Sự khác biệt giữa kính năng lượng mặt trời và kính thông thường là gì?

Sự khác biệt cơ bản giữa kính năng lượng mặt trời và kính thông thường là vậy kính năng lượng mặt trời tích hợp công nghệ quang điện để tạo ra điện từ ánh sáng mặt trời trong khi vẫn trong suốt về mặt thị giác , trong khi thủy tinh thông thường chỉ truyền, phản xạ hoặc chặn ánh sáng mà không tạo ra bất kỳ năng lượng nào. Ngoài sự khác biệt cốt lõi này, hai vật liệu này khác nhau đáng kể về thành phần, đặc tính truyền ánh sáng, độ phức tạp của cấu trúc, chi phí, hiệu suất nhiệt và phạm vi ứng dụng mà chúng phù hợp. Kính năng lượng mặt trời là vật liệu chức năng được thiết kế; kính thông thường là một rào cản vật lý và quang học thụ động.

Thành phần và sản xuất: Hai sản phẩm khác nhau về cơ bản

Sự khác biệt về cấu trúc giữa kính năng lượng mặt trời và kính thông thường bắt đầu ở cấp độ vật liệu và sản xuất.

Kính thông thường

Kính thông thường - dù là kính nổi, kính cường lực, kính nhiều lớp hay kính cách nhiệt - đều được cấu tạo chủ yếu từ silica (SiO₂, khoảng 70–75%), natri oxit (Na₂O), canxi oxit (CaO) và một lượng nhỏ các oxit khác làm thay đổi độ cứng, tính kháng hóa chất và tính chất nhiệt. Nó được sản xuất bằng cách nấu chảy các nguyên liệu thô này ở nhiệt độ khoảng 1.500°C, thả nổi thủy tinh nóng chảy trên bể thiếc (quy trình thủy tinh nổi), sau đó ủ và cắt nó. Kết quả là tạo ra một vật liệu thụ động có đặc tính chính là độ trong suốt quang học, độ bền cơ học và khả năng cách nhiệt – không có đặc tính nào liên quan đến việc tạo ra năng lượng.

Kính năng lượng mặt trời

Kính năng lượng mặt trời thêm một lớp quang điện hoạt động vào cấu trúc kính cơ bản. Tùy thuộc vào công nghệ cụ thể, điều này đạt được thông qua một số phương pháp khác nhau:

• Lắng đọng màng mỏng: Vật liệu bán dẫn quang điện - phổ biến nhất là silicon vô định hình (a-Si), cadmium Telluride (CdTe) hoặc đồng indium gallium selenide (CIGS) - được lắng đọng trên bề mặt thủy tinh theo từng lớp dày 1 đến 10 micromet thông qua quá trình lắng đọng hơi vật lý (PVD) hoặc lắng đọng hơi hóa học (CVD)
• Cán silicon tinh thể: Pin mặt trời silicon đơn tinh thể hoặc đa tinh thể thông thường được bọc giữa hai lớp thủy tinh bằng cách sử dụng lớp xen kẽ EVA (ethylene vinyl acetate) hoặc PVB (polyvinyl butyral) - tạo ra một tấm kính mặt trời nhiều lớp trong đó các tế bào có thể nhìn thấy được nhưng cấu trúc vẫn trong suốt một phần giữa các tế bào
• Lớp phủ Perovskite hoặc quang điện hữu cơ (OPV): Các công nghệ mới nổi áp dụng vật liệu bán dẫn được xử lý bằng dung dịch vào thủy tinh, đạt được độ trong suốt cao với hiệu suất chuyển đổi ngày càng tăng

Kính nền được sử dụng trong các ứng dụng năng lượng mặt trời thường là kính cường lực ít sắt - một biến thể cụ thể được thiết kế để giảm thiểu sắc xanh lục tự nhiên của kính nổi tiêu chuẩn (do tạp chất sắt gây ra) và tối đa hóa khả năng truyền năng lượng mặt trời. Kính có hàm lượng sắt thấp đạt được khả năng truyền ánh sáng 91–93% , so với 82–88% đối với kính nổi tiêu chuẩn, điều này rất quan trọng đối với hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời.

So sánh tính năng toàn diện

Độ truyền ánh sáng: Sự khác biệt thực tế rõ ràng nhất

Độ truyền ánh sáng là nơi mà sự cân bằng giữa việc tạo ra năng lượng và độ rõ quang học trở nên rõ ràng nhất trong sử dụng hàng ngày. Đây là sự khác biệt mà người cư ngụ trong tòa nhà và người sử dụng phương tiện trực tiếp trải nghiệm.

Truyền kính nổi trong suốt tiêu chuẩn 82–88% ánh sáng khả kiến , và kính có hàm lượng sắt thấp hiệu suất cao đạt tới 91–93% . Kính năng lượng mặt trời, bằng cách tích hợp vật liệu quang điện hấp thụ photon để tạo ra điện, vốn đã làm giảm ánh sáng chiếu tới phía bên kia của kính. Mức độ giảm phụ thuộc vào công nghệ PV được sử dụng:

• Kính năng lượng mặt trời silicon vô định hình màng mỏng: Thông thường đạt được Truyền ánh sáng nhìn thấy được 40–70% — kính năng lượng mặt trời trong suốt nhất hiện có trên thị trường, thích hợp để xây dựng cửa sổ và cửa sổ trần nơi ánh sáng ban ngày rất quan trọng bên cạnh việc tạo ra năng lượng
• Kính năng lượng mặt trời màng mỏng CIGS: Đạt được độ truyền qua 20–45% — kém trong suốt hơn nhưng thường có hiệu suất chuyển đổi cao hơn, khiến nó phù hợp hơn với các ứng dụng mặt tiền nơi năng lượng đầu ra được ưu tiên hơn ánh sáng ban ngày tối đa
• Kính nhiều lớp tế bào silicon tinh thể: Độ truyền qua phụ thuộc hoàn toàn vào khoảng cách giữa các ô - các ô mờ đục, nhưng khoảng cách giữa các ô cho phép ánh sáng xuyên qua. Độ truyền qua điển hình là 20–40% , tạo ra độ trong suốt theo khuôn mẫu thay vì đồng nhất

Phạm vi truyền qua này có nghĩa là kính năng lượng mặt trời được sử dụng làm cửa sổ tòa nhà sẽ làm cho không gian bên trong tối hơn đáng kể so với kính tiêu chuẩn - một sự đánh đổi phải được lên kế hoạch trong thiết kế kiến trúc bằng cách đảm bảo đủ ánh sáng bổ sung hoặc bằng cách chọn các biến thể kính mặt trời có độ truyền qua cao hơn cho các ứng dụng hướng vào người sử dụng.

Hiệu suất năng lượng: Những gì kính năng lượng mặt trời tạo ra và những gì kính thông thường không thể tạo ra

Ưu điểm xác định của kính năng lượng mặt trời Ngoài kính thông thường, nó còn có khả năng tạo ra năng lượng điện hữu ích từ bức xạ mặt trời tới - biến một tòa nhà hoặc bề mặt phương tiện thụ động thành nguồn năng lượng chủ động.

Hiệu suất phát điện của kính năng lượng mặt trời phụ thuộc vào công nghệ PV, góc lắp đặt, vị trí địa lý và điều kiện che nắng. Là một điểm chuẩn chung:

• Kính năng lượng mặt trời màng mỏng trong ứng dụng quang điện tích hợp trong tòa nhà (BIPV) thường tạo ra 40–100 Watt-đỉnh trên mét vuông (Wp/m2) tùy thuộc vào công nghệ PV và mức truyền qua được chọn
• Mặt tiền bằng kính sử dụng năng lượng mặt trời rộng 100 m2 ở vị trí vĩ độ trung bình có khả năng tiếp xúc với ánh nắng mặt trời tốt (khoảng 1.500 kWh/m2/năm chiếu xạ) có thể tạo ra khoảng 4.500 đến 9.000 kWh mỗi năm - tương đương với một phần đáng kể lượng điện tiêu thụ hàng năm của một tầng văn phòng thương mại
• Kính năng lượng mặt trời nhiều lớp silicon tinh thể đạt được hiệu suất chuyển đổi cao hơn 15–22% trên mỗi diện tích ô, nhưng vì chỉ một phần diện tích kính được che phủ bởi các ô (phần còn lại là khoảng trống trong suốt), nên hiệu suất tổng thể của bảng điều khiển thường là 10–14%

Thủy tinh thông thường, bất kể loại hay chất lượng như thế nào, đều không tạo ra năng lượng điện. Giá trị liên quan đến năng lượng của nó được giới hạn ở hiệu suất cách nhiệt — giảm tải sưởi ấm và làm mát bằng cách kiểm soát sự truyền nhiệt qua lớp vỏ tòa nhà.

Chênh lệch chi phí: Kính năng lượng mặt trời mang lại lợi ích đáng kể

Chi phí là một trong những rào cản thực tế quan trọng nhất đối với việc sử dụng rộng rãi kính năng lượng mặt trời và thể hiện sự khác biệt lớn so với kính thông thường về cả kinh tế đầu tư ban đầu và vòng đời.

Kính nổi tiêu chuẩn có giá khoảng $5–$15 mỗi mét vuông . Kính an toàn cường lực có phạm vi từ $15–$40 mỗi mét vuông và các thiết bị kính hai lớp cách nhiệt (IGU) khỏi $30–$80 mỗi m2 . Ngược lại, kính năng lượng mặt trời hiện có giá $150–$500 mỗi m2 hoặc nhiều hơn tùy thuộc vào công nghệ, hiệu quả và mức độ tùy chỉnh - đại diện cho mức chi phí cao hơn 5 đến 30 lần chi phí của kính thông thường.

Tuy nhiên, việc so sánh chi phí phải tính đến phần bù đắp doanh thu từ sản xuất điện. Việc lắp đặt kính năng lượng mặt trời tạo ra điện trị giá 0,10–0,20 USD mỗi kWh sẽ dần dần phục hồi chi phí bổ sung trong thời gian sử dụng - thường là 25 đến 30 năm . Khi công nghệ lắng đọng màng mỏng phát triển và quy mô sản xuất, chi phí kính năng lượng mặt trời đã giảm khoảng 5–10% mỗi năm , cải thiện tính kinh tế của các dự án BIPV.

Ứng dụng: Nơi sử dụng từng loại kính

Các ứng dụng cho kính năng lượng mặt trời và kính thông thường phản ánh các chức năng và cấu trúc chi phí cơ bản khác nhau của chúng.

Kính năng lượng mặt trời Applications

• Quang điện tích hợp trong tòa nhà (BIPV): Mặt tiền, tường rèm, cửa sổ trần, mái che và giếng trời trong các tòa nhà thương mại và tổ chức - nơi kính vừa phục vụ chức năng kiến trúc vừa tạo ra năng lượng sạch từ lớp vỏ riêng của tòa nhà
• Ô tô và vận tải: Cửa sổ trời toàn cảnh và tấm mái trong xe điện - nơi kính năng lượng mặt trời bổ sung phạm vi hoạt động của pin bằng cách tạo ra năng lượng từ bề mặt mui xe trong khi đỗ xe và lái xe
• Điện tử tiêu dùng: Các ứng dụng mới nổi trên mặt đồng hồ thông minh, mặt sau máy tính bảng và bề mặt bộ sạc di động — tạo ra nguồn điện bổ sung cho các thiết bị sử dụng ngoài trời
• Nhà kính nông nghiệp: Mái kính năng lượng mặt trời trong suốt hoặc bán trong suốt tạo ra điện trong khi vẫn cho phép truyền đủ ánh sáng cho sự phát triển của cây trồng - một ứng dụng có công dụng kép ngày càng được khám phá trong nghiên cứu nông điện

Kính thông thường Applications

• Kính cửa sổ và cửa ra vào tiêu chuẩn trong các tòa nhà dân cư và thương mại - nơi yêu cầu chính là khả năng truyền ánh sáng, cách nhiệt và cách âm tối đa
• Vách ngăn, lan can, vách tắm và đồ nội thất bên trong - nơi độ trong suốt, an toàn (được tôi luyện hoặc nhiều lớp) và tính thẩm mỹ được ưu tiên hơn chức năng năng lượng
• Kính chắn gió ô tô và cửa sổ bên - nơi độ rõ quang học, lớp phủ an toàn và đặc tính âm học là rất quan trọng và những hạn chế về chi phí khiến kính năng lượng mặt trời không kinh tế đối với hầu hết các ứng dụng trên xe hiện nay
• Hộp trưng bày, gương và dụng cụ quang học - nơi yêu cầu các đặc tính khúc xạ, phản xạ hoặc nhiệt cụ thể mà việc tích hợp PV sẽ ảnh hưởng đến

Độ bền và bảo trì: Sự khác biệt thực tế khi sử dụng trong tòa nhà

Cả hai kính năng lượng mặt trời và kính thông thường là những vật liệu bền với tuổi thọ sử dụng dự kiến là 25 đến 30 năm or more trong việc xây dựng các ứng dụng. Tuy nhiên, yêu cầu bảo trì của chúng khác nhau đáng kể do các thành phần điện được tích hợp vào kính năng lượng mặt trời.

Kính thông thường chỉ cần vệ sinh định kỳ để duy trì hiệu suất và hình thức quang học. Kính năng lượng mặt trời cần được làm sạch vì các lý do quang học tương tự - bụi tích tụ và chất bẩn trên bề mặt bên ngoài có thể làm giảm sự truyền ánh sáng và do đó làm giảm công suất phát ra bởi 10–25% mỗi năm nếu không được làm sạch. Nhưng kính năng lượng mặt trời cũng yêu cầu:

• Kiểm tra và thử nghiệm định kỳ các kết nối điện, hộp nối và hệ thống dây điện để xác định sự xuống cấp hoặc lỗi trong mạch PV
• Giám sát sản lượng điện so với thế hệ dự kiến để xác định sự xuống cấp của lớp PV ở giai đoạn đầu trước khi nó trở nên nghiêm trọng
• Các quy trình xử lý và thay thế cẩn thận, vì hư hỏng đối với lớp PV hoặc lớp xen kẽ đóng gói không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất cấu trúc của kính mà còn ảnh hưởng đến độ an toàn về điện của kính

Các lớp PV màng mỏng được sử dụng trong kính năng lượng mặt trời vốn rất chắc chắn và được bịt kín trong lớp kính, nhưng cơ sở hạ tầng điện - bộ biến tần, hệ thống cáp, hệ thống giám sát - bổ sung thêm các nghĩa vụ bảo trì mà kính thông thường không có.