GiPV: Hoonesse integreeritud fotogalvaanika poolläbipaistvate päikesemoodulitega

Hoonesse integreeritud fotogalvaanika (BIPV) viitab fotogalvaanilistele materjalidele, mis asendavad tavapäraseid ehitusmaterjale hoone väliskesta osades, näiteks katusel, katuseakendel või fassaadil. Seda integreeritakse üha enam uutesse hoonetesse 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 päikesepaneelide laiemat aktsepteerimist, kui hoone esteetika on oluline ja tavapärased, riiulile paigaldatud päikesepaneelid kahjustaksid kavandatud välimust.

Mõistet BAPV (hoonesse integreeritud fotogalvaanika) kasutatakse mõnikord hoonesse hiljem paigaldatavate fotogalvaaniliste süsteemide kohta. Enamik hoonesse integreeritud süsteeme on tõepoolest BAPV. Mõned tootjad ja arendajad eristavad uusehitistes BIPV-d ja BAPV-d.

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

Poolläbipaistvad päikesemoodulid pakuvad huvitavat viisi hoonesse integreeritud fotogalvaanika (BIPV) integreerimiseks arhitektuuri ja linnaplaneerimisse. Sellest uudsest päikeseenergia tootmise viisist saab tulevikus suure tõenäosusega oluline komponent ülemaailmses elektritootmises.

Hoonesse integreeritud fotogalvaanika poolläbipaistvate päikesemoodulitega on atraktiivne valik energiatõhusate hoonete ehitamiseks. See tehnoloogia aitab vähendada energiakulusid ja samal ajal parandada hoone välisilmet.

Lisaks saab poolläbipaistvaid päikesepaneele kasutada päevavalguse suunamiseks hoone sisemusse. See mitte ainult ei säästa energiat, vaid vähendab ka tehisvalgustuse kulusid.

Kokkuvõttes on hoonetesse integreeritud fotogalvaanika (BIPV) väga tõhus ja mitmekülgne taastuvenergia vorm. Sellel on potentsiaal hoonete energiavarustust jätkusuutlikult parandada.

Kristallilisest ränist päikesemoodulid maapealsete ja katustele paigaldatavate elektrijaamade jaoks.

Amorfsed kristallilisest ränist õhukese kilega päikesepaneelide moodulid, mis võivad olla õõnsad, kerged, punased, sinised ja kollased, kasutatakse klaasfassaadi ja läbipaistva katuseaknana.

CIGS-põhised (vaskindium-galliumseleniid) õhukese kilega elemendid painduvatel moodulitel, mis lamineeritakse hoone väliskesta elemendile, või CIGS-elemendid paigaldatakse otse hoone väliskesta aluspinnale.

Topeltklaasiga päikesemoodulid, mille sees on ruudukujulised elemendid.

lamekatused

Praeguseks on kõige levinum lahendus amorfne õhukese kilega päikesepatarei, mis on integreeritud painduvasse polümeermoodulisse, mis kinnitatakse liimkilega päikesemooduli tagakülje ja katusemembraani vahele. Kasutades vaskindium-galliumseleniidi (CIGS) tehnoloogiat, on USA ettevõte saavutanud ühekihilistes TPO membraanides hoonesse integreeritud moodulite puhul 17% patareide efektiivsuse.

Kaldkatused

Päikesepaneelidega katusekivid on (keraamilised) katusekivid integreeritud päikesemoodulitega. Keraamilise päikesepaneelidega katusekivi töötas välja ja patenteeris Hollandi ettevõte 2013. aastal.

Mitme katusekivi kujulised moodulid.

Päikesesindlid on moodulid, mis näevad välja ja toimivad nagu tavalised sindlid, kuid sisaldavad painduvat õhukese kilega elementi.

Need pikendavad katuste eluiga, kaitstes isolatsiooni ja membraane UV-kiirguse ja veekahjustuste eest. Samuti hoiavad need ära kondenseerumise, hoides kastepunkti katusemembraanist kõrgemal.

Metallist viilkatused (nii konstruktsioonilised kui ka arhitektuurilised) varustatakse nüüd PV-funktsioonidega, kas liimides eraldiseisva painduva mooduli või CIGS-elementide kuum- ja vaakumtihendamisega otse aluspinnale.

fassaad

Fassaade saab olemasolevatele hoonetele kinnitada, andes neile täiesti uue ilme. Need moodulid paigaldatakse hoone fassaadile olemasoleva konstruktsiooni peale, mis võib suurendada hoone atraktiivsust ja edasimüügiväärtust.

klaasimine

Fotogalvaanilised aknad on (pool)läbipaistvad moodulid, mis võivad asendada mitmeid tavaliselt klaasist või sarnastest materjalidest valmistatud arhitektuurilisi elemente, näiteks aknaid ja katuseaknaid. Need mitte ainult ei tooda elektrienergiat, vaid tänu suurepärastele soojusisolatsiooniomadustele ja päikesekiirguse kontrollimise võimele aitavad need ka energiat säästa.

Fotogalvaanilised klaasist aknad: Energiat tootvate tehnoloogiate integreerimine elamu- ja ärihoonetesse on avanud uusi uurimisvaldkondi, mis panevad suuremat rõhku lõpptoote üldisele esteetikale. Kuigi eesmärk on endiselt saavutada kõrge efektiivsus, on fotogalvaaniliste akende uute arenduste eesmärk pakkuda tarbijatele ka optimaalset klaasi läbipaistvust ja/või võimalust valida erinevate värvide hulgast. Erinevat värvi päikesepaneele saab kujundada nii, et need neelaksid optimaalselt teatud lainepikkuste vahemikke laiemast spektrist. Värvilist fotogalvaanilist klaasi on edukalt välja töötatud poolläbipaistvate, perovskiidi ja värvainega sensibiliseeritud päikesepatareide abil.

• Fabry-Pérot-Etaloni tehnoloogia abil töötati välja värvilist valgust neelavad ja peegeldavad plasmoonilised päikesepatareid. Need elemendid koosnevad kahest paralleelsest peegeldavast metallkilest ja nendevahelisest dielektrilisest õõnsuskilest. Kaks elektroodi on valmistatud hõbedast (Ag) ja nendevaheline õõnsus Sb₂O₃-st. Dielektrilise õõnsuse paksuse ja murdumisnäitaja muutmisega muudetakse kõige paremini neelduvat lainepikkust. Neeldumiskihi klaasi värvi sobitamine spektri konkreetse osaga, mille jaoks elemendi paksus ja murdumisnäitaja kõige paremini sobivad, parandab nii elemendi esteetikat, intensiivistades selle värvi kui ka minimeerides fotovoolu kadusid. Punase ja sinise valgusega seadmed saavutasid vastavalt 34,7% ja 24,6% läbilaskvuse. Sinised seadmed suudavad muuta 13,3% neeldunud valgusest elektriks, muutes need kõigist väljatöötatud ja testitud värvilistest seadmetest kõige tõhusamaks.
• Perovskiidist päikesepatareide tehnoloogiat saab häälestada punase, rohelise ja sinise lainepikkuse jaoks, muutes metalliliste nanotraatide paksust vastavalt 8, 20 ja 45 nm-ni. Maksimaalsed energiatõhusused 10,12%, 8,17% ja 7,72% saavutati klaasi peegelduse reguleerimisega lainepikkusele, milleks vastav element kõige paremini sobib.
• Värvainega sensibiliseeritud päikesepatareid kasutavad valguse püüdmiseks ja selle kasutatavaks energiaks muundamiseks vedelaid elektrolüüte, sarnaselt sellele, kuidas looduslikud pigmendid võimaldavad taimedes fotosünteesi. Kuigi klorofüll on spetsiifiline pigment, mis vastutab lehtede rohelise värvuse eest, tekitavad teised looduslikult esinevad pigmendid, näiteks karotenoidid ja antotsüaniinid, oranži ja lilla varjundi variatsioone. Concepcióni ülikooli teadlased on näidanud värvainega sensibiliseeritud värviliste päikesepatareide elujõulisust, mis nii näevad välja erksad kui ka neelavad selektiivselt teatud valguse lainepikkusi. See odav lahendus kasutab sensibilisaatoritena looduslikke pigmente, mis on saadud maqui viljadest, mustast mürdist ja spinatist. Need looduslikud sensibilisaatorid asetatakse seejärel kahe läbipaistva klaasi kihi vahele. Kuigi nende eriti odavate patareide efektiivsus on endiselt ebaselge, on varasemad uuringud orgaaniliste värvainega sensibiliseeritud päikesepatareide kohta saavutanud „kõrge energia muundamise efektiivsuse 9,8%.“.

Läbipaistvates päikesepatareides kasutatakse klaaside siseküljel tinaoksiidikihti, mis juhib elektrit patareist välja. Patarei sisaldab fotoelektrilise värvainega kaetud titaanoksiidi.

Enamik tavapäraseid päikesepatareid kasutavad elektri tootmiseks nähtavat ja infrapunavalgust. Seevastu see uuenduslik päikesepatarei kasutab ka ultraviolettkiirgust. Kui seda kasutatakse tavapärase aknaklaasi asendajana või paigutatakse olemasoleva klaasi peale, võib paigaldusala olla suur, mis viib potentsiaalsete rakendusteni, mis ühendavad energia tootmise, valgustuse ja temperatuuri reguleerimise.

Läbipaistvate fotogalvaaniliste elementide teine ​​nimetus on „poolläbipaistev fotogalvaanika” (need lasevad läbi ainult poole langevast valgusest). Sarnaselt anorgaaniliste fotogalvaanikatega võivad ka orgaanilised fotogalvaanikad olla poolläbipaistvad.

Mittelainepikkuse selektiivne

Mõned mittelainepikkuse suhtes selektiivsed fotogalvaanilised süsteemid saavutavad poolläbipaistvuse läbipaistmatute päikesepatareide ruumilise segmenteerimise abil. See meetod kasutab mis tahes tüüpi läbipaistmatuid päikesepatareid ja jaotab mitu väikest patareid läbipaistvale aluspinnale. See segmenteerimine vähendab drastiliselt energia muundamise efektiivsust ja suurendab läbilaskvust.

Teine mittelainepikkuse suhtes selektiivsete fotogalvaaniliste elementide haru kasutab nähtavalt neelavaid õhukese kilega pooljuhte, millel on väike paksus või piisavalt suured keelutsoonid, mis lasevad valgusel läbi pääseda. Selle tulemuseks on poolläbipaistvad fotogalvaanilised elemendid, millel on sarnane otsene kompromiss efektiivsuse ja läbilaskvuse vahel nagu ruumiliselt segmenteeritud läbipaistmatutel päikesepatareidel.

Teine mittelainepikkuse suhtes selektiivsete fotogalvaaniliste elementide haru kasutab nähtavalt neelavaid õhukese kilega pooljuhte, millel on madal paksus või piisavalt suured keelutsoonid, mis lasevad valgusel läbi. Selle tulemuseks on poolläbipaistvad fotogalvaanilised elemendid, millel on sarnane otsene kompromiss efektiivsuse ja läbilaskvuse vahel nagu ruumiliselt segmenteeritud läbipaistmatutel päikesepatareidel.

Lainepikkuse-selektiivne fotogalvaanika

Lainepikkuse-selektiivsed fotogalvaanikad (WSPV) saavutavad läbipaistvuse materjalide abil, mis neelavad ainult UV- ja/või NIR-valgust, ning need võeti esmakordselt kasutusele 2011. aastal. Vaatamata suuremale läbilaskvusele on energia muundamise efektiivsus mitmete probleemide tõttu madalam. Nende hulka kuuluvad lühikesed eksitoni difusioonipikkused, läbipaistvate elektroodide skaleerimine ilma efektiivsust kahjustamata ja üldine eluiga WSPV-des kasutatavate orgaaniliste materjalide loomupärase ebastabiilsuse tõttu.

Läbipaistva ja poolläbipaistva fotogalvaanika uuendused

Varased katsed arendada lainepikkuse suhtes mitteselektiivseid poolläbipaistvaid orgaanilisi fotogalvaanilisi elemente, millel oleksid väga õhukesed aktiivsed kihid, mis neelavad nähtavas spektris, saavutasid efektiivsuse alla 1%. 2011. aastal näitasid aga läbipaistvad orgaanilised fotogalvaanilised elemendid, mis kasutasid orgaanilist kloroalumiiniumftalotsüaniini doonorit (ClAlPc) ja fullereeni aktseptorit, neeldumist ultraviolett- ja lähiinfrapunaspektris (NIR), efektiivsusega umbes 1,3% ja nähtava valguse läbilaskvusega üle 65%. 2017. aastal töötasid MIT teadlased välja meetodi läbipaistvate grafeenielektroodide edukaks sadestamiseks orgaanilistele päikesepatareidele, mille tulemuseks oli 61% nähtava valguse läbilaskvus ja parem efektiivsus 2,8–4,1%.

Perovskiidist päikesepatareid, mis on järgmise põlvkonna fotogalvaanikana väga populaarsed ja mille efektiivsus ületab 25%, on osutunud paljulubavaks ka läbipaistvate fotogalvaanikate jaoks. 2015. aastal näitas poolläbipaistev perovskiidist päikesepatarei, millel oli metüülammooniumpliitrijodiidperovskiit ja hõbedane nanotraadist võrega ülemine elektrood, 79% läbilaskvust lainepikkusel 800 nm ja ligikaudu 12,7% efektiivsust.