GiPV: Fotovoltaika integrovaná do budovy s poloprůhlednými solárními moduly

Fotovoltaika integrovaná do budovy (BIPV) označuje fotovoltaické materiály, které nahrazují konvenční stavební materiály v částech pláště budovy, jako je střecha, světlíky nebo fasáda. Stále častěji se integrují do nových budov jako primární nebo sekundární zdroj energie a stávající budovy lze také dovybavit podobnou technologií. Výhodou integrované fotovoltaiky oproti konvenčním neintegrovaným systémům je, že počáteční náklady lze kompenzovat snížením výdajů na stavební materiály a práci, které by normálně byly potřeba k výstavbě části budovy, kterou moduly BIPV nahrazují. BIPV navíc umožňuje širší přijetí solárních instalací, když je důležitá estetika budovy a konvenční stojanové solární panely by narušovaly zamýšlený vzhled.

Termín BAPV (building-applied photovoltaics - fotovoltaika aplikovaná v budovách) se někdy používá k označení fotovoltaických systémů, které jsou dodatečně instalovány do budovy. Většina systémů integrovaných do budov je skutečně BAPV. Někteří výrobci a developeři rozlišují mezi BIPV a BAPV v novostavbách.

Aplikace fotovoltaiky integrované do budov (BIPV) se objevily v 70. letech 20. století. Fotovoltaické moduly s hliníkovým rámem byly připevněny k budovám nebo namontovány na nich, obvykle umístěných v odlehlých oblastech bez přístupu k elektrické síti. V 80. letech 20. století se začaly instalovat střešní fotovoltaické systémy. Tyto fotovoltaické systémy byly obvykle instalovány na budovy připojené k elektrické síti a umístěné v oblastech s centralizovanými elektrárnami. V 90. letech 20. století se komerčně dostupné staly produkty BIPV speciálně navržené pro integraci do pláště budovy. Doktorská disertační práce Patriny Eiffertové z roku 1998 s názvem „Ekonomické hodnocení BIPV“ předpokládala, že jednoho dne bude mít obchodování s kredity za obnovitelné zdroje energie (REC) ekonomickou hodnotu. Ekonomické hodnocení a stručná historie BIPV, které provedla americká Národní laboratoř pro obnovitelnou energii v roce 2011, naznačuje, že než budou náklady na instalaci BIPV moci konkurovat nákladům na fotovoltaické systémy, zůstávají ještě značné technické výzvy. Roste však shoda v tom, že systémy BIPV (Better Energy Building) budou díky široké komercializaci tvořit páteř evropského cíle pro budovy s nulovou spotřebou energie (ZEB) do roku 2020. Navzdory slibným technickým možnostem byly identifikovány i sociální překážky širokého přijetí, jako je konzervativní kultura stavebnictví a integrace do urbanistického plánování s vysokou hustotou zástavby. Autoři poukazují na to, že dlouhodobé přijetí bude pravděpodobně záviset stejně tak na účinných politických rozhodnutích jako na technologickém rozvoji.

Poloprůhledné solární moduly nabízejí zajímavý způsob, jak integrovat fotovoltaiku integrovanou do budov (BIPV) do architektury a urbanistického plánování. Tento nový typ výroby solární energie se s vysokou pravděpodobností v budoucnu stane důležitou součástí globální výroby elektřiny.

Fotovoltaika integrovaná do budovy s poloprůhlednými solárními moduly je atraktivní možností pro výstavbu energeticky úsporných budov. Tato technologie může pomoci snížit náklady na energii a zároveň vylepšit exteriér budovy.

Dále lze poloprůhledné solární panely použít k nasměrování denního světla do interiéru budovy. To nejen šetří energii, ale také snižuje náklady na umělé osvětlení.

Stručně řečeno, fotovoltaika integrovaná do budov (BIPV) je vysoce účinná a všestranná forma obnovitelné energie. Má potenciál udržitelně zlepšit zásobování budov energií.

Solární moduly z krystalického křemíku pro pozemní a střešní elektrárny.

Amorfní krystalické křemíkové tenkovrstvé solární fotovoltaické moduly, které mohou být duté, lehké, červené, modré a žluté, používané jako skleněná fasáda a průhledné střešní okno.

Tenkovrstvé články na bázi CIGS (selenid mědi, india, galia) na flexibilních modulech, které jsou laminovány na prvek obvodového pláště budovy, nebo jsou články CIGS montovány přímo na substrát obvodového pláště budovy.

Dvojsklo solárních modulů s čtvercovými články uvnitř.

ploché střechy

Nejrozšířenějším řešením je dosud amorfní tenkovrstvý solární článek integrovaný do flexibilního polymerního modulu, který je připevněn lepicí fólií mezi zadní vrstvou solárního modulu a střešní membránou. Pomocí technologie selenidu mědi, india, galia (CIGS) dosáhla americká společnost účinnosti článku 17 % u modulů integrovaných do budovy v jednovrstvých TPO membránách.

Šikmé střechy

Solární střešní tašky jsou (keramické) střešní tašky s integrovanými solárními moduly. Keramické solární střešní tašky byly vyvinuty a patentovány nizozemskou společností v roce 2013.

Moduly ve tvaru několika střešních tašek.

Solární šindele jsou moduly, které vypadají a fungují jako běžné šindele, ale obsahují flexibilní tenkovrstvou buňku.

Prodlužují běžnou životnost střech tím, že chrání izolaci a membrány před UV zářením a poškozením vodou. Také zabraňují kondenzaci tím, že udržují rosný bod nad střešní membránou.

Kovové šikmé střechy (jak konstrukční, tak architektonické) jsou nyní vybavovány fotovoltaickými funkcemi, a to buď lepením volně stojícího flexibilního modulu, nebo tepelným a vakuovým utěsněním CIGS článků přímo na podklad.

fasáda

Fasády lze připevnit ke stávajícím budovám a dodat jim tak zcela nový vzhled. Tyto moduly se montují na fasádu budovy přes stávající konstrukci, což může zvýšit atraktivitu budovy a její prodejní hodnotu.

zasklení

Fotovoltaická okna jsou (polo)průhledné moduly, které mohou nahradit řadu architektonických prvků obvykle vyrobených ze skla nebo podobných materiálů, jako jsou okna a střešní okna. Nejenže vyrábějí elektrickou energii, ale díky svým vynikajícím tepelněizolačním vlastnostem a schopnosti regulovat sluneční záření mohou také dosáhnout dalších úspor energie.

Fotovoltaická skleněná okna: Integrace technologií pro výrobu energie do obytných a komerčních budov otevřela další oblasti výzkumu, které kladou větší důraz na celkovou estetiku konečného produktu. Cílem zůstává dosažení vysoké účinnosti, ale nový vývoj fotovoltaických oken se také zaměřuje na nabídku spotřebitelům optimální úrovně průhlednosti skla a/nebo možnosti výběru z řady barev. Různě barevné solární panely lze navrhnout tak, aby optimálně absorbovaly specifické vlnové délky z širšího spektra. Barevné fotovoltaické sklo bylo úspěšně vyvinuto s použitím poloprůhledných, perovskitových a barvivem senzibilizovaných solárních článků.

• Plazmonické solární články, které absorbují a odrážejí barevné světlo, byly vyvinuty pomocí technologie Fabry-Pérot-Etalon. Tyto články se skládají ze dvou rovnoběžných, reflexních kovových filmů a dielektrické dutiny mezi nimi. Dvě elektrody jsou vyrobeny ze stříbra (Ag) a dutina mezi nimi je vyrobena ze Sb₂O₃. Změnou tloušťky a indexu lomu dielektrické dutiny se mění vlnová délka, která je nejlépe absorbována. Přizpůsobení barvy absorpční vrstvy skla specifické části spektra, pro kterou je tloušťka a index lomu článku nejvhodnější, zlepšuje jak estetiku článku, tak intenzívnější barvu a minimalizuje ztráty fotoelektrického proudu. Zařízení s červeným a modrým světlem dosáhla propustnosti 34,7 %, respektive 24,6 %. Zařízení s modrým světlem dokáží přeměnit 13,3 % absorbovaného světla na elektřinu, což z nich činí nejúčinnější ze všech vyvinutých a testovaných barevných zařízení.
• Technologie perovskitových solárních článků může být naladěna pro červenou, zelenou a modrou vlnovou délku 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 příslušný článek nejvhodnější.
• Barvivem senzibilizované solární články používají kapalné elektrolyty k zachycení světla a jeho přeměně na využitelnou energii, podobně jako 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, produkují variace oranžových a fialových odstínů. Výzkumníci z Univerzity v Concepciónu prokázali životaschopnost barvivem senzibilizovaných barevných solárních článků, které se jeví jako zářivě zářivé a selektivně absorbují specifické vlnové délky světla. Toto nízkonákladové řešení využívá jako senzibilizátory přírodní pigmenty získané z plodů maqui, černé myrty a špenátu. Tyto přírodní senzibilizátory jsou poté vloženy mezi dvě vrstvy průhledného skla. I když účinnost těchto obzvláště levných článků zůstává nejasná, předchozí výzkum solárních článků s organickým barvivem dosáhl „vysoké účinnosti přeměny energie 9,8 %“.

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

Většina konvenčních solárních článků využívá k výrobě elektřiny viditelné a infračervené světlo. Naproti tomu tento inovativní nový solární článek využívá také ultrafialové záření. Pokud by se použil jako náhrada za konvenční okenní sklo nebo by se umístil přes stávající sklo, instalační plocha by mohla být velká, což by vedlo k potenciálním aplikacím, které kombinují výrobu energie, osvětlení a regulaci teploty.

Dalším termínem pro transparentní fotovoltaiku je „průsvitná fotovoltaika“ (propouští pouze polovinu dopadajícího světla). Podobně jako anorganická fotovoltaika může být i organická fotovoltaika průsvitná.

Neselektivní vůči vlnové délce

Některé fotovoltaické systémy bez vlnové délky dosahují poloprůhlednosti prostorovou segmentací neprůhledných solárních článků. Tato metoda využívá jakýkoli typ neprůhledného solárního článku a rozmístí několik malých článků na průhledný substrát. Tato segmentace drasticky snižuje účinnost přeměny energie a zvyšuje přenos energie.

Další odvětví fotovoltaiky neselektivní k vlnovým délkám využívá viditelně absorbující tenkovrstvé polovodiče s malou tloušťkou nebo dostatečně velkými pásmovými mezerami, které umožňují průchod světla. Výsledkem jsou poloprůhledné fotovoltaiky s podobným přímým kompromisem mezi účinností a propustností jako prostorově segmentované neprůhledné solární články.

Další odvětví fotovoltaiky neselektivní k vlnovým délkám využívá viditelně absorbující tenkovrstvé polovodiče s nízkou tloušťkou nebo dostatečně velkými pásmovými mezerami, které umožňují průchod světla. Výsledkem jsou poloprůhledné fotovoltaiky s podobným přímým kompromisem mezi účinností a propustností jako prostorově segmentované neprůhledné solární články.

Fotovoltaika selektivní podle vlnové délky

Fotovoltaika selektivní podle vlnové délky (WSPV) dosahuje transparentnosti 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 krátké difúzní délky excitonů, odlupování transparentních elektrod bez kompromisů v účinnosti a celková životnost v důsledku inherentní nestability organických materiálů používaných ve WSPV.

Inovace v oblasti průhledné a průsvitné fotovoltaiky

První pokusy o vývoj poloprůhledných organických fotovoltaických systémů bez vlnové délky, s velmi tenkými aktivními vrstvami absorbujícími ve viditelném spektru, dosáhly účinnosti menší než 1 %. V roce 2011 však transparentní organické fotovoltaické systémy s použitím organického donoru chlorohlinitého ftalocyaninu (ClAlPc) a akceptoru fullerenu prokázaly absorpci v ultrafialovém a blízkém infračerveném (NIR) spektru s účinností kolem 1,3 % a propustností viditelného světla přesahující 65 %. V roce 2017 vědci z MIT vyvinuli metodu pro úspěšné nanášení transparentních grafenových elektrod na organické solární články, což vedlo k propustnosti viditelného světla 61 % a zlepšení účinnosti 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 poloprůhledný perovskitový solární článek s perovskitem z methylamonium-olovnatého trijodidu a horní elektrodou z mřížky ze stříbrných nanodrátů prokázal propustnost 79 % při vlnové délce 800 nm a účinnost přibližně 12,7 %.