GIPV: hoonete integreeritud fotogalvaanilised ained osaliste läbipaistvate päikesemoodulitega – hoone integreeritud fotogalvaanidega

Hoonesse integreeritud fotogalvaanika – BIPV) on fotogalvaanilised materjalid, mis asendavad tavapäraseid ehitusmaterjale hoone väliskesta osades – näiteks katusel, katuseakendel või fassaadil. Neid lisatakse üha enam uute hoonete ehitamisse primaarse või sekundaarse energiaallikana ning ka olemasolevaid hooneid saab sarnase tehnoloogiaga moderniseerida. Integreeritud fotogalvaanika eelis tavapäraste mitteintegreeritud süsteemide ees on see, et esialgsed kulud saab kompenseerida ehitusmaterjalide ja tööjõukulude vähendamisega, mis tavaliselt oleksid vajalikud hoone selle osa ehitamiseks, mida BIPV moodulid asendavad. Lisaks võimaldab BIPV päikesesüsteemide laiemat kasutuselevõttu, kui hoone esteetika on oluline ja tavapärased riiulile paigaldatud päikesemoodulid rikuksid hoone kavandatud välimust.

Mõistet BAPV (hoone rakendatud fotogalvaanideks) ehitise integreeritud fotogalvaaniliseks jaoks kasutatakse mõnikord hoonesse integreeritud fotogalvaaniliste süsteemide viitamiseks. Enamik hoonete integreeritud süsteeme on tegelikult BAPV. Mõned tootjad ja ehitajad eristavad BIPV ja BAPV uute hoonete jaoks.

Fotogalvaaniliste moodulite rakendused hoonetes tekkisid 1970. aastatel. Alumiiniumraamidega fotogalvaanilised moodulid ühendati või paigaldati hoonetele, mis asusid tavaliselt kaugemates piirkondades, kus puudus juurdepääs elektrivõrgule. 1980. aastatel hakati fotogalvaanilisi mooduleid paigaldama katustele. Need fotogalvaanilised süsteemid paigaldati tavaliselt elektrivõrguga ühendatud hoonetele, mis asusid tsentraliseeritud elektrijaamadega piirkondades. 1990. aastatel muutusid kaubanduslikult kättesaadavaks BIPV ehitustooted, mis olid spetsiaalselt loodud hoone väliskesta integreerimiseks. Patrina Eifferti 1998. aasta doktoritöö pealkirjaga "BIPV majanduslik hindamine" püstitas hüpoteesi, et taastuvenergia krediitidega – REC) kauplemisel on ühel päeval majanduslikku väärtust. USA riikliku taastuvenergia labori 2011. aasta BIPV majanduslik hindamine ja lühiajalugu viitavad sellele, et enne, kui BIPV paigalduskulud suudavad konkureerida fotogalvaaniliste süsteemide hindadega, on veel olulisi tehnilisi väljakutseid. Siiski valitseb üha enam üksmeel, et BIPV-süsteemid moodustavad laialdase kommertsialiseerimise kaudu Euroopa nullenergiahoonete – ZEB) eesmärgi selgroo aastaks 2020. Vaatamata paljulubavatele tehnilistele võimalustele on tuvastatud ka sotsiaalseid takistusi laialdasele kasutuselevõtule, näiteks ehitustööstuse konservatiivne kultuur ja integreerumine tiheasustusega linnaplaneerimisse. Autorid juhivad tähelepanu sellele, et pikaajaline kasutuselevõtt sõltub tõenäoliselt sama palju tõhusatest poliitilistest otsustest kui tehnilisest arengust.

Osalised läbipaistvad päikeseenergiamoodulid pakuvad huvitavat viisi hoonete integreeritud fotogalvaaniliste (BIPV) integreerimiseks arhitektuuris ja linnaplaneerimises. See uut tüüpi päikeseenergia tootmine on tõenäoliselt tulevikus kogu maailmas elektritootmise oluline osa.

Osaliste läbipaistvate päikesemoodulitega hoonete integreeritud fotogalvaanipuu on atraktiivne võimalus energiatõhusate hoonete ehitamiseks. See tehnoloogia aitab vähendada energiavarustuse kulusid ja samal ajal hoone väliskülje paremaks muutmiseks.

Lisaks saab hoones päevavalguse suunamiseks kasutada osalisi läbipaistvaid päikesemooduleid. See mitte ainult ei säästa energiat, vaid vähendab ka kunstliku valgustuse kulusid.

Kokkuvõtlikult võib öelda, et hoone integreeritud fotogalvaaniline on väga tõhus ja mitmekülgne taastuvenergia tüüp. Sellel on potentsiaal hoonete energiavarustust jätkusuutlikult parandada.

Päikesemoodulid, mis on valmistatud kristalsest ränist väli- ja katuseelektrijaamade jaoks.

Amorfsed kristalsed räni-dünnshicht-solaarsed PV-moodulid, mis võivad olla õõnsad, heledad, punased, sinised ja kollased, klaasist fassaadina ja läbipaistva katuseaknana.

CIGS-l põhinevad (vask-indium-gallium-seleniid) õhukesed kihid painduvate moodulitega, mis lamineeritakse hoonempuli elemendiga, või paigaldatakse CIGS-i rakud otse hoone ümbrise substraadile.

Topelt klaasist päikesemoodulid, mille sees on ruudukujulised rakud.

Lamekatus

Seni kõige laialt levinum lahendus on amorfne õhukese kihiga päikeseelement, mis on integreeritud painduvasse polümeermoodulisse, mis on kinnitatud kleepuva kilega päikesemooduli tagaküljel kile ja katuseahend. Vase-indium-gallium-seleeniidi (CIGS) tehnoloogia abil saab Ameerika ettevõte saavutada ühekihiliste TPO membraanide ehituste integreeritud moodulite rakkude efektiivsuse 17 %.

Kaldus katus

Päikesekatuse plaadid on (keraamilised) katuseplaadid, millel on integreeritud päikesemoodulid. Keraamilise päikesekatuse plaatide välja töötas ja patenteeris Hollandi ettevõte 2013. aastal.

Moodulid, mis on kujundatud mitme katuseplaati.

Päikesepilt on moodulid, mis näevad välja ja töötavad nagu tavalised katusesindlid, kuid sisaldavad painduvat õhukese kihi lahtrit.

Need laiendavad katuste normaalset eluiga, kaitstes isolatsiooni ja membraanisid UV -kiirguse ja veekahjustuste eest. Lisaks välditakse kondenseerumist, kuna kastepunkt hoitakse katusemembraani kohal.

Metallilised kaldega katused (nii struktuurilised kui ka arhitektuurilised) on nüüd varustatud PV-funktsioonidega, liimides iseseisva painduva mooduli või otse substraadile otse substraadil asuvate CIGS-rakkude soojuse ja vaakumi tihendamise kaudu.

fassaad

Fassaade saab kinnitada olemasolevate hoonete külge ja anda vanadele hoonetele täiesti uus ilme. Need moodulid on kinnitatud olemasoleva konstruktsiooni kohal oleva hoone fassaadi külge, mis võib suurendada hoone atraktiivsust ja selle edasimüügi väärtust.

klaasimine

Fotogalvaanilised aknad on (pooled) läbipaistvad moodulid, mis võivad asendada mitmeid arhitektuurielemente, mis on tavaliselt valmistatud klaasist või sarnastest materjalidest, näiteks: B. aknad ja katuseaknad. Nad ei genereeri mitte ainult elektrienergiat, vaid võivad põhjustada ka täiendavat energiasäästu nende suurepäraste soojuisolatsiooniomaduste ja päikesekiiride kontrolli tõttu.

Fotogalvaanilised klaasist aknad: energiatootmise tehnoloogiate integreerimine elamu- ja ärihoonetes on avanud täiendavaid uurimisvaldkondi, kus lõpptoote üldist esteetikat rohkem arvesse võetakse. Kuigi eesmärk on endiselt saavutada kõrge tõhusus, on fotogalvaaniliste akende uute arengute eesmärk ka tarbijate valimine optimaalne klaasist läbipaistvuse ja/või võimaluse valida värviseeria hulgast. Erinevat värvi päikesepaneele saab kujundada nii, et need imavad optimaalselt laiemast spektrist teatud lainepikkusi. Värviline fotogalvaaniline klaasi töötati edukalt välja poolvanker, perovsky ja värvainetundlike päikesepatareidega.

• Fabry Pérot-Taloni tehnoloogiaga töötati välja plasmonaalseid päikesepatareisid, mis neelavad ja peegeldavad värvilist valgust. Need rakud koosnevad "kahest paralleelsest peegeldavast metallkilest ja nende vahel dielektrilise õõnsuse kilest". Kaks elektroodi koosnevad SB2O3 -st nendevahelisest AG -st ja nendevahelisest õõnsusest. Muutes dielektrilise õõnsuse paksust ja murdumisnäitajat, muutub kõige paremini imendunud lainepikkus. Neeldumiskihi klaasi värvi kohandamine spektri konkreetse osaga, millele on kõige parem koordineerida paksus ja raku murdumisnäitaja, parandab nii raku esteetikat, intensiivistades selle värvi ja minimeerides fotovoogude kadusid. Punase ja sinise valguse seadmetega saavutati läbilaskvus 34,7 % ehk 24,6 %. Sinised seadmed võivad muuta 13,3 % imatud valgust elektrienergiaks, mis teeb sellest kõige tõhusamaks kõigist välja töötatud ja testitud värvilistest seadmetest.
• Perowskiti päikeseelementide tehnoloogiat saab kohandada punaseks, roheliseks ja siniseks, muutes metalliliste nanojuhtmete paksust 8, 20 ja 45 nm -ni. Maksimaalne efektiivsus 10,12 %, 8,17 % ja 7,72 % saavutati klaasi peegelduse kohandamisega lainepikkusega, mille jaoks vastav rakk sobib kõige paremini.
• Värvirakud kasutavad valguse hõivamiseks ja kasutatavaks energiaks muutmiseks vedelaid elektrolüüte; See juhtub sarnaselt sellega, kuidas looduslikud pigmendid võimaldavad taimedes fotosünteesi. Kui klorofüll on konkreetne pigment, mis vastutab lehtede rohelise värvi eest, loovad teised looduses esinevad oranži- ja violetsete värvide variatsioonid. Concepcioni ülikooli teadlased on demonstreerinud värvaine sensibiliseeritud värviliste päikesepatareide elujõulisust, mis nii ilmuvad kui ka selektiivselt imavad teatud valguse lainepikkusi. Selle odava lahenduse abil saadakse sensiteerina Maqui puuviljade, mustade mürtide ja spinati looduslikud pigmendid. Seejärel kinnitatakse need looduslikud sensiteerid kahe läbipaistvast klaasist valmistatud kihi vahele. Ehkki nende eriti odavate rakkude tõhusus on endiselt ebaselge, võiksid varasemad uuringud orgaaniliste värvainerakkude valdkonnas saavutada „suure elektrienergia muundamise efektiivsuse 9,8 %”.

Läbipaistvad päikesepatarei rakud kasutavad klaasist sisekülgede siseküljel tinaoksiidi katte, et voolu lahtrist suunata. Rakk sisaldab titaanoksiidi, mis on kaetud fotoelektrilise värvainega.

Enamik tavapäraseid päikeseenergia rakke kasutab elektrienergia tootmiseks nähtavat ja infrapunavalgust. Seevastu uuenduslik uus päikeseenergiarakk kasutab ka ultraviolettkiirgust. Kui seda kasutatakse tavalise aknaklaasi asendajana või asetatakse üle klaasi, võib paigalduspiirkond olla suur, mis viib potentsiaalsete rakendusteni, mis kasutavad elektritootmise, valgustuse ja temperatuuri juhtimise kombineeritud funktsioone.

Teine läbipaistva fotogalvaaniliste ainete nimi on “poolläbipaistev fotogalvaanilaan” (nad lasid ainult poole valguse langeda). Sarnaselt anorgaaniliste fotogalvaanidega võib orgaanilised fotogalvaanilised ained olla ka valguse jaoks läbilaskvad.

Mittelainepikkus selektiivne

Mõned mitte lainepikkusel põhinevad fotogalvaanilised süsteemid saavutavad läbipaistmatute päikeseenergia rakkude ruumilise segmenteerimise kaudu poolaasta. Selle meetodi abil kasutatakse kõiki valgust avatavaid päikesepatareid ja mitut väikest rakku jaotatakse läbipaistval substraadil. See jagunemine vähendab drastiliselt energia muundamise tõhusust ja suurendab käigukasti.

Teine mittelainepikkusega selektiivsete fotogalvaanide haru kasutab nähtavalt imenduvaid õhukesi kile pooljuhid väikeste paksustega või piisavalt suure riba lünkadega, mis võimaldavad valgust läbi saada. Selle tulemuseks on pooleldi läbipaistvad fotogalvaanilised ained, mille efektiivsuse ja ülekande vahel on sarnane joon kui ruumiliselt segmenteeritud läbipaistmatud päikesepatareide vahel.

Teine mittelainepikkusega selektiivse fotogalvaanilise haru kasutab nähtavalt imenduvat õhukese kihiga liidrit, millel on madala paksu või piisavalt suur riba lüngad, mis lasevad läbi valguse. See põhjustab poolülekande fotogalvaanilasi, millel on sarnane otsene kompromiss efektiivsuse ja ülekande vahel nagu ruumiliselt segmenteeritud läbipaistmatud päikesepatareide vahel.

Lainepikkusega tundlik fotogalvaaniline

Lainepikkuse selektiivne fotogalvaanilised ained saavutavad läbipaistvuse, kasutades materjale, mis neelavad ainult UV ja/või NIR valgust, ning seda esitleti esmakordselt 2011. aastal. Vaatamata suuremale läbilaskvusele on energia muundamise tõhusus paljude probleemide tõttu madalam. See hõlmab väikseid eksitonide difusioonipikkusi, läbipaistvate elektroodide skaleerimist ilma efektiivsust kahjustamata ja üldist eluiga, mis on tingitud TPV -des üldiselt kasutatavate orgaaniliste materjalide ebakõla tõttu.

Uuendused läbipaistvas ja poolläbipaistvas fotogalvaanilises

Varased katsed arendada lainepikkuse selektiivset poolautomaatset orgaanilisi fotogalvaanilaid, millel on väga õhukesed aktiivsed kihid, mis neelavad nähtavas spektris, saavutada ainult vähem kui 1 %tõhusust. 2011. aastal näitasid 2011. aastal läbipaistvad orgaanilise kloralumiiniumftalotsüaniin-likööri (CLALPC) ja Fullereni aktseptoriga orgaanilise kloralumiinium-ftalotsüaniin-likvideerijaga ultraviolettkiirguse ja lähedase infrapunaspektri (NIR) neeldumist efektiivsusega 1,3 % ja kerge loatavuse neeldumine üle 65 %. 2017. aastal töötasid kaaslahendajad läbi läbipaistvate graafiliste elektroodide eduka eraldamise orgaaniliste päikeseenergiarakkude jaoks, mis viis nähtava valguse ja parema efektiivsuse saavutamiseks 61% -lise läbilaskvuseni 2,8–4,1%.

Perowskiti päikeseelemendid, mis on väga populaarsed kui järgmise põlvkonna fotogalvaanilised, mille efektiivsus on üle 25 %, on osutunud ka läbipaistvate fotogalvaanide jaoks paljulubavaks. Aastal 2015 näitas poolläbipaistev perovskiti päikeseelement, mille metüülammooniumi pleegik-perrovskit ja hõbedane Anano-juhtme pealmine elektrood näitas ülekandumist 79 % lainepikkusega 800 nm ja efektiivsusega umbes 12,7 %.