GiPV: Fotovoltaika integrovaná do budovy s částečně průhlednými solárními moduly – fotovoltaika integrovaná do budovy

Fotovoltaika integrovaná do budovy – GiPV (Building-integrated photovoltaics – BIPV) jsou fotovoltaické materiály, které nahrazují klasické stavební materiály v částech obálky budovy jako je střecha, světlíky nebo fasáda. Stále častěji se začleňují do výstavby nových budov jako hlavní nebo vedlejší zdroj elektřiny, i když stávající budovy lze také dovybavit podobnou technologií. Výhodou integrované fotovoltaiky oproti obvyklým neintegrovaným systémům je to, že počáteční náklady lze kompenzovat snížením výdajů na stavební materiál a práci, které by byly normálně nutné k výstavbě části budovy, kterou moduly BIPV nahrazují. BIPV navíc umožňuje širší přijetí solárních instalací, když jde o estetiku budovy a tradiční stojanové solární panely by narušily zamýšlený vzhled budovy.

Termín BAPV (Building-applied photovoltaics) pro fotovoltaiku integrovanou do budovy se někdy používá pro označení fotovoltaických systémů, které jsou následně integrovány do budovy. Většina systémů integrovaných do budovy je ve skutečnosti BAPV. Někteří výrobci a stavitelé rozlišují u nových budov mezi BIPV a BAPV.

FV aplikace pro budovy se objevily v 70. letech 20. století. Fotovoltaické panely s hliníkovým rámem byly připojeny nebo namontovány na budovy, které byly obvykle umístěny v odlehlých oblastech bez přístupu k elektrické síti. V 80. letech se na střechy začaly instalovat fotovoltaické moduly. Tyto fotovoltaické systémy byly obvykle instalovány na budovách připojených k elektrické síti a umístěných v oblastech s centralizovanými elektrárnami. V 90. letech 20. století se staly komerčně dostupné stavební produkty BIPV speciálně navržené pro integraci do pláště budovy. Doktorská práce Patriny Eiffertové z roku 1998 nazvaná Ekonomické hodnocení BIPV předpokládala, že jednoho dne bude mít ekonomickou hodnotu obchodování s kredity z obnovitelné energie (REC). Ekonomické hodnocení a stručný přehled historie BIPV z roku 2011, který provedla americká Národní laboratoř pro obnovitelné zdroje energie, naznačuje, že stále existují značné technické problémy, které je třeba překonat, než budou náklady na instalaci BIPV konkurovat nákladům na fotovoltaické systémy. Stále více však panuje shoda v tom, že systémy BIPV díky své široké komercializaci budou do roku 2020 tvořit páteř evropského cíle budov s nulovou spotřebou energie (ZEB). Navzdory slibným technickým možnostem byly také identifikovány sociální bariéry širokého využití, jako je konzervativní kultura stavebního průmyslu a integrace do urbanistického plánování s vysokou hustotou. Autoři poukazují na to, že dlouhodobé používání bude pravděpodobně záviset stejně na efektivních politických rozhodnutích jako na technickém rozvoji.

Částečně průhledné solární moduly nabízejí zajímavou příležitost k integraci stavebně integrované fotovoltaiky (BIPV) do architektury a urbanismu. Tento nový typ výroby solární energie bude s největší pravděpodobností v budoucnu celosvětově důležitou součástí výroby elektřiny.

Fotovoltaika integrovaná do budovy s částečně průhlednými solárními moduly je atraktivní variantou pro výstavbu energeticky úsporných budov. Tato technologie může pomoci snížit náklady na dodávky energie a zároveň zlepšit exteriér budovy.

Poloprůhledné solární moduly lze navíc použít k nasměrování denního světla do interiéru budovy. To nejen šetří energii, ale také snižuje náklady na umělé osvětlení.

Souhrnně lze říci, že fotovoltaika integrovaná do budovy je velmi účinným a všestranným typem obnovitelné energie. Má potenciál trvale zlepšit zásobování budov energií.

Solární moduly vyrobené z krystalického křemíku pro pozemní a střešní elektrárny.

Amorfní krystalické křemíkové tenkovrstvé solární fotovoltaické moduly, které mohou být duté, světlé, červené, modré a žluté, jako skleněná fasáda a průhledný světlík.

Tenkovrstvé články na bázi CIGS (měď-indium-gallium-selenid) na flexibilních modulech, které jsou laminovány na prvek pláště budovy, nebo jsou články CIGS namontovány přímo na substrát pláště budovy.

Dvojité skleněné solární panely se čtvercovými články uvnitř.

Ploché střechy

Dosud nejpoužívanějším řešením je amorfní tenkovrstvý solární článek integrovaný do flexibilního polymerového modulu, který je mezi zadní fólií solárního modulu a hydroizolací střechy zajištěn lepicí fólií. Pomocí technologie selenidu mědi a india a galia (CIGS) může americká společnost dosáhnout 17% účinnosti článků pro integrované moduly v jednovrstvých TPO membránách.

Šikmé střechy

Solární střešní tašky jsou (keramické) střešní tašky s integrovanými solárními moduly. Keramická solární střešní taška byla vyvinuta a patentována holandskou společností v roce 2013.

Moduly ve tvaru několika střešních tašek.

Solární šindele jsou panely, které vypadají a fungují jako běžné šindele, ale obsahují flexibilní tenkovrstvý článek.

Prodlužují běžnou životnost střech tím, že chrání izolaci a membrány před UV zářením a poškozením vodou. Rovněž je zabráněno kondenzaci, protože rosný bod je udržován nad střešní membránou.

Kovové šikmé střechy (konstrukční i architektonické) jsou nyní vybaveny fotovoltaickými funkcemi, a to buď lepením volně stojícího flexibilního modulu nebo tepelným a vakuovým utěsněním článků CIGS přímo k substrátu.

fasáda

Fasády mohou být připojeny ke stávajícím budovám a dát starým budovám zcela nový vzhled. Tyto moduly jsou připevněny k fasádě budovy přes stávající konstrukci, což může zvýšit atraktivitu budovy a její hodnotu při dalším prodeji.

zasklení

Fotovoltaická okna jsou (polo)průhledné moduly, které mohou nahradit řadu architektonických prvků obvykle vyrobených ze skla nebo podobných materiálů, jako např. B. Okna a světlíky. Nejenže vyrábějí elektrickou energii, ale díky svým vynikajícím tepelně izolačním vlastnostem a regulaci slunečního záření mohou poskytnout další úspory energie.

Fotovoltaická skleněná okna: Integrace technologií výroby energie do obytných a komerčních budov otevřela další oblasti výzkumu, které kladou větší důraz na celkovou estetiku konečného produktu. Zatímco cílem zůstává dosažení vysoké účinnosti, nový vývoj ve fotovoltaických oknech má rovněž za cíl poskytnout spotřebitelům optimální úroveň průhlednosti skla a/nebo možnost výběru z řady barev. Různé barevné solární panely mohou být navrženy tak, aby optimálně absorbovaly určité rozsahy vlnových délek ze širšího spektra. Barevné fotovoltaické sklo bylo úspěšně vyvinuto pomocí poloprůhledných, perovskitových a barvivem citlivých solárních článků.

• Plazmonické solární články, které pohlcují a odrážejí barevné světlo, byly vyvinuty pomocí technologie Fabry-Pérot-Etalon. Tyto články se skládají ze „dvou paralelních, reflexních kovových filmů a filmu s dielektrickou dutinou mezi nimi“. Dvě elektrody jsou vyrobeny z Ag a dutina mezi nimi je vyrobena z Sb2O3. Změna tloušťky a indexu lomu dielektrické dutiny mění vlnovou délku, která je nejlépe absorbována. Přizpůsobení barvy skla absorpční vrstvy konkrétní části spektra, které nejlépe odpovídá tloušťka článku a index lomu, zlepšuje estetiku článku zesílením jeho barvy a minimalizací ztrát fotoproudu. Pro zařízení s červeným a modrým světlem bylo dosaženo propustnosti 34,7 % a 24,6 %. Modrá zařízení dokážou přeměnit 13,3 % absorbovaného světla na elektřinu, díky čemuž jsou nejúčinnější ze všech barevných zařízení vyvinutých a testovaných.
• Technologie perovskitových solárních článků může být naladěna na červenou, zelenou a modrou změnou tloušťky kovových nanodrátů na 8, 20 a 45 nm. Maximální energetické účinnosti 10,12 %, 8,17 % a 7,72 % bylo dosaženo úpravou odrazivosti skla na vlnovou délku, pro kterou je každý článek nejvhodnější.
• Dye solární články využívají kapalné elektrolyty k zachycení světla a jeho přeměně na použitelnou energii; k tomu dochází podobným způsobem, jakým přírodní pigmenty umožňují fotosyntézu v rostlinách. Zatímco chlorofyl je specifický pigment zodpovědný za zelenou barvu listů, jiné přirozeně se vyskytující pigmenty, jako jsou karotenoidy a antokyany, vytvářejí variace oranžové a fialové barvy. Vědci z University of Concepcion prokázali životaschopnost barevných solárních článků citlivých na barvivo, které se objevují a selektivně absorbují určité vlnové délky světla. Toto cenově výhodné řešení využívá jako senzibilizátory přírodní pigmenty z ovoce maqui, černé myrty a špenátu. Tyto přírodní senzibilizátory jsou pak umístěny mezi dvě vrstvy průhledného skla. Zatímco účinnost těchto zvláště levných článků je stále nejasná, předchozí výzkum v oblasti článků s organickým barvivem dokázal dosáhnout „vysoké účinnosti přeměny energie 9,8 %.

Transparentní solární články používají povlak oxidu cínu na vnitřní straně skleněných tabulí k vedení elektřiny ven z článku. Článek obsahuje oxid titaničitý potažený fotoelektrickým barvivem.

Většina konvenčních solárních článků využívá k výrobě elektřiny viditelné a infračervené světlo. Naproti tomu inovativní nový solární článek využívá také ultrafialové záření. Při použití jako náhrada za tradiční okenní sklo nebo umístění přes sklo může být instalační plocha velká, což vede k potenciálním aplikacím, které využívají kombinované funkce výroby energie, osvětlení a regulace teploty.

Jiný název pro transparentní fotovoltaiku je „průsvitná fotovoltaika“ (propouští jen polovinu světla, které na ni dopadá). Podobně jako anorganická fotovoltaika může být i organická fotovoltaika průsvitná.

Není selektivní pro vlnovou délku

Některé fotovoltaické systémy neselektivní pro vlnovou délku dosahují poloprůhlednosti prostřednictvím prostorové segmentace neprůhledných solárních článků. Tato metoda využívá jakékoli neprůhledné solární články a distribuuje několik malých článků na průhledném substrátu. Toto rozdělení drasticky snižuje účinnost přeměny energie a zvyšuje přenos.

Další odvětví neselektivní fotovoltaiky vlnové délky využívá viditelně absorbující tenkovrstvé polovodiče s malými tloušťkami nebo dostatečně velkými mezerami v pásmu, které umožňují průchod světla. Výsledkem je poloprůhledná fotovoltaika s podobným přímým kompromisem mezi účinností a přenosem jako prostorově segmentované neprůhledné solární články.

Další odvětví neselektivní fotovoltaiky pro vlnové délky využívá viditelně absorbující tenkovrstvé polovodiče s malými tloušťkami nebo dostatečně velkými mezerami v pásmu, které umožňují průchod světla. To vede k poloprůhledné fotovoltaice s podobným přímým kompromisem mezi účinností a přenosem jako prostorově segmentované neprůhledné solární články.

Vlnově selektivní fotovoltaika

Fotovoltaika selektivní pro vlnové délky dosahuje průhlednosti díky použití materiálů, které absorbují pouze UV ​​a/nebo NIR světlo a byla poprvé představena v roce 2011. Navzdory vyšší propustnosti je účinnost přeměny energie nižší kvůli řadě problémů. Patří mezi ně malé difúzní délky excitonu, škálování průhledných elektrod bez snížení účinnosti a celková životnost kvůli nestabilitě organických materiálů používaných v TPV obecně.

Inovace v transparentní a průsvitné fotovoltaice

Rané pokusy vyvinout poloprůhlednou organickou fotovoltaiku neselektivní pro vlnové délky s velmi tenkými aktivními vrstvami, které absorbují ve viditelném spektru, byly schopny dosáhnout účinnosti pouze menší než 1 %. V roce 2011 však transparentní organická fotovoltaika s organickým donorem chloraluminiumftalokyaninu (ClAlPc) a fullerenovým akceptorem vykázala absorpci v ultrafialovém a blízkém infračerveném (NIR) spektru s účinností kolem 1,3 % a propustností viditelného světla přes 65 %. V roce 2017 výzkumníci MIT vyvinuli metodu pro úspěšné nanášení transparentních grafenových elektrod na organické solární články, což má za následek 61% propustnost viditelného světla a zlepšenou účinnost o 2,8-4,1%.

Perovskitové solární články, které jsou velmi oblíbené jako fotovoltaika nové generace s účinností přesahující 25 %, se také ukázaly jako slibné pro transparentní fotovoltaiku. V roce 2015 prokázal poloprůhledný perovskitový solární článek využívající perovskit trijodid methylamonný a stříbrnou nanodrátovou mřížkovou horní elektrodu propustnost 79 % při vlnové délce 800 nm a účinnost asi 12,7 %.