GiPV: Gebou-geïntegreerde fotovoltaïese eenhede met semi-deursigtige sonmodules

Gebou-geïntegreerde fotovoltaïese (BIPV) verwys na fotovoltaïese materiale wat konvensionele boumateriaal in dele van 'n gebouomhulsel vervang, soos die dak, dakvensters of fasade. Dit word toenemend in nuwe geboue geïntegreer as 'n primêre of sekondêre kragbron, en bestaande geboue kan ook met soortgelyke tegnologie toegerus word. Die voordeel van geïntegreerde fotovoltaïese stelsels bo konvensionele nie-geïntegreerde stelsels is dat die aanvanklike koste verreken kan word deur die uitgawes aan boumateriaal en arbeid te verminder wat normaalweg nodig sou wees om die deel van die gebou te bou wat die BIPV-modules vervang. Verder maak BIPV 'n wyer aanvaarding van sonkraginstallasies moontlik wanneer die gebou se estetika 'n oorweging is en konvensionele, rakgemonteerde sonpanele afbreuk sou doen aan die beoogde voorkoms.

Die term BAPV (gebou-toegepaste fotovoltaïese) word soms gebruik om te verwys na fotovoltaïese stelsels wat in 'n gebou ingebou word. Die meeste gebou-geïntegreerde stelsels is inderdaad BAPV. Sommige vervaardigers en ontwikkelaars onderskei tussen BIPV en BAPV in nuwe konstruksie.

Gebou-geïntegreerde fotovoltaïese (BIPV) toepassings het in die 1970's ontstaan. Aluminium-geraamde fotovoltaïese modules is aan geboue geheg of gemonteer, tipies geleë in afgeleë gebiede sonder toegang tot die elektrisiteitsnetwerk. In die 1980's is dak-PV-stelsels begin installeer. Hierdie PV-stelsels is oor die algemeen geïnstalleer op geboue wat aan die elektrisiteitsnetwerk gekoppel is en in gebiede met gesentraliseerde kragsentrales geleë is. In die 1990's het BIPV-produkte wat spesifiek ontwerp is vir integrasie in die gebouomhulsel kommersieel beskikbaar geword. 'n Doktorale proefskrif in 1998 deur Patrina Eiffert, getiteld "'n Ekonomiese Assessering van BIPV," het gehipotetiseer dat daar eendag ekonomiese waarde sou wees in die verhandeling van hernubare energiekrediete (REC's). 'n Ekonomiese assessering en kort geskiedenis van BIPV deur die Amerikaanse Nasionale Hernubare Energielaboratorium in 2011 dui daarop dat beduidende tegniese uitdagings oorbly voordat BIPV-installasiekoste kan meeding met dié van fotovoltaïese stelsels. Daar is egter 'n groeiende konsensus dat BIPV-stelsels, deur wydverspreide kommersialisering, die ruggraat van die Europese Nul-energiegebou (ZEB) teiken teen 2020 sal vorm. Ten spyte van die belowende tegniese moontlikhede, is sosiale hindernisse vir wydverspreide aanvaarding ook geïdentifiseer, soos die konserwatiewe kultuur van die konstruksiebedryf en integrasie in hoëdigtheid stedelike beplanning. Die outeurs wys daarop dat langtermyn-aanvaarding waarskynlik net soveel sal afhang van effektiewe beleidsbesluite as van tegnologiese ontwikkeling.

Die semi-deursigtige sonmodules bied 'n interessante manier om gebou-geïntegreerde fotovoltaïese (BIPV) in argitektuur en stedelike beplanning te integreer. Hierdie nuwe tipe sonenergie-opwekking sal hoogs waarskynlik in die toekoms 'n belangrike komponent van wêreldwye elektrisiteitsproduksie word.

Gebou-geïntegreerde fotovoltaïese eenhede met semi-deursigtige sonmodules is 'n aantreklike opsie vir die bou van energie-doeltreffende geboue. Hierdie tegnologie kan help om energiekoste te verminder terwyl dit terselfdertyd die gebou se buitekant verbeter.

Verder kan semi-deursigtige sonpanele gebruik word om daglig in die binnekant van 'n gebou te rig. Dit bespaar nie net energie nie, maar verminder ook die koste van kunsmatige beligting.

Kortliks, gebou-geïntegreerde fotovoltaïese energie (BIPV) is 'n hoogs doeltreffende en veelsydige vorm van hernubare energie. Dit het die potensiaal om die energievoorsiening van geboue volhoubaar te verbeter.

Sonmodules gemaak van kristallyne silikon vir grond- en dakkragsentrales.

Amorfe kristallyne silikon dunfilm-sonkrag-PV-modules, wat hol, liggewig, rooi, blou en geel kan wees, word as 'n glasfasade en deursigtige dakvenster gebruik.

CIGS-gebaseerde (koperindiumgalliumselenied) dunfilmselle op buigsame modules wat op die bouomhulsel-element gelamineer is, of die CIGS-selle word direk op die substraat van die bouomhulsel gemonteer.

Dubbelglasde sonmodules met vierkantige selle binne.

plat dakke

Die mees wydverspreide oplossing tot op hede is 'n amorfe dunfilm-sonsel wat in 'n buigsame polimeermodule geïntegreer is, wat met 'n kleeffilm tussen die sonmodule se agterplaat en die dakmembraan geheg word. Deur koperindiumgalliumselenied (CIGS)-tegnologie te gebruik, het 'n Amerikaanse maatskappy 'n selseffektiwiteit van 17% bereik vir gebou-geïntegreerde modules in enkellaag-TPO-membrane.

Skuins dakke

Sonkrag-dakteëls is (keramiek) dakteëls met geïntegreerde sonkragmodules. Die keramiek-sonkrag-dakteël is in 2013 deur 'n Nederlandse maatskappy ontwikkel en gepatenteer.

Modules gevorm soos verskeie dakteëls.

Sonkrag-dakplate is modules wat lyk en funksioneer soos normale dakplate, maar bevat 'n buigsame dunfilmsel.

Hulle verleng die normale lewensduur van dakke deur die isolasie en membrane teen UV-straling en waterskade te beskerm. Hulle voorkom ook kondensasie deur die doupunt bo die dakmembraan te hou.

Metaalhellende dakke (beide struktureel en argitektonies) word nou toegerus met FV-funksies, óf deur 'n vrystaande buigsame module te bind óf deur die CIGS-selle direk op die substraat te verseël met hitte en vakuum.

fasade

Fasades kan aan bestaande geboue geheg word, wat hulle 'n heeltemal nuwe voorkoms gee. Hierdie modules word op die gebou se fasade oor die bestaande struktuur gemonteer, wat die gebou se aantreklikheid en herverkoopwaarde kan verhoog.

glasering

Fotovoltaïese vensters is (semi-)deursigtige modules wat 'n aantal argitektoniese elemente kan vervang wat gewoonlik van glas of soortgelyke materiale gemaak is, soos vensters en dakvensters. Hulle genereer nie net elektriese energie nie, maar kan ook verdere energiebesparings behaal as gevolg van hul uitstekende termiese isolasie-eienskappe en vermoë om sonstraling te beheer.

Fotovoltaïese glasvensters: Die integrasie van energie-opwekkingstegnologieë in residensiële en kommersiële geboue het bykomende navorsingsgebiede oopgemaak wat groter klem plaas op die algehele estetika van die finale produk. Terwyl die doelwit steeds is om hoë doeltreffendheid te bereik, is nuwe ontwikkelings in fotovoltaïese vensters ook daarop gemik om verbruikers 'n optimale vlak van glasdeursigtigheid en/of die opsie te bied om uit 'n reeks kleure te kies. Verskillend gekleurde sonpanele kan ontwerp word om spesifieke golflengtebereike van die breër spektrum optimaal te absorbeer. Gekleurde fotovoltaïese glas is suksesvol ontwikkel met behulp van semi-deursigtige, perovskiet- en kleurstof-sensitiewe sonselle.

• Plasmoniese sonselle wat gekleurde lig absorbeer en weerkaats, is ontwikkel met behulp van Fabry-Pérot-Etalon-tegnologie. Hierdie selle bestaan ​​uit twee parallelle, weerkaatsende metaalfilms en 'n diëlektriese holtefilm tussen hulle. Die twee elektrodes is van silwer (Ag) gemaak, en die holte tussen hulle is van Sb₂O₃ gemaak. Deur die dikte en brekingsindeks van die diëlektriese holte te verander, word die golflengte wat die beste geabsorbeer word, verander. Deur die kleur van die absorpsielaagglas by die spesifieke deel van die spektrum te pas waarvoor die sel se dikte en brekingsindeks die beste geskik is, verbeter dit beide die sel se estetika deur die kleur te versterk en fotostroomverliese te minimaliseer. Rooi en blou ligtoestelle het transmissies van onderskeidelik 34,7% en 24,6% behaal. Blou toestelle kan 13,3% van die geabsorbeerde lig in elektrisiteit omskakel, wat hulle die doeltreffendste van al die gekleurde toestelle maak wat ontwikkel en getoets is.
• Perovskiet-sonseltegnologie kan vir rooi, groen en blou golflengtes ingestel word deur die dikte van die metaalnanodrade onderskeidelik na 8, 20 en 45 nm te verander. Maksimum kragdoeltreffendhede van 10.12%, 8.17% en 7.72% is bereik deur die glasreflektansie aan te pas by die golflengte waarvoor die onderskeie sel die beste geskik is.
• Kleurstof-gesensitiseerde sonselle gebruik vloeibare elektroliete om lig vas te vang en dit in bruikbare energie om te skakel, baie soos natuurlike pigmente fotosintese in plante moontlik maak. Terwyl chlorofil die spesifieke pigment is wat verantwoordelik is vir die groen kleur in blare, produseer ander natuurlik voorkomende pigmente, soos karotenoïede en antosianiene, variasies van oranje en pers skakerings. Navorsers aan die Universiteit van Concepción het die lewensvatbaarheid van kleurstof-gesensitiseerde gekleurde sonselle gedemonstreer wat beide helder voorkom en selektief spesifieke golflengtes van lig absorbeer. Hierdie laekoste-oplossing gebruik natuurlike pigmente afgelei van maqui-vrugte, swart mirte en spinasie as sensitiseerders. Hierdie natuurlike sensitiseerders word dan tussen twee lae deursigtige glas geplaas. Terwyl die doeltreffendheid van hierdie besonder goedkoop selle onduidelik bly, het vorige navorsing in organiese kleurstof-gesensitiseerde sonselle 'n "hoë kragomskakelingsdoeltreffendheid van 9.8%" bereik.

Deursigtige sonselle gebruik 'n tinoksiedlaag aan die binnekant van die glaspanele om elektrisiteit vanaf die sel te gelei. Die sel bevat titaniumoksied bedek met 'n fotoëlektriese kleurstof.

Die meeste konvensionele sonselle gebruik sigbare en infrarooi lig om elektrisiteit op te wek. In teenstelling hiermee gebruik hierdie innoverende nuwe sonsel ook ultravioletstraling. Indien dit as 'n plaasvervanger vir konvensionele vensterglas gebruik word of oor bestaande glas geplaas word, kan die installasie-area groot wees, wat lei tot potensiële toepassings wat kragopwekking, beligting en temperatuurbeheer kombineer.

Nog 'n term vir deursigtige fotovoltaïese stowwe is "deurskynende fotovoltaïese stowwe" (hulle laat slegs die helfte van die invallende lig deur). Soortgelyk aan anorganiese fotovoltaïese stowwe, kan organiese fotovoltaïese stowwe ook deurskynend wees.

Nie-golflengte selektief

Sommige nie-golflengte-selektiewe fotovoltaïese stelsels bereik semi-deursigtigheid deur die ruimtelike segmentering van ondeursigtige sonselle. Hierdie metode gebruik enige tipe ondeursigtige sonsel en versprei verskeie klein selle op 'n deursigtige substraat. Hierdie segmentering verminder die energie-omskakelingsdoeltreffendheid drasties en verhoog transmissie.

Nog 'n tak van nie-golflengte-selektiewe fotovoltaïese stowwe gebruik sigbaar absorberende dunfilm-halfgeleiers met klein diktes of groot genoeg bandgapings wat lig toelaat om deur te gaan. Dit lei tot semi-deursigtige fotovoltaïese stowwe met 'n soortgelyke direkte afweging tussen doeltreffendheid en transmissie as ruimtelik gesegmenteerde ondeursigtige sonselle.

Nog 'n tak van nie-golflengte-selektiewe fotovoltaïese gebruik sigbaar absorberende dunfilm-halfgeleiers met lae dikte of voldoende groot bandgapings wat lig toelaat om deur te gaan. Dit lei tot semi-deursigtige fotovoltaïese met 'n soortgelyke direkte afweging tussen doeltreffendheid en transmissie as ruimtelik gesegmenteerde ondeursigtige sonselle.

Golflengte-selektiewe fotovoltaïese

Golflengte-selektiewe fotovoltaïese (WSPV) bereik deursigtigheid deur die gebruik van materiale wat slegs UV- en/of NIR-lig absorbeer en is die eerste keer in 2011 bekendgestel. Ten spyte van die hoër transmissie, is energie-omskakelingsdoeltreffendhede laer as gevolg van 'n aantal probleme. Dit sluit in kort eksiton-diffusielengtes, die skalering van deursigtige elektrodes sonder om doeltreffendheid in te boet, en die algehele leeftyd as gevolg van die inherente onstabiliteit van die organiese materiale wat in WSPV's gebruik word.

Innovasies in deursigtige en deurskynende fotovoltaïese stowwe

Vroeë pogings om nie-golflengte-selektiewe semi-deursigtige organiese fotovoltaïese stowwe met baie dun aktiewe lae wat in die sigbare spektrum absorbeer, te ontwikkel, het doeltreffendhede van minder as 1% behaal. In 2011 het deursigtige organiese fotovoltaïese stowwe met behulp van 'n organiese chloroaluminiumftalosianien-skenker (ClAlPc) en 'n fullereen-akseptor egter absorpsie in die ultraviolet- en nabye-infrarooi (NIR) spektrum gedemonstreer met doeltreffendhede van ongeveer 1.3% en sigbare ligtransmissie van meer as 65%. In 2017 het MIT-navorsers 'n metode ontwikkel om deursigtige grafeenelektrodes suksesvol op organiese sonselle te deponeer, wat gelei het tot 61% sigbare ligtransmissie en verbeterde doeltreffendhede van 2.8–4.1%.

Perovskiet-sonselle, wat baie gewild is as volgende-generasie fotovoltaïese stowwe met doeltreffendhede van meer as 25%, het ook belowend geblyk te wees vir deursigtige fotovoltaïese stowwe. In 2015 het 'n semi-deursigtige perovskiet-sonsel met 'n metilammonium-loodtrijodied-perovskiet en 'n silwer-nanodraadrooster-boonste elektrode 'n transmissie van 79% by 'n golflengte van 800 nm en 'n doeltreffendheid van ongeveer 12,7% getoon.