GIPV: פוטו-וולטאים משולבים בניין עם מודולים סולאריים שקופים חלקים-בונים פוטו-וולטאים

הפוטו-וולטאי-GIPV המשולב של בניין (Photovoltaics-BIPV משולב בניין) הם חומרים פוטו-וולטאיים המחליפים חומרי בניין קונבנציונליים בחלקים של מעטפת הבניין כמו הגג, חלונות הגג או החזית. הם משולבים יותר ויותר בבניית מבנים חדשים כמקור כוח עיקרי או צדדי, לפיה ניתן גם להגיש מחדש מבנים קיימים עם טכנולוגיה דומה. היתרון של פוטו-וולטאים משולבים בהשוואה למערכות הרגילות שאינן משולבות הוא שניתן לפצות על העלויות הראשוניות על ידי הפחתת ההוצאות עבור חומרי בניין ועובדים, אשר בדרך כלל יהיו נחוצים לבניית חלק הבניין שמודולי BIPV יהיו. בנוסף, BIPV מאפשרת הסכמה רחבה יותר של מערכות סולאריות אם האסתטיקה של הבניין ממלאת תפקיד ומודולים סולאריים קונבנציונליים, המורכבים על מסגרות, תפריע למראה המיועד של הבניין.

המונח BAPV (בניין פוטו-וולטאים מיושמים) עבור פוטו-וולטאים משולבים מבנים משמש לעיתים כדי להתייחס למערכות פוטו-וולטאיות המשולבות לאחר מכן בבניין. מרבית המערכות המשולבות בבניין הן למעשה BAPV. יש יצרנים ובונים מבדילים בין BIPV ו- BAPV לבניינים חדשים.

יישומי PV לבניינים עלו בשנות השבעים. מודולים פוטו -וולטאיים עם מסגרות אלומיניום היו מחוברים לבניינים או רכובים, שהיו בדרך כלל באזורים מרוחקים ללא גישה לרשת חשמל. בשנות השמונים החלה לחבר מודולים פוטו -וולטאיים על גגות. מערכות PV אלה הותקנו בדרך כלל על מבנים שהיו מחוברים לרשת החשמל ונמצאו באזורים עם תחנות כוח מרכזיות. בשנות התשעים, מוצרי הבנייה של BIPV, שפותחו במיוחד לשילוב במעטפת הבניין, הפכו לזמינים מסחרית. בעבודת דוקטורט של פטרינה איפרט משנת 1998 הזכאי להערכה כלכלית של BIPV, הוקמה ההשערה כי יום אחד יהיה ערך כלכלי לסחר עם זיכויים לאנרגיות מתחדשות (זיכויים באנרגיה מתחדשת - REC). הערכה כלכלית וסקירה קצרה של ההיסטוריה של BIPV על ידי המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת בארה"ב משנת 2011 עולה כי עדיין ניתן לנהל אתגרים טכניים ניכרים לפני שעלויות התקנת BIPV יכולות להתחרות באלה של מערכות פוטו -וולטאיות. עם זאת, קיימת הסכמה הולכת וגוברת כי מערכות BIPV ייווצרות עמוד השדרה של המטרה האירופית עבור בנייני אנרגיה אפס (אפס אנרגיה בניין-זב) עד 2020 על ידי שיווקם. למרות האפשרויות הטכניות המבטיחות, נמצאו גם מכשולים חברתיים לשימוש נרחב, כמו התרבות השמרנית של ענף הבנייה ושילוב בתכנון עירוני עם צפיפות גבוהה. הכותבים מציינים כי שימוש לטווח ארוך הוא ככל הנראה תלוי באותה מידה בהחלטות פוליטיות יעילות כמו בהתפתחות טכנית.

מודולי השמש השקופים החלקיים מציעים דרך מעניינת לשלב פוטו -וולטאים משולבים בניין (BIPV) בארכיטקטורה ובתכנון עירוני. סוג חדש זה של ייצור אנרגיה סולארית ככל הנראה יהיה חלק חשוב בייצור החשמל ברחבי העולם בעתיד.

בניין פוטו -וולטאים משולבים עם מודולים סולאריים שקופים חלקים היא אפשרות אטרקטיבית לבניית מבנים חסכוניים באנרגיה. טכנולוגיה זו יכולה לעזור להפחית את עלויות אספקת האנרגיה ובו זמנית לשיפור החלק החיצוני של הבניין.

בנוסף, ניתן להשתמש במודולי שמש שקופים חלקים כדי להנחות אור יום בתוך בניין. זה לא רק חוסך אנרגיה, אלא גם מצמצם את העלויות לתאורה מלאכותית.

לסיכום, ניתן לומר כי הפוטו -וולטאי המשולב של הבניין הוא סוג יעיל ורב -תכליתי מאוד של אנרגיות מתחדשות. יש לו פוטנציאל לשפר ברציפות את אספקת האנרגיה של בניינים.

מודולים סולאריים עשויים סיליקון גבישי לתחנות כוח חיצוניות וגג.

מודולי PV סיליקון-דנשכט-סולארי גבישי אמורפי שיכולים להיות חלולים, אור, אדום, כחול וצהוב, כחזית זכוכית ואור צוהר שקוף.

תאי שכבה דקה מבוססי CIGS (נחושת-אינדיום-גלניד-סלניד) על מודולים גמישים למינציה לאלמנט סליל הבניין, או שתאי CIGS מותקנים ישירות על המצע של מעטפת הבניין.

מודולים סולאריים זכוכית כפולה עם תאים מרובעים בפנים.

גג שטוח

הפיתרון הנפוץ ביותר עד כה הוא תא סולארי שכבה דקה אמורפי, המשולב במודול פולימרים גמיש המחובר לסרט דבק בין הסרט הצד האחורי של המודול הסולארי לחותם הגג. עם הטכנולוגיה של נחושת-אינדיום-גלניד סלניד (CIGS), חברה אמריקאית יכולה להשיג יעילות תאים של 17 % עבור מודולים משולבים בניין בממברנות TPO בשכבה יחידה.

גג משופע

אריחי גג סולארדים הם אריחי גג (קרמיקה) עם מודולי שמש משולבים. אריחי הגג הסולאריים הקרמיים פותחה והוגשה בפטנט על ידי חברה הולנדית בשנת 2013.

מודולים המעוצבים כמו כמה אריחי גג.

סינדס סולארי הם מודולים שנראים ועובדים כמו שלבקת חוגרת רגילה, אך מכילים תא שכבה דק גמיש.

הם מרחיבים את אורך החיים הרגיל של גגות על ידי הגנה על הבידוד והקרומים מפני קרינת UV ונזק למים. בנוסף, המונע העיבוי מכיוון שנקודת הטל מוחזקת מעל קרום הגג.

גגות נוטים מתכתיים (מבניים ואדריכליים כאחד) מצוידים כעת בפונקציות PV, בין אם על ידי הדבקת מודול גמיש עומד חופשי או על ידי איטום חום ואקום של תאי ה- CIGS ישירות על המצע.

חֲזִית

ניתן לחבר חזיתות לבניינים קיימים ולתת לבניינים ישנים מראה חדש לחלוטין. מודולים אלה מחוברים לחזית הבניין מעל המבנה הקיים, שיכולים להגדיל את האטרקטיביות של הבניין וערך המכירה החוזרת שלו.

זִגוּג

חלונות פוטו -וולטאיים הם (מחצית) מודולים שקופים שיכולים להחליף מספר אלמנטים ארכיטקטוניים העשויים בדרך כלל מזכוכית או חומרים דומים, כגון: B. חלונות ואורות צוהר. הם לא רק מייצרים אנרגיה חשמלית, הם יכולים גם לגרום לחיסכון נוסף באנרגיה בגלל תכונות הבידוד התרמיות המצוינות שלהם ושליטת קרני השמש.

חלונות זכוכית פוטו -וולטאיים: שילוב טכנולוגיות לייצור אנרגיה בבנייני מגורים ועסקים פתח תחומי מחקר נוספים שבהם נלקחת בחשבון האסתטיקה הכוללת של המוצר הסופי. בעוד שהמטרה היא עדיין להשיג יעילות גבוהה, התפתחויות חדשות בחלונות פוטו -וולטאיים שואפים גם לבחור לצרכנים רמה אופטימלית של שקיפות זכוכית ו/או את ההזדמנות לבחור מבין סדרת צבעים. ניתן לתכנן פאנלים סולאריים צבעוניים שונים בצורה כזו שהם סופגים באופן אופטימלי באורך גל מסוים נעים מהספקטרום הרחב. זכוכית פוטו-וולטאית צבעונית פותחה בהצלחה עם תאים סולאריים רגישים למחצה, פרובסקי וצבע.

• תאים סולאריים פלסמוניים הסופגים ומשקפים אור צבעוני פותחו עם טכנולוגיית פאברי פרוט-טלון. תאים אלה מורכבים "שני סרטי מתכת מקבילים, רפלקטיביים וסרט חלל דיאלקטרי ביניהם". שתי האלקטרודות מורכבות מ- Ag והחלל ביניהן מ- SB2O3. על ידי שינוי העובי ומדד השבירה של החלל הדיאלקטרי, אורך הגל שנספג בצורה הטובה ביותר משתנה. ההסתגלות לצבע זכוכית שכבת הקליטה לחלק הספציפי של הספקטרום, אליו מתואמים את עובי המדד השבירה של התא, משפרת הן את האסתטיקה של התא על ידי העצמת צבעו ומזעור אובדן זרימת הצילום. חדירות של 34.7 % או 24.6 % הושגה עם המכשירים לאור אדום וכחול. מכשירים כחולים יכולים להמיר 13.3 % מהאור הספוג בחשמל, מה שהופך אותו ליעיל ביותר מבין כל המכשירים הצבעוניים המפותחים והבדקו.
• ניתן להתאים את טכנולוגיית התאים הסולאריים של פרובסקיט לאדום, ירוק וכחול על ידי שינוי עובי חוטי הננו המתכתיים ל 8, 20 ו -45 ננומטר. היעילות המרבית של 10.12 %, 8.17 % ו- 7.72 % הושגו על ידי התאמת השתקפות הזכוכית לאורך הגל שלשמו מתאים התא המתאים ביותר.
• תאי צבע משתמשים באלקטרוליטים נוזליים כדי לתפוס אור ולהמיר לאנרגיה שמישה; זה קורה באופן דומה לאופן בו פיגמנטים טבעיים מאפשרים פוטוסינתזה בצמחים. בעוד שכלורופיל הוא הפיגמנט הספציפי, האחראי לצבע הירוק בעלים, אחרים יוצרים וריאציות של צבעים כתומים וסגולים המתרחשים בטבע. חוקרים מאוניברסיטת קונספציון הראו את הכדאיות של תאים סולאריים צבעוניים רגישים לצבע, אשר מופיעים וגם סובלים באופן סלקטיבי אורכי גל מסוימים של אור. עם פיתרון זול זה, מתקבלים פיגמנטים טבעיים מפירות מקווי, מירטים שחורים ותרד כרגישים. לאחר מכן מחוברים רגישים טבעיים אלה בין שתי שכבות העשויות מזכוכית שקופה. אמנם היעילות של תאים זולים במיוחד אלה עדיין לא ברורה, אך מחקרים קודמים בתחום תאי צבע אורגניים עשויים להשיג "יעילות המרת חשמל גבוהה של 9.8 %".

תאים סולאריים שקופים משתמשים בציפוי תחמוצת פח בחלק הפנימי של חלונות הזכוכית כדי להנחות את הזרם מהתא. התא מכיל תחמוצת טיטניום, המצופה בצבע פוטו -אלקטרוני.

מרבית התאים הסולאריים המקובלים משתמשים באור גלוי ואינפרא אדום כדי לייצר חשמל. לעומת זאת, התא הסולארי החדש החדשני משתמש גם בקרינה אולטרה סגולה. אם הוא משמש כתחליף לזכוכית חלון קונבנציונאלית או ממוקם מעל הזכוכית, אזור ההתקנה יכול להיות גדול, מה שמוביל ליישומים פוטנציאליים המשתמשים בפונקציות המשולבות של ייצור חשמל, תאורה ובקרת טמפרטורה.

שם נוסף לפוטו -וולטאים שקופים הוא "פוטו -וולטאים שקופים" (הם רק מאפשרים למחצית האור ליפול עליהם). בדומה לפוטו -וולטאים אורגניים, פוטו -וולטאים אורגניים יכולים גם להיות חדירים לאור.

סלקטיבי לא -גל

כמה מערכות פוטו-וולטאיות שאינן מבוססות על גלגל הגל משיגות חצי-תואר חצי באמצעות פילוח מרחבי של תאים סולאריים אטומים. בשיטה זו משתמשים בכל תאים סולאריים פותחים אור וכמה תאים קטנים מופצים על מצע שקוף. חלוקה זו מפחיתה באופן דרסטי את היעילות של המרת האנרגיה ומגדילה את ההעברה.

ענף נוסף של פוטו-וולטאים שאינם סלקטיביים באורך גל משתמשים במוליכים חצי מוליכים דקים עם סופג דק עם עובי קטן או פערי פס מספיק גדולים המאפשרים אור לעבור דרכם. תוצאה זו לפוטו-וולטאים שקועים למחצה עם קו דומה בין כבוי בין יעילות לתמסורת כתאים סולאריים אטומים מפולחים במרחב.

ענף נוסף של המנהיג הפוטו-וולטאי הלא-סלקטיבי שאינו גל-סלקטיבי המנהיג סופג בעל שכבה דקה-שכבית עם פערי פס עבים נמוכים או גדולים מספיק המאפשרים אור. זה מוביל לפוטו -וולטאים חצי -שקוף עם פשרה ישירה דומה בין יעילות להילוך כמו בתאים סולאריים אטומים מפולחים במרחב.

פוטו -וולטאי רגיש באורך גל

פוטו -וולטאים סלקטיביים באורך הגל מגיעים לשקיפות באמצעות חומרים הסופגים רק אור UV ו/או NIR, והוצג לראשונה בשנת 2011. למרות החדירות הגבוהה יותר, היעילות בהמרת האנרגיה נמוכה יותר בגלל מספר בעיות. זה כולל אורכי דיפוזיה קטנים של אקסיטון, קנה מידה של אלקטרודות שקופות מבלי לפגוע ביעילות ותוחלת החיים הכללית בגלל חוסר העקביות של החומרים האורגניים המשמשים ב- TPVs בכלל.

חידושים בפוטו -וולטאיים שקופים ושקופים

ניסיונות מוקדמים לפתח פוטו-וולטאים אורגניים שאינם סלקטיביים-שקופים-סלקטיביים עם שכבות פעילות דקות מאוד הסופגות בספקטרום הנראה יכול להשיג יעילות של פחות מ- 1 %. עם זאת, בשנת 2011, פוטו-וולטאים אורגניים שקופים עם כלורורומינום אורגני-פתלוציאנין-אימונור (CLALPC) ומקבל פולרן הראו ספיגה בספקטרום האינפרא אדום האולטרה-סגול והספק הסגור (NIR) עם יעילות של 1.3 % ותירויות אור בטווח הנראה של מעל 65 %. בשנת 2017 פיתחו חוקרים משותפים תהליך להפרדה מוצלחת של אלקטרודות גרפיות שקופות על תאים סולאריים אורגניים, מה שהוביל לחדירות של 61% לאור גלוי ושיפור היעילות של 2.8-4.1%.

תאים סולאריים של Perowskit, שהם פופולריים מאוד שכן הדור הבא פוטו -וולטאי עם יעילות של מעל 25 %, הוכיחו גם הם מבטיחים לפוטו -וולטאים שקופים. בשנת 2015, תא סולארי פרובסקיט חצי שקוף למחצה עם מתיל-אמוניום פליאטרריק-פרובסקיט ואלקטרודה עליונה של אננו-חוט הכסף הראו הילוכים של 79 % עם אורך גל של 800 ננומטר ויעילות של כ- 12.7 %.