GiPV: מערכות פוטו-וולטאיות משולבות בבניין עם מודולים סולאריים שקופים למחצה

מערכות פוטו-וולטאיות משולבות בבניינים (BIPV) מתייחסות לחומרים פוטו-וולטאיים המחליפים חומרי בניין קונבנציונליים בחלקים של מעטפת הבניין, כגון הגג, חלונות גג או חזית הבניין. הן משולבות יותר ויותר בבניינים חדשים כמקור חשמל ראשוני או משני, וניתן גם לצייד בניינים קיימים בטכנולוגיה דומה. היתרון של מערכות פוטו-וולטאיות משולבות על פני מערכות קונבנציונליות שאינן משולבות הוא שניתן לקזז את העלויות הראשוניות על ידי הפחתת ההוצאות על חומרי בניין ועבודה שבדרך כלל נדרשות לבניית החלק של הבניין שמודולי ה-BIPV מחליפים. יתר על כן, BIPV מאפשר קבלה רחבה יותר של מתקנים סולאריים כאשר האסתטיקה של הבניין היא שיקול ופאנלים סולאריים קונבנציונליים המותקנים על מדפים יפגעו במראה המיועד.

המונח BAPV (פוטו-וולטאיקה יישומית בבניינים) משמש לעיתים להתייחס למערכות פוטו-וולטאיות המותקנות בבניין. רוב המערכות המשולבות בבניינים הן אכן BAPV. חלק מהיצרנים והיזמים מבחינים בין BIPV ל-BAPV בבנייה חדשה.

יישומי פוטו-וולטאיים משולבים בבניינים (BIPV) צצו בשנות ה-70. מודולים פוטו-וולטאיים בעלי מסגרת אלומיניום חוברו או הותקנו על בניינים, שבדרך כלל היו ממוקמים באזורים מרוחקים ללא גישה לרשת החשמל. בשנות ה-80 החלו להתקין מערכות פוטו-וולטאיות על גגות. מערכות פוטו-וולטאיות אלו הותקנו בדרך כלל על בניינים המחוברים לרשת החשמל וממוקמים באזורים עם תחנות כוח מרכזיות. בשנות ה-90, מוצרי BIPV שתוכננו במיוחד לשילוב במעטפת הבניין הפכו לזמינים מסחרית. עבודת דוקטורט משנת 1998 מאת פטרינה אייפרט, שכותרתה "הערכה כלכלית של BIPV", שיערה כי יום אחד יהיה ערך כלכלי במסחר בזיכויים לאנרגיה מתחדשת (RECs). הערכה כלכלית והיסטוריה קצרה של BIPV על ידי המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת של ארה"ב בשנת 2011 מצביעים על כך שנותרו אתגרים טכניים משמעותיים לפני שעלויות התקנת BIPV יוכלו להתחרות באלו של מערכות פוטו-וולטאיות. עם זאת, קיימת הסכמה גוברת כי מערכות BIPV, באמצעות מסחור נרחב, יהוו את עמוד השדרה של יעד הבנייה האירופית ללא אנרגיה (ZEB) עד שנת 2020. למרות האפשרויות הטכניות המבטיחות, זוהו גם חסמים חברתיים לאימוץ נרחב, כגון התרבות השמרנית של תעשיית הבנייה ושילובה בתכנון עירוני בצפיפות גבוהה. המחברים מציינים כי אימוץ לטווח ארוך צפוי להיות תלוי במידה רבה בהחלטות מדיניות יעילות כמו בפיתוח טכנולוגי.

מודולים סולאריים שקופים למחצה מציעים דרך מעניינת לשלב אנרגיה פוטו-וולטאית משולבת בניין (BIPV) באדריכלות ובתכנון עירוני. סוג חדשני זה של ייצור אנרגיה סולארית צפוי להפוך למרכיב חשוב בייצור חשמל עולמי בעתיד.

אנרגיה פוטו-וולטאית משולבת בבניין עם מודולים סולאריים שקופים למחצה היא אופציה אטרקטיבית לבניית מבנים חסכוניים באנרגיה. טכנולוגיה זו יכולה לסייע בהפחתת עלויות האנרגיה ובמקביל לשפר את מראהו החיצוני של הבניין.

יתר על כן, ניתן להשתמש בפאנלים סולאריים שקופים למחצה כדי לכוון את אור היום אל פנים הבניין. זה לא רק חוסך באנרגיה אלא גם מפחית את עלות התאורה המלאכותית.

לסיכום, אנרגיה פוטו-וולטאית משולבת בבניינים (BIPV) היא צורה יעילה ורב-תכליתית ביותר של אנרגיה מתחדשת. יש לה פוטנציאל לשפר באופן בר-קיימא את אספקת האנרגיה של בניינים.

מודולים סולאריים עשויים סיליקון גבישי עבור תחנות כוח קרקעיות וגגות.

מודולים סולאריים פוטו-וולטאיים מסיליקון גבישי אמורפי, בעלי שכבה דקה, יכולים להיות חלולים, קלים, אדומים, כחולים וצהובים, ומשמשים כחזית זכוכית וחלון גג שקוף.

תאי סרט דק מבוססי CIGS (נחושת אינדיום גליום סלניד) על גבי מודולים גמישים המודבקים למעטפת הבניין, או שתאי ה-CIGS מורכבים ישירות על מצע מעטפת הבניין.

מודולים סולאריים בעלי זיגוג כפול עם תאים מרובעים בפנים.

גג שטוח

הפתרון הנפוץ ביותר עד כה הוא תא סולארי אמורפי בעל שכבה דקה המשולב במודול פולימרי גמיש, המחובר באמצעות שכבת דבק בין השכבה האחורית של המודול הסולארי לבין קרום הגג. באמצעות טכנולוגיית נחושת, אינדיום גליום סלניד (CIGS), חברה אמריקאית השיגה יעילות תא של 17% עבור מודולים משולבים בבניינים בממברנות TPO חד-שכבתיות.

גגות משופעים

רעפי גג סולאריים הם רעפי גג (קרמיים) עם מודולים סולאריים משולבים. רעפי הגג הסולאריים הקרמיים פותחו ונרשמו כפטנט על ידי חברה הולנדית בשנת 2013.

מודולים בצורת מספר רעפי גג.

רעפים סולאריים הם מודולים שנראים ומתפקדים כמו רעפים רגילים, אך מכילים תא דק וגמיש.

הם מאריכים את תוחלת החיים הרגילה של גגות על ידי הגנה על הבידוד והקרומים מפני קרינת UV ונזקי מים. הם גם מונעים עיבוי על ידי שמירה על נקודת הטל מעל קרום הגג.

גגות מתכתיים משופעים (מבניים ואדריכליים כאחד) מצוידים כיום בפונקציות פוטו-וולטאיות, בין אם על ידי הדבקת מודול גמיש עצמאי או על ידי איטום חום וואקום של תאי CIGS ישירות על המצע.

חֲזִית

ניתן לחבר חזיתות למבנים קיימים, ובכך להעניק להם מראה חדש לחלוטין. מודולים אלה מורכבים על חזית הבניין מעל המבנה הקיים, מה שיכול להגדיל את האטרקטיביות של הבניין ואת ערך המכירה החוזרת שלו.

זִגוּג

חלונות פוטו-וולטאיים הם מודולים שקופים (חצי) שיכולים להחליף מספר אלמנטים אדריכליים העשויים בדרך כלל מזכוכית או מחומרים דומים, כגון חלונות וחלונות גג. הם לא רק מייצרים אנרגיה חשמלית אלא גם יכולים להשיג חיסכון נוסף באנרגיה הודות לתכונות הבידוד התרמי המצוינות שלהם ויכולתם לשלוט בקרינת השמש.

חלונות זכוכית פוטו-וולטאיים: שילוב טכנולוגיות לייצור אנרגיה במבני מגורים ומסחר פתח תחומי מחקר נוספים אשר שמים דגש רב יותר על האסתטיקה הכוללת של המוצר הסופי. בעוד שהמטרה נותרה להשיג יעילות גבוהה, פיתוחים חדשים בחלונות פוטו-וולטאיים שואפים גם להציע לצרכנים רמה אופטימלית של שקיפות זכוכית ו/או אפשרות לבחור ממגוון צבעים. ניתן לתכנן פאנלים סולאריים בצבעים שונים כדי לספוג בצורה אופטימלית טווחי אורכי גל ספציפיים מהספקטרום הרחב יותר. זכוכית פוטו-וולטאית צבעונית פותחה בהצלחה באמצעות תאים סולאריים שקופים למחצה, פרובסקיט ותאים רגישים לצבע.

• תאים סולאריים פלסמוניים הבולעים ומחזירים אור צבעוני פותחו באמצעות טכנולוגיית Fabry-Pérot-Etalon. תאים אלה מורכבים משני שכבות מתכת מחזירות אור מקבילות ושכבת חלל דיאלקטרי ביניהם. שתי האלקטרודות עשויות כסף (Ag), והחלל ביניהם עשוי Sb₂O₃. על ידי שינוי העובי ומקדם השבירה של החלל הדיאלקטרי, משתנה אורך הגל הנספג בצורה הטובה ביותר. התאמת צבע זכוכית שכבת הקליטה לחלק הספציפי של הספקטרום שעבורו עובי התא ומקדם השבירה שלו מתאימים ביותר משפרת הן את האסתטיקה של התא על ידי העצמת צבעו והן מזעור הפסדי זרם פוטואלקטרי. התקני אור אדום וכחול השיגו העברות של 34.7% ו-24.6% בהתאמה. התקנים כחולים יכולים להמיר 13.3% מהאור הנספג לחשמל, מה שהופך אותם ליעילים ביותר מבין כל התקנים צבעוניים שפותחו ונבדקו.
• ניתן לכוונן את טכנולוגיית תאי השמש הפרובסקיט לאורכי גל אדומים, ירוקים וכחולים על ידי שינוי עובי הננו-חוטים המתכתיים ל-8, 20 ו-45 ננומטר, בהתאמה. יעילות הספק מקסימלית של 10.12%, 8.17% ו-7.72% הושגה על ידי התאמת החזרת הזכוכית לאורך הגל שעבורו התא המתאים ביותר.
• תאים סולאריים רגישים לצבע משתמשים באלקטרוליטים נוזליים כדי ללכוד אור ולהמיר אותו לאנרגיה שמישה, בדומה לאופן שבו פיגמנטים טבעיים מאפשרים פוטוסינתזה בצמחים. בעוד שכלורופיל הוא הפיגמנט הספציפי האחראי לצבע הירוק בעלים, פיגמנטים טבעיים אחרים, כגון קרוטנואידים ואנתוציאנינים, מייצרים וריאציות של גוונים כתומים וסגולים. חוקרים מאוניברסיטת קונספסיון הדגימו את הכדאיות של תאים סולאריים צבעוניים רגישים לצבע, שנראים גם תוססים וגם סופגים אורכי גל ספציפיים של אור. פתרון זול זה משתמש בפיגמנטים טבעיים שמקורם בפרי מאקי, הדס שחור ותרד כמרגישים. לאחר מכן, מכניסים רגישות טבעיים אלה בין שתי שכבות של זכוכית שקופה. בעוד שהיעילות של תאים זולים במיוחד אלה נותרה לא ברורה, מחקרים קודמים בתאים סולאריים רגישים לצבע אורגניים השיג "יעילות המרת הספק גבוהה של 9.8%".

תאי שמש שקופים משתמשים בציפוי תחמוצת בדיל בצד הפנימי של חלונות הזכוכית כדי להוליך חשמל מהתא. התא מכיל תחמוצת טיטניום מצופה בצבע פוטואלקטרי.

רוב התאים הסולאריים הקונבנציונליים משתמשים באור נראה ואור אינפרא אדום כדי לייצר חשמל. לעומת זאת, תא סולארי חדשני זה משתמש גם בקרינה אולטרה סגולה. אם ישמש כתחליף לזכוכית חלון קונבנציונלית או יונח מעל זכוכית קיימת, שטח ההתקנה יכול להיות גדול, מה שיוביל ליישומים פוטנציאליים המשלבים ייצור חשמל, תאורה ובקרת טמפרטורה.

מונח נוסף לפוטו-וולטאית שקופה הוא "פוטו-וולטאית שקופה" (היא מאפשרת רק למחצית מהאור הפוגע לעבור). בדומה לפוטו-וולטאית אנאורגנית, גם פוטו-וולטאית אורגנית יכולה להיות שקופה.

לא סלקטיבי לאורך גל

חלק מהמערכות הפוטו-וולטאיות שאינן סלקטיביות לאורך גל משיגות שקיפות למחצה באמצעות פילוח מרחבי של תאים סולאריים אטומים. שיטה זו משתמשת בכל סוג של תא סולארי אטום ומפיצה מספר תאים קטנים על גבי מצע שקוף. פילוח זה מפחית באופן דרסטי את יעילות המרת האנרגיה ומגביר את העברת האנרגיה.

ענף נוסף של אנרגיה פוטו-וולטאית שאינה סלקטיבית לאורך גל משתמש במוליכים למחצה בעלי שכבה דקה בעלת ספיקת אור, בעלי עובי קטן או פערי פס גדולים מספיק המאפשרים לאור לעבור דרכם. תוצאות אלו הן אנרגיה פוטו-וולטאית שקופה למחצה, עם פשרה ישירה דומה בין יעילות להעברה כמו תאים סולאריים אטומים המפולחים במרחב.

ענף נוסף של פוטו-וולטאיקה שאינה סלקטיבית לאורך גל משתמש במוליכים למחצה בעלי שכבה דקה סופגת אור בעלת עובי נמוך או פערי פס גדולים מספיק המאפשרים לאור לעבור דרכם. התוצאה היא פוטו-וולטאיקה שקופה למחצה עם פשרה ישירה דומה בין יעילות להעברה כמו תאים סולאריים אטומים המפולחים במרחב.

פוטו-וולטאית סלקטיבית לאורך גל

פוטו-וולטאית סלקטיבית לאורך גל (WSPV) משיגה שקיפות באמצעות שימוש בחומרים הבולעים רק אור UV ו/או NIR והוצגה לראשונה בשנת 2011. למרות העברת האנרגיה הגבוהה יותר, יעילות המרת האנרגיה נמוכה יותר עקב מספר בעיות. אלה כוללות אורכי דיפוזיה קצרים של אקסיטון, קנה המידה של אלקטרודות שקופות מבלי לפגוע ביעילות, ואורך החיים הכולל עקב חוסר היציבות הטבועה בחומרים האורגניים המשמשים ב-WSPV.

חידושים בפוטו-וולטאית שקופה ושקופה

ניסיונות מוקדמים לפתח מערכות פוטו-וולטאיות אורגניות שקופות למחצה שאינן סלקטיביות לאורך גל, עם שכבות פעילות דקות מאוד הבולעות בספקטרום הנראה, השיגו יעילות של פחות מ-1%. עם זאת, בשנת 2011, מערכות פוטו-וולטאיות אורגניות שקופות, המשתמשות בתורם כלורואלומיום פתאלוציאנין אורגני (ClAlPc) וקולט פולרן, הדגימו בליעה בספקטרום האולטרה סגול והאינפרא אדום הקרוב (NIR) עם יעילות של כ-1.3% והעברת אור נראה העולה על 65%. בשנת 2017, חוקרי MIT פיתחו שיטה להפקדה מוצלחת של אלקטרודות גרפן שקופות על גבי תאים סולאריים אורגניים, מה שהביא להעברת אור נראה של 61% ושיפור יעילות של 2.8-4.1%.

תאי שמש פרובסקיט, פופולריים מאוד כדור פוטו-וולטאי עם יעילות העולה על 25%, הוכיחו את עצמם גם כמבטיחים עבור פוטו-וולטאית שקופה. בשנת 2015, תא שמש פרובסקיט שקוף למחצה עם פרובסקיט מתילאמוניום עופרת טרייודיד ואלקטרודה עליונה של רשת ננו-חוט כסף הדגים העברה של 79% באורך גל של 800 ננומטר ויעילות של כ-12.7%.