GiPV: Épületbe integrált fotovoltaik részben átlátszó napelem modulokkal – épületbe integrált fotovoltaik

Épületbe integrált fotovoltaik – GiPV (Building-integrated photovoltaics – BIPV) olyan fotovoltaikus anyagok, amelyek helyettesítik a hagyományos építőanyagokat az épület burkolatának egyes részein, például a tetőn, a tetőablakban vagy a homlokzaton. Egyre inkább beépítik az új épületek építésébe, mint fő vagy másodlagos villamosenergia-forrást, bár a meglévő épületek is utólagosan beépíthetők hasonló technológiával. Az integrált fotovoltaik előnye a szokásos nem integrált rendszerekkel szemben, hogy a kezdeti költségeket ellensúlyozni lehet az építőanyag- és munkaerő-ráfordítás csökkentésével, amely általában a BIPV-modulokkal helyettesített épületrész megépítéséhez szükséges. Ezenkívül a BIPV lehetővé teszi a napelemes berendezések szélesebb körű alkalmazását, ha az épület esztétikája aggodalomra ad okot, és a hagyományos, állványra szerelt napelemek megzavarnák az épület tervezett megjelenését.

Az épületbe integrált fotovoltaikus BAPV (Building-applied photovoltaics) kifejezést néha olyan fotovoltaikus rendszerekre is használják, amelyeket ezt követően építenek be az épületbe. A legtöbb épületbe integrált rendszer valójában BAPV. Egyes gyártók és építők különbséget tesznek a BIPV és a BAPV között az új épületeknél.

Az épületek fotovillamos alkalmazása az 1970-es években jelent meg. Az alumínium keretes fotovoltaikus paneleket olyan épületekre csatlakoztatták vagy szerelték fel, amelyek jellemzően távoli, elektromos hálózathoz való hozzáférés nélküli területeken helyezkedtek el. Az 1980-as években a napelemes modulokat elkezdték felszerelni a tetőkre. Ezeket a napelemes rendszereket jellemzően az elektromos hálózatra csatlakoztatott épületekre telepítették, és központi erőművekkel rendelkező területeken helyezkedtek el. Az 1990-es években kereskedelmi forgalomba kerültek a kifejezetten az épületburokba integrálható BIPV építőipari termékek. Patrina Eiffert 1998-as, An Economic Assessment of BIPV című doktori értekezése azt feltételezte, hogy egy napon lesz gazdasági értéke a megújuló energia kreditekkel (REC-k) való kereskedésnek. Az Egyesült Államok Nemzeti Megújuló Energia Laboratóriumának 2011-es gazdasági értékelése és a BIPV történetének rövid áttekintése azt sugallja, hogy még mindig jelentős technikai kihívásokat kell leküzdeni ahhoz, hogy a BIPV telepítési költségei felvegyék a versenyt a fotovoltaikus rendszerek költségeivel. Mindazonáltal egyre nagyobb az egyetértés abban, hogy a BIPV-rendszerek széles körű kereskedelmi forgalomba hozataluk révén 2020-ra Európa nulla energiaigényű épületére (Zero Energy Building, ZEB) vonatkozó cél gerincét képezik majd. Az ígéretes technikai lehetőségek ellenére a széles körű elterjedtség előtt álló társadalmi akadályokat is azonosították, mint például az építőipar konzervatív kultúrája és a nagy sűrűségű várostervezésbe való integrálódás. A szerzők rámutatnak arra, hogy a hosszú távú használat valószínűleg éppúgy függ a hatékony szakpolitikai döntésektől, mint a technikai fejlődéstől.

A részben átlátszó napelem modulok érdekes lehetőséget kínálnak az épületbe integrált fotovoltaik (BIPV) építészetbe és várostervezésbe való integrálására. Ez az új típusú napenergia-termelés nagy valószínűséggel a jövőben világszerte fontos része lesz a villamosenergia-termelésnek.

Az épületbe integrált, részben átlátszó napelem modulokkal ellátott fotovoltaik vonzó lehetőség energiahatékony épületek építésére. Ez a technológia segíthet csökkenteni az energiaellátási költségeket, miközben javítja az épület külsejét.

Ezenkívül a félig átlátszó napelem modulok segítségével a napfényt az épület belsejébe irányíthatjuk. Ez nemcsak energiát takarít meg, hanem csökkenti a mesterséges világítás költségeit is.

Összefoglalva elmondható, hogy az épületbe integrált fotovoltaik a megújuló energia nagyon hatékony és sokoldalú fajtája. Lehetővé teszi az épületek energiaellátásának fenntartható javítását.

Kristályos szilíciumból készült napelem modulok földi és tetőtéri erőművekhez.

Amorf kristályos szilícium vékonyrétegű napelem modulok, amelyek lehetnek üregesek, világosak, pirosak, kékek és sárgaek, üveghomlokzatként és átlátszó tetőablakként.

CIGS-alapú (réz-indium-gallium-szelenid) vékonyréteg-cellák rugalmas modulokon, amelyeket az épületburkoló elemre laminálnak, vagy a CIGS-cellákat közvetlenül az épületburkoló hordozóra szerelik fel.

Dupla üveg napelemek, belül négyzet alakú cellákkal.

Lapos tetők

Az eddigi legelterjedtebb megoldás a flexibilis polimer modulba integrált amorf vékonyrétegű napelem, amelyet a napelem modul hátsó fóliája és a tető vízszigetelése közé ragasztófóliával rögzítenek. A réz-indium-gallium-szelenid (CIGS) technológia segítségével egy amerikai vállalat 17%-os cellahatékonyságot érhet el az egyrétegű TPO membránokba integrált modulok építésekor.

Ferde tetők

A napelemes tetőcserepek (kerámia) tetőcserepek integrált napelem modulokkal. A kerámia napelemes tetőcserepet egy holland cég fejlesztette ki és szabadalmaztatta 2013-ban.

Több tetőcserép alakú modulok.

A napkollektoros zsindelyek olyan panelek, amelyek úgy néznek ki és működnek, mint a hagyományos zsindely, de rugalmas vékonyfilm cellát tartalmaznak.

Meghosszabbítják a tetők normál élettartamát azáltal, hogy megvédik a szigetelést és a membránokat az UV-sugárzástól és a vízkárosodástól. A páralecsapódás is megakadályozható, mivel a harmatpont a tetőfólia felett marad.

A fém dőlésszögű tetőket (mind szerkezeti, mind építészeti) most felszerelik PV képességekkel, akár egy szabadon álló rugalmas modul ragasztásával, akár a CIGS cellák hő- és vákuumtömítésével közvetlenül az aljzathoz.

homlokzat

A homlokzatok a meglévő épületekhez rögzíthetők, és a régi épületek teljesen új megjelenést kölcsönözhetnek. Ezeket a modulokat az épület homlokzatához rögzítik a meglévő szerkezet fölé, ami növelheti az épület vonzerejét és viszonteladási értékét.

üvegezés

A fotovoltaikus ablakok (félig) átlátszó modulok, amelyek számos, általában üvegből vagy hasonló anyagból készült építészeti elemet helyettesíthetnek, mint például: B. Ablakok és tetőablakok. Nemcsak elektromos energiát termelnek, de kiváló hőszigetelő tulajdonságaik és napsugárzás elleni védekezésük révén további energiamegtakarítást is biztosítanak.

Fotovoltaikus üvegablakok: Az energiatermelési technológiák lakó- és kereskedelmi épületekbe történő integrálása további kutatási területeket nyitott meg, amelyek nagyobb figyelmet fordítanak a végtermék általános esztétikájára. Bár a cél továbbra is a magas hatásfok elérése, a fotovoltaikus ablakok új fejlesztéseinek célja az is, hogy a fogyasztók számára optimális szintű üvegátlátszóságot és/vagy többféle szín közül választhatnak. Különböző színű napelemek tervezhetők úgy, hogy a szélesebb spektrum bizonyos hullámhossz-tartományait optimálisan nyeljék el. A színes fotovoltaikus üveget sikeresen fejlesztették ki félig átlátszó, perovszkit és festékkel érzékenyített napelemek felhasználásával.

• A színes fényt elnyelő és visszaverő plazmonikus napelemeket Fabry-Pérot-Etalon technológiával fejlesztették ki. Ezek a cellák „két párhuzamos, fényvisszaverő fémfóliából és a köztük lévő dielektromos üreges filmből állnak”. A két elektróda Ag-ből, a köztük lévő üreg Sb2O3-ból készül. A dielektromos üreg vastagságának és törésmutatójának megváltoztatása megváltoztatja a legjobban elnyelt hullámhosszt. Az abszorpciós réteg üvegének színének a spektrum azon részéhez való hozzáigazítása, amelyhez a cella vastagsága és törésmutatója a legjobban illeszkedik, javítja a cella esztétikáját azáltal, hogy fokozza annak színét és minimalizálja a fényáram veszteségeket. A piros és kék fényű eszközök esetében 34,7%-os, illetve 24,6%-os áteresztőképességet értek el. A kék eszközök az elnyelt fény 13,3%-át képesek elektromos árammá alakítani, így a kifejlesztett és tesztelt színes eszközök közül a leghatékonyabbak.
• A perovskit napelem-technológiát a fém nanohuzalok vastagságának 8, 20 és 45 nm-re történő változtatásával lehet pirosra, zöldre és kékre hangolni. A 10,12%-os, 8,17%-os és 7,72%-os maximális energiahatékonyságot az üveg reflexiós tényezőjének arra a hullámhosszra való beállításával értük el, amelyre az egyes cellák a legalkalmasabbak.
• A festékes napelemek folyékony elektrolitokat használnak a fény megkötésére és felhasználható energiává alakítására; ez hasonló módon történik, mint ahogy a természetes pigmentek lehetővé teszik a fotoszintézist a növényekben. Míg a klorofill a specifikus pigment, amely a levelek zöld színéért felelős, más természetben előforduló pigmentek, például a karotinoidok és az antocianinok narancssárga és lila színváltozatokat hoznak létre. A Concepcioni Egyetem kutatói bebizonyították a festékkel érzékenyített színes napelemek életképességét, amelyek egyszerre jelennek meg, és szelektíven elnyelnek bizonyos hullámhosszú fényt. Ez a költséghatékony megoldás a maqui gyümölcsből, fekete mirtuszból és spenótból származó természetes pigmenteket használ érzékenyítőként. Ezeket a természetes érzékenyítőket ezután két réteg átlátszó üveg közé helyezik. Míg ezeknek a különösen alacsony költségű celláknak a hatékonysága még nem tisztázott, a korábbi kutatások a szerves festékcellák területén „nagy teljesítményű, 9,8%-os konverziós hatékonyságot tudtak elérni”.

Az átlátszó napelemek az üveglapok belsejében ón-oxid bevonatot használnak, hogy kivezetjék az elektromos áramot a cellából. A cella fotoelektromos festékkel bevont titán-oxidot tartalmaz.

A legtöbb hagyományos napelem látható és infravörös fényt használ az elektromos áram előállítására. Ezzel szemben az innovatív új napelem ultraibolya sugárzást is használ. Ha a hagyományos ablaküveget helyettesítik, vagy az üvegre helyezik, a beépítési terület nagy lehet, ami potenciális alkalmazásokhoz vezethet, amelyek az energiatermelés, a világítás és a hőmérséklet-szabályozás kombinált funkcióit használják ki.

Az átlátszó fotovoltaik másik neve „áttetsző fotovoltaik” (a rájuk eső fénynek csak a felét engedik át). A szervetlen napelemekhez hasonlóan a szerves fotovoltaik is áttetszőek lehetnek.

Nem hullámhossz szelektív

Egyes nem hullámhossz-szelektív fotovoltaikus rendszerek félig átlátszóságot érnek el az átlátszatlan napelemek térbeli szegmentálásával. Ez a módszer bármilyen átlátszatlan napelemet használ, és több kis cellát oszt el egy átlátszó hordozón. Ez a felosztás drasztikusan csökkenti az energiaátalakítás hatékonyságát és növeli az átvitelt.

A nem hullámhossz-szelektív fotovoltaik másik ága láthatóan elnyelő vékonyréteg-félvezetőket használ, amelyek kis vastagságúak vagy elég nagy sávrésekkel rendelkeznek, amelyek átengedik a fényt. Ezek olyan félig átlátszó fotovoltaikus elemeket eredményeznek, amelyek hasonló közvetlen kompromisszumokkal rendelkeznek a hatékonyság és az átvitel között, mint a térben szegmentált átlátszatlan napelemek.

A nem hullámhossz-szelektív fotovoltaik másik ága láthatóan elnyelő vékonyréteg-félvezetőket használ, amelyek kis vastagságúak vagy kellően nagy sávrésekkel rendelkeznek, amelyek átengedik a fényt. Ez félig átlátszó fotovoltaikus elemekhez vezet, amelyek hasonló közvetlen kompromisszumot jelentenek a hatékonyság és az átvitel között, mint a térben szegmentált, átlátszatlan napelemek.

Hullámhossz-szelektív fotovoltaik

A hullámhossz-szelektív fotovoltaik olyan anyagok használatával érik el az átláthatóságot, amelyek csak UV- és/vagy NIR-fényt nyelnek el, és 2011-ben vezették be először. A nagyobb áteresztőképesség ellenére az energiaátalakítási hatásfok számos probléma miatt alacsonyabb. Ezek közé tartozik a kis exciton diffúziós hossz, az átlátszó elektródák méretezése a hatékonyság veszélyeztetése nélkül, és a teljes élettartam a TPV-kben használt szerves anyagok instabilitása miatt általában.

Innovációk az átlátszó és áttetsző fotovoltaikában

A nem hullámhossz-szelektív, félig átlátszó szerves fotovoltaik fejlesztésére tett korai kísérletek nagyon vékony aktív rétegekkel, amelyek a látható spektrumban elnyelnek, csak 1%-nál kisebb hatásfokot tudtak elérni. 2011-ben azonban a szerves klór-alumínium-ftalocianin donorral (ClAlPc) és fullerén akceptorral rendelkező átlátszó szerves fotovoltaik az ultraibolya és közeli infravörös (NIR) spektrumban abszorpciót mutattak 1,3% körüli hatásfokkal és 65% feletti látható fényáteresztő képességgel. 2017-ben az MIT kutatói kifejlesztettek egy módszert, amellyel átlátszó grafén elektródákat sikeresen vihetnek fel szerves napelemekre, ami 61%-os látható fényáteresztést és 2,8-4,1%-os jobb hatásfokot eredményez.

A perovskit napelemek, amelyek nagyon népszerűek a 25%-ot meghaladó hatásfokú, következő generációs fotovoltaikus elemekként, szintén ígéretesnek bizonyultak az átlátszó napelemek terén. 2015-ben egy félig átlátszó perovszkit napelem metil-ammónium-ólom-trijodid-perovszkitet és egy ezüst nanohuzal rács felső elektródát használva 79%-os áteresztőképességet mutatott 800 nm-es hullámhosszon, és körülbelül 12,7%-os hatásfokot.