GiPV: Фотоволтаици, интегрирани в сградата, с полупрозрачни слънчеви модули

Фотоволтаичните системи, интегрирани в сградата (BIPV), се отнасят до фотоволтаични материали, които заместват конвенционалните строителни материали в части от сградната обвивка, като например покрив, капандури или фасада. Те все по-често се интегрират в нови сгради като основен или вторичен източник на енергия, а съществуващите сгради също могат да бъдат модернизирани с подобна технология. Предимството на интегрираните фотоволтаични системи пред конвенционалните неинтегрирани системи е, че първоначалните разходи могат да бъдат компенсирани чрез намаляване на разходите за строителни материали и труд, които обикновено биха били необходими за изграждането на частта от сградата, която BIPV модулите заместват. Освен това, BIPV позволява по-широко приемане на слънчеви инсталации, когато естетиката на сградата е от значение и конвенционалните, монтирани на стелажи слънчеви панели биха влошили желания външен вид.

Терминът BAPV (сградно-приложени фотоволтаични системи) понякога се използва за обозначаване на фотоволтаични системи, които се модернизират в сграда. Повечето сградно-интегрирани системи наистина са BAPV. Някои производители и разработчици правят разлика между BIPV и BAPV при ново строителство.

Приложенията на фотоволтаични системи, интегрирани в сгради (BIPV), се появяват през 70-те години на миналия век. Фотоволтаични модули с алуминиева рамка са били прикрепени или монтирани върху сгради, обикновено разположени в отдалечени райони без достъп до електрическата мрежа. През 80-те години на миналия век започват да се инсталират покривни фотоволтаични системи. Тези фотоволтаични системи обикновено се инсталират на сгради, свързани към електрическата мрежа и разположени в райони с централизирани електроцентрали. През 90-те години на миналия век продуктите на BIPV, специално проектирани за интегриране в сградната обвивка, стават търговски достъпни. Докторска дисертация от 1998 г. на Патрина Айферт, озаглавена „Икономическа оценка на BIPV“, предполага, че един ден ще има икономическа стойност в търговията с кредити за възобновяема енергия (REC). Икономическа оценка и кратка история на BIPV от Националната лаборатория за възобновяема енергия на САЩ през 2011 г. показват, че остават значителни технически предизвикателства, преди разходите за инсталиране на BIPV да могат да се конкурират с тези на фотоволтаичните системи. Въпреки това, нараства консенсусът, че BIPV системите, чрез широко разпространена комерсиализация, ще формират гръбнака на европейската цел за нулево енергийно разпределение на сгради (ZEB) до 2020 г. Въпреки обещаващите технически възможности, са идентифицирани и социални бариери пред широкото им приемане, като например консервативната култура на строителната индустрия и интеграцията в градското планиране с висока гъстота. Авторите посочват, че дългосрочното приемане вероятно ще зависи както от ефективни политически решения, така и от технологичното развитие.

Полупрозрачните слънчеви модули предлагат интересен начин за интегриране на фотоволтаични системи, интегрирани в сгради (BIPV), в архитектурата и градското планиране. Този нов вид производство на слънчева енергия е много вероятно да се превърне във важен компонент от глобалното производство на електроенергия в бъдеще.

Интегрираните в сградата фотоволтаични системи с полупрозрачни слънчеви модули са атрактивен вариант за изграждане на енергийно ефективни сгради. Тази технология може да помогне за намаляване на разходите за енергия, като същевременно подобри външния вид на сградата.

Освен това, полупрозрачни слънчеви панели могат да се използват за насочване на дневната светлина във вътрешността на сградата. Това не само спестява енергия, но и намалява разходите за изкуствено осветление.

В обобщение, сградно-интегрираните фотоволтаични системи (BIPV) са високоефективна и универсална форма на възобновяема енергия. Те имат потенциала да подобрят устойчиво енергийното снабдяване на сградите.

Слънчеви модули, изработени от кристален силиций, за наземни и покривни електроцентрали.

Аморфни кристални силициеви тънкослойни слънчеви фотоволтаични модули, които могат да бъдат кухи, леки, червени, сини и жълти, използвани като стъклена фасада и прозрачен покривни прозорци.

Тънкослойни клетки на базата на CIGS (медно-индийско-галиев селенид) върху гъвкави модули, които са ламинирани върху елемента на сградната обвивка, или CIGS клетките са монтирани директно върху основата на сградната обвивка.

Двойно остъклени слънчеви модули с квадратни клетки вътре.

плоски покриви

Най-разпространеното решение до момента е аморфна тънкослойна слънчева клетка, интегрирана в гъвкав полимерен модул, който е закрепен с лепилен филм между задния лист на слънчевия модул и покривната мембрана. Използвайки технологията медно-индиево-галиев селенид (CIGS), американска компания постигна ефективност на клетката от 17% за модули, интегрирани в сградата, в еднослойни TPO мембрани.

Скатни покриви

Соларните керемиди са (керамични) керемиди с вградени соларни модули. Керамичните соларни керемиди са разработени и патентовани от холандска компания през 2013 г.

Модули, оформени като няколко керемиди.

Слънчевите керемиди са модули, които изглеждат и функционират като обикновените керемиди, но съдържат гъвкава тънкослойна клетка.

Те удължават нормалния живот на покривите, като предпазват изолацията и мембраните от UV лъчение и повреди от вода. Те също така предотвратяват кондензацията, като поддържат точката на оросяване над покривната мембрана.

Металните наклонени покриви (както структурни, така и архитектурни) вече се оборудват с фотоволтаични функции, или чрез залепване на свободно стоящ гъвкав модул, или чрез термично и вакуумно запечатване на CIGS клетките директно върху основата.

фасада

Фасадите могат да бъдат прикрепени към съществуващи сгради, придавайки им напълно нов вид. Тези модули се монтират върху фасадата на сградата върху съществуващата конструкция, което може да увеличи привлекателността на сградата и нейната стойност при препродажба.

остъкляване

Фотоволтаичните прозорци са (полу)прозрачни модули, които могат да заменят редица архитектурни елементи, обикновено изработени от стъкло или подобни материали, като прозорци и покривни прозорци. Те не само генерират електрическа енергия, но могат да постигнат и допълнителни икономии на енергия благодарение на отличните си топлоизолационни свойства и способността си да контролират слънчевата радиация.

Фотоволтаични стъклени прозорци: Интегрирането на технологии за генериране на енергия в жилищни и търговски сгради отвори допълнителни области на изследване, които поставят по-голям акцент върху цялостната естетика на крайния продукт. Макар че целта остава постигането на висока ефективност, новите разработки в областта на фотоволтаичните прозорци също така целят да предложат на потребителите оптимално ниво на прозрачност на стъклото и/или възможност за избор от гама от цветове. Различно оцветени слънчеви панели могат да бъдат проектирани така, че оптимално да абсорбират специфични диапазони на дължината на вълната от по-широкия спектър. Цветното фотоволтаично стъкло е успешно разработено с помощта на полупрозрачни, перовскитни и багрилно-сенсибилизирани слънчеви клетки.

• Плазмонични слънчеви клетки, които абсорбират и отразяват цветна светлина, са разработени с помощта на технологията на Фабри-Перо-Еталон. Тези клетки се състоят от два успоредни, отразяващи метални филма и диелектрична кухина между тях. Двата електрода са изработени от сребро (Ag), а кухината между тях е от Sb₂O₃. Чрез промяна на дебелината и коефициента на пречупване на диелектричната кухина се променя дължината на вълната, която се абсорбира най-добре. Съчетаването на цвета на абсорбиращия слой със специфичната част от спектъра, за която дебелината и коефициентът на пречупване на клетката са най-подходящи, подобрява както естетиката на клетката, като засилва цвета ѝ и минимизира загубите на фототок. Устройствата с червена и синя светлина постигат пропускливост съответно от 34,7% и 24,6%. Сините устройства могат да преобразуват 13,3% от абсорбираната светлина в електричество, което ги прави най-ефективните от всички разработени и тествани цветни устройства.
• Технологията на перовскитните слънчеви клетки може да бъде настроена за червени, зелени и сини дължини на вълните чрез промяна на дебелината на металните нанонишки съответно на 8, 20 и 45 nm. Максимална енергийна ефективност от 10,12%, 8,17% и 7,72% е постигната чрез регулиране на отражателната способност на стъклото към дължината на вълната, за която съответната клетка е най-подходяща.
• Слънчевите клетки, сенсибилизирани с багрила, използват течни електролити, за да улавят светлината и да я преобразуват в използваема енергия, подобно на начина, по който естествените пигменти позволяват фотосинтезата в растенията. Докато хлорофилът е специфичният пигмент, отговорен за зеления цвят на листата, други естествено срещащи се пигменти, като каротеноиди и антоцианини, произвеждат вариации на оранжеви и лилави нюанси. Изследователи от Университета в Консепсион са демонстрирали жизнеспособността на слънчеви клетки, сенсибилизирани с багрила, които едновременно изглеждат живи и селективно абсорбират специфични дължини на вълните на светлината. Това евтино решение използва естествени пигменти, получени от плодове маки, черна мирта и спанак, като сенсибилизатори. Тези естествени сенсибилизатори след това се поставят между два слоя прозрачно стъкло. Въпреки че ефективността на тези особено евтини клетки остава неясна, предишни изследвания на слънчеви клетки, сенсибилизирани с органични багрила, са постигнали „висока ефективност на преобразуване на енергия от 9,8%.“.

Прозрачните слънчеви клетки използват покритие от калаен оксид от вътрешната страна на стъклените панели, за да провеждат електричество от клетката. Клетката съдържа титанов оксид, покрит с фотоелектрично багрило.

Повечето конвенционални слънчеви клетки използват видима и инфрачервена светлина за генериране на електричество. За разлика от това, тази иновативна нова слънчева клетка използва и ултравиолетова радиация. Ако се използва като заместител на конвенционалното стъкло на прозорците или се постави върху съществуващо стъкло, площта за монтаж може да бъде голяма, което води до потенциални приложения, които комбинират производство на енергия, осветление и контрол на температурата.

Друг термин за прозрачни фотоволтаици е „полупрозрачни фотоволтаици“ (те пропускат само половината от падащата светлина). Подобно на неорганичните фотоволтаици, органичните фотоволтаици също могат да бъдат полупрозрачни.

Неселективен по дължина на вълната

Някои фотоволтаични системи, които не селективно използват дължината на вълната, постигат полупрозрачност чрез пространствено сегментиране на непрозрачни слънчеви клетки. Този метод използва всякакъв вид непрозрачна слънчева клетка и разпределя няколко малки клетки върху прозрачен субстрат. Тази сегментация драстично намалява ефективността на преобразуване на енергия и увеличава предаването.

Друг клон на фотоволтаиците, неселективни по дължина на вълната, използва видимо абсорбиращи тънкослойни полупроводници с малки дебелини или достатъчно големи забранени зони, които позволяват на светлината да преминава. Това води до полупрозрачни фотоволтаици с подобен директен компромис между ефективност и пропускане, както пространствено сегментираните непрозрачни слънчеви клетки.

Друг клон на фотоволтаиците, неселективни по дължина на вълната, използва видимо абсорбиращи тънкослойни полупроводници с малка дебелина или достатъчно големи забранени зони, които позволяват на светлината да преминава. Това води до полупрозрачни фотоволтаици с подобен директен компромис между ефективност и пропускане, както при пространствено сегментираните непрозрачни слънчеви клетки.

Фотоволтаици, селективни по дължина на вълната

Фотоволтаиците със селективна дължина на вълната (WSPV) постигат прозрачност чрез използването на материали, които абсорбират само UV и/или NIR светлина, и са въведени за първи път през 2011 г. Въпреки по-високата пропускливост, ефективността на преобразуване на енергия е по-ниска поради редица проблеми. Те включват къси дължини на дифузия на екситоните, мащабиране на прозрачните електроди без компромис с ефективността и общ живот поради присъщата нестабилност на органичните материали, използвани във WSPV.

Иновации в прозрачните и полупрозрачни фотоволтаици

Ранните опити за разработване на неселективни по дължина на вълната полупрозрачни органични фотоволтаици с много тънки активни слоеве, абсорбиращи във видимия спектър, постигнаха ефективност под 1%. Въпреки това, през 2011 г. прозрачни органични фотоволтаици, използващи органичен донор на хлороалуминиев фталоцианин (ClAlPc) и фулеренов акцептор, демонстрираха абсорбция в ултравиолетовия и близкия инфрачервен (NIR) спектър с ефективност около 1,3% и пропускливост на видимата светлина над 65%. През 2017 г. изследователи от MIT разработиха метод за успешно отлагане на прозрачни графенови електроди върху органични слънчеви клетки, което доведе до 61% пропускливост на видимата светлина и подобрена ефективност от 2,8–4,1%.

Перовскитните слънчеви клетки, които са много популярни като фотоволтаици от следващо поколение с ефективност над 25%, също се оказаха обещаващи за прозрачни фотоволтаици. През 2015 г. полупрозрачна перовскитна слънчева клетка с перовскит от метиламониев оловен трийодид и горен електрод от сребърна нанопроводна мрежа демонстрира пропускане от 79% при дължина на вълната 800 nm и ефективност от приблизително 12,7%.