim tehnologiile de stocare.

Richard Lunt, unul dintre cercetătorii de la Universitatea din Michigan care a lucrat la primul proiect funcțional al unui panou fotovoltaic transparent.