GiPV: Épületbe integrált fotovoltaikus rendszerek félig átlátszó napelemekkel

Az épületbe integrált fotovoltaikus rendszerek (BIPV) olyan fotovoltaikus anyagokra utalnak, amelyek a hagyományos építőanyagokat helyettesítik az épületburkolat egyes részeiben, például a tetőben, a tetőablakokban vagy a homlokzatban. Egyre inkább integrálják új épületekbe elsődleges vagy másodlagos energiaforrásként, és a meglévő épületek is felszerelhetők hasonló technológiával. Az integrált fotovoltaikus rendszerek előnye a hagyományos, nem integrált rendszerekkel szemben, hogy a kezdeti költségeket ellensúlyozhatja az építőanyagokra és a munkaerőre fordított kiadások csökkentése, amelyek általában az épület azon részének megépítéséhez szükségesek lennének, amelyet a BIPV modulok helyettesítenek. Továbbá a BIPV lehetővé teszi a napelemes rendszerek szélesebb körű elfogadását olyan esetekben, amikor az épület esztétikája fontos szempont, és a hagyományos, állványra szerelt napelemek rontanák a kívánt megjelenést.

A BAPV (épületbe integrált fotovoltaikus rendszerek) kifejezést néha olyan fotovoltaikus rendszerekre használják, amelyeket utólag építenek be az épületbe. A legtöbb épületbe integrált rendszer valóban BAPV. Egyes gyártók és fejlesztők különbséget tesznek a BIPV és a BAPV között az új építésű épületek esetében.

Az épületbe integrált fotovoltaikus (BIPV) alkalmazások az 1970-es években jelentek meg. Az alumíniumvázas fotovoltaikus modulokat épületekhez rögzítették vagy szerelték fel, jellemzően távoli területeken, elektromos hálózathoz való hozzáférés nélkül. Az 1980-as években kezdték el tetőre szerelt fotovoltaikus rendszereket telepíteni. Ezeket a fotovoltaikus rendszereket általában az elektromos hálózathoz csatlakoztatott épületekre telepítették, és olyan területeken helyezkedtek el, ahol központosított erőművek voltak. Az 1990-es években kereskedelmi forgalomban kaphatók lettek a kifejezetten az épületburkolatba integrálásra tervezett BIPV termékek. Patrina Eiffert 1998-as doktori disszertációja, "A BIPV gazdasági értékelése" címmel, azt feltételezte, hogy egy napon gazdasági érték lesz a megújuló energia kreditek (REC) kereskedelmében. Az Egyesült Államok Nemzeti Megújuló Energia Laboratóriuma által 2011-ben a BIPV gazdasági értékelése és rövid története azt sugallja, hogy jelentős technikai kihívásokkal kell még megküzdeniük, mielőtt a BIPV telepítési költségei versenyképesek lennének a fotovoltaikus rendszerek költségeivel. Egyre nagyobb az egyetértés azonban abban, hogy a BIPV rendszerek széles körű kereskedelmi elterjedés révén alkotják majd az európai nulla energiaigényű épületekre (ZEB) vonatkozó 2020-as célkitűzés gerincét. Az ígéretes műszaki lehetőségek ellenére a széles körű elterjedés társadalmi akadályait is azonosították, mint például az építőipar konzervatív kultúrája és a nagy sűrűségű városrendezésbe való integráció. A szerzők rámutatnak, hogy a hosszú távú elterjedés valószínűleg ugyanúgy függ a hatékony politikai döntésektől, mint a technológiai fejlődéstől.

A félig átlátszó napelemek érdekes módszert kínálnak az épületbe integrált fotovoltaikus rendszerek (BIPV) építészetbe és várostervezésbe való integrálására. Ez az újfajta napenergia-termelés nagy valószínűséggel a jövőben a globális villamosenergia-termelés fontos elemévé válik.

Az épületbe integrált, félig átlátszó napelemekkel ellátott fotovoltaikus rendszerek vonzó lehetőséget kínálnak az energiahatékony épületek építésére. Ez a technológia segíthet csökkenteni az energiaköltségeket, miközben egyidejűleg javítja az épület külsejét.

Továbbá, a félig átlátszó napelemek segítségével a természetes fény az épület belsejébe irányítható. Ez nemcsak energiát takarít meg, hanem a mesterséges világítás költségeit is csökkenti.

Összefoglalva, az épületbe integrált fotovoltaikus rendszerek (BIPV) a megújuló energia egy rendkívül hatékony és sokoldalú formája. Fenntarthatóan javíthatja az épületek energiaellátását.

Kristályos szilíciumból készült napelemek talajra szerelt és tetőre szerelt erőművekhez.

Amorf kristályos szilícium vékonyrétegű napelemes modulok, amelyek lehetnek üregesek, könnyűek, pirosak, kékek és sárgák, üveghomlokzatként és átlátszó tetőablakként használják.

CIGS-alapú (réz-indium-gallium-szelenid) vékonyréteg-cellák rugalmas modulokon, amelyeket az épületburkolat elemére laminálnak, vagy a CIGS-cellák közvetlenül az épületburkolat aljzatára vannak felszerelve.

Dupla üvegezésű napelemek négyzet alakú cellákkal belül.

lapos tetők

A mai napig a legelterjedtebb megoldás egy amorf vékonyrétegű napelem, amelyet egy rugalmas polimer modulba integrálnak, és amelyet egy ragasztófóliával rögzítenek a napelem hátlapja és a tetőmembrán között. Egy amerikai vállalat réz-indium-gallium-szelenid (CIGS) technológia segítségével 17%-os cellahatásfokot ért el az egyrétegű TPO membránokban lévő, épületbe integrált modulok esetében.

Ferdetetők

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

Több tetőcserép alakú modulok.

A napelemes zsindelyek olyan modulok, amelyek úgy néznek ki és úgy is működnek, mint a normál zsindelyek, de rugalmas vékonyréteg-cellát tartalmaznak.

Meghosszabbítják a tetők élettartamát azáltal, hogy megvédik a szigetelést és a membránokat az UV-sugárzástól és a víz okozta károktól. Emellett megakadályozzák a páralecsapódást azáltal, hogy a harmatpontot a tetőmembrán felett tartják.

A fémből készült ferdetetőket (mind a szerkezeti, mind az építészeti) ma már fotovoltaikus funkciókkal látják el, akár egy szabadon álló, rugalmas modul ragasztásával, akár a CIGS cellák közvetlenül az aljzatra történő hő- és vákuumzárásával.

homlokzat

A homlokzatok meglévő épületekhez rögzíthetők, teljesen új megjelenést kölcsönözve azoknak. Ezeket a modulokat az épület homlokzatára szerelik 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, például ablakokat és tetőablakokat helyettesíthetnek. Nemcsak elektromos energiát termelnek, hanem kiváló hőszigetelő tulajdonságaiknak és a napsugárzás szabályozásának képességüknek köszönhetően további energiamegtakarítást is eredményezhetnek.

Fotovoltaikus üvegablakok: Az energiatermelő technológiák lakó- és kereskedelmi épületekbe való integrálása további kutatási területeket nyitott meg, amelyek nagyobb hangsúlyt fektetnek a végtermék általános esztétikájára. Míg a cél továbbra is a magas hatásfok elérése, a fotovoltaikus ablakok új fejlesztései azt is célozzák, hogy a fogyasztók számára optimális üvegáteresztő képességet és/vagy a színek széles választékából való választás lehetőségét kínálják. A különböző színű napelemek úgy tervezhetők, hogy optimálisan elnyeljék a szélesebb spektrumból származó meghatározott hullámhossz-tartományokat. A színes fotovoltaikus üveget sikeresen fejlesztették ki félig átlátszó, perovszkit és festékkel szenzibilizált napelemek segítségével.

• A Fabry-Pérot-Etalon technológiával fejlesztettek ki színes fényt elnyelő és visszaverő plazmonikus napelemeket. Ezek a cellák két párhuzamos, fényvisszaverő fémrétegből és a közöttük lévő dielektromos üregrétegből állnak. A két elektróda ezüstből (Ag), a köztük lévő üreg pedig Sb₂O₃-ból készül. A dielektromos üreg vastagságának és törésmutatójának változtatásával a legjobban elnyelt hullámhossz megváltozik. Az abszorpciós réteg üvegének színének a spektrum azon részéhez való igazítása, amelyhez a cella vastagsága és törésmutatója a legjobban megfelel, javítja a cella esztétikáját azáltal, hogy intenzívebbé teszi a színét, és minimalizálja a fotoáram-veszteségeket. A vörös és kék fényű eszközök 34,7%-os, illetve 24,6%-os áteresztőképességet értek el. A kék fényű eszközök az elnyelt fény 13,3%-át képesek elektromos árammá alakítani, így ezek a leghatékonyabbak az összes kifejlesztett és tesztelt színes eszköz közül.
• A perovszkit napelem technológia a vörös, zöld és kék hullámhosszakra hangolható a fém nanohuzalok vastagságának 8, 20 és 45 nm-re történő változtatásával. Az üveg visszaverődésének az adott cella által legmegfelelőbb hullámhosszra történő beállításával 10,12%, 8,17% és 7,72%-os maximális energiahatékonyságot értek el.
• A festékkel szenzibilizált napelemek folyékony elektrolitokat használnak a fény befogására és felhasználható energiává alakítására, hasonlóan ahhoz, ahogyan a természetes pigmentek lehetővé teszik a fotoszintézist a növényekben. Míg a klorofill a levelek zöld színéért felelős specifikus pigment, más természetesen előforduló pigmentek, például a karotinoidok és az antocianinok, narancssárga és lila árnyalatok variációit hozzák létre. A Concepcióni Egyetem kutatói bebizonyították a festékkel szenzibilizált színes napelemek életképességét, amelyek élénk színűek és szelektíven elnyelik a fény meghatározott hullámhosszait. Ez az alacsony költségű megoldás maqui gyümölcsből, fekete mirtuszból és spenótból származó természetes pigmenteket használ szenzibilizátorként. Ezeket a természetes szenzibilizátorokat ezután két réteg átlátszó üveg közé helyezik. Bár ezeknek a különösen olcsó celláknak a hatékonysága továbbra sem tisztázott, a szerves festékkel szenzibilizált napelemekkel kapcsolatos korábbi kutatások „9,8%-os nagy energiaátalakítási hatékonyságot” értek el.

Az átlátszó napelemek üvegtábláinak belső oldalán ón-oxid bevonatot használnak, hogy elvezetjék az elektromosságot a cellából. A cella fotoelektromos festékkel bevont titán-oxidot tartalmaz.

A legtöbb hagyományos napelem látható és infravörös fényt használ az áramtermeléshez. Ezzel szemben ez az innovatív új napelem ultraibolya sugárzást is használ. Ha hagyományos ablaküveg helyett használják, vagy meglévő üveg fölé helyezik, a beépítési terület nagy lehet, ami olyan potenciális alkalmazási lehetőségeket kínál, amelyek ötvözik az energiatermelést, a világítást és a hőmérséklet-szabályozást.

Az átlátszó fotovoltaikus elemek másik elnevezése az „áttetsző fotovoltaikus elemek” (a beeső fénynek csak a felét engedik át). A szervetlen fotovoltaikus elemekhez hasonlóan a szerves fotovoltaikus elemek is lehetnek áttetszőek.

Nem hullámhossz-szelektív

Néhány nem hullámhossz-szelektív fotovoltaikus rendszer átlátszatlan napelemek térbeli szegmentálásával éri el a félig átlátszóságot. Ez a módszer bármilyen típusú átlátszatlan napelemet használ, és több kis cellát oszt el egy átlátszó hordozón. Ez a szegmentálás drasztikusan csökkenti az energiaátalakítás hatékonyságát és növeli az átvitelt.

A nem hullámhossz-szelektív fotovoltaikus rendszerek egy másik ága láthatóan elnyelő vékonyréteg-félvezetőket használ, amelyek kis vastagságúak vagy elég nagy sávrésekkel rendelkeznek ahhoz, hogy átengedjék a fényt. Ezek félig átlátszó fotovoltaikus elemeket eredményeznek, amelyek hasonló közvetlen kompromisszummal rendelkeznek a hatékonyság és az áteresztőképesség között, mint a térben szegmentált, átlátszatlan napelemek.

A nem hullámhossz-szelektív fotovoltaikus rendszerek egy másik ága láthatóan elnyelő vékonyréteg-félvezetőket használ, amelyek kis vastagságúak vagy kellően nagy sávszélességűek, amelyek átengedik a fényt. Ez félig átlátszó fotovoltaikus elemeket eredményez, amelyek hasonló közvetlen kompromisszummal rendelkeznek a hatékonyság és az áteresztés között, mint a térben szegmentált, átlátszatlan napelemek.

Hullámhossz-szelektív fotovoltaikus rendszerek

A hullámhossz-szelektív fotovoltaikus rendszerek (WSPV) az átlátszóságot olyan anyagok használatával érik el, amelyek csak az UV és/vagy a közeli infravörös fényt nyelik el, és először 2011-ben vezették be. A nagyobb áteresztőképesség ellenére az energiaátalakítási hatékonyság alacsonyabb számos probléma miatt. Ezek közé tartozik a rövid exciton diffúziós hosszúság, az átlátszó elektródák méretezhetősége a hatékonyság feláldozása nélkül, valamint a teljes élettartam a WSPV-kben használt szerves anyagok inherens instabilitása miatt.

Innovációk az átlátszó és áttetsző fotovoltaikus rendszerekben

A látható spektrumban elnyelő, nagyon vékony aktív rétegekkel rendelkező, nem hullámhossz-szelektív, félig átlátszó szerves fotovoltaikus elemek fejlesztésére tett korai kísérletek 1%-nál kisebb hatásfokot értek el. 2011-ben azonban az organikus klóralumínium-ftalocianin donort (ClAlPc) és fullerén akceptort használó átlátszó szerves fotovoltaikus elemek az ultraibolya és a közeli infravörös (NIR) spektrumban körülbelül 1,3%-os hatásfokot és 65%-ot meghaladó látható fényáteresztést mutattak ki. 2017-ben az MIT kutatói kifejlesztettek egy módszert átlátszó grafénelektródák szerves napelemekre történő sikeres leválasztására, ami 61%-os látható fényáteresztést és 2,8–4,1%-os javuló hatásfokot eredményezett.

A perovszkit napelemek, amelyek a következő generációs fotovoltaikus rendszerek körében nagyon népszerűek, 25%-ot meghaladó hatásfokkal, az átlátszó fotovoltaikus rendszerek terén is ígéretesnek bizonyultak. 2015-ben egy félig átlátszó perovszkit napelem metil-ammónium-ólom-trijodid perovszkittal és ezüst nanohuzal rácsos felső elektródával 79%-os fényáteresztést mutatott 800 nm hullámhosszon, és körülbelül 12,7%-os hatásfokot.