GiPV: Fotovoltaico integrato nell'edificio con moduli solari parzialmente trasparenti – fotovoltaico integrato nell'edificio

Il fotovoltaico integrato nell'edificio - GiPV (Building-integrated PVV - BIPV) sono materiali fotovoltaici che sostituiscono i materiali da costruzione convenzionali in parti dell'involucro dell'edificio come il tetto, i lucernari o la facciata. Vengono sempre più integrati nella costruzione di nuovi edifici come fonte principale o secondaria di elettricità, sebbene anche gli edifici esistenti possano essere ristrutturati con una tecnologia simile. Il vantaggio del fotovoltaico integrato rispetto ai normali sistemi non integrati è che i costi iniziali possono essere compensati riducendo la spesa in materiali da costruzione e manodopera che normalmente sarebbe necessaria per costruire la parte dell'edificio che i moduli BIPV sostituiscono. Inoltre, BIPV consente un'adozione più ampia di installazioni solari quando l'estetica dell'edificio è un problema e i tradizionali pannelli solari montati su rack disturberebbero l'aspetto previsto dell'edificio.

Il termine BAPV (Building-applied PV) per fotovoltaico integrato nell'edificio viene talvolta utilizzato per riferirsi a sistemi fotovoltaici che vengono successivamente integrati nell'edificio. La maggior parte dei sistemi integrati negli edifici sono in realtà BAPV. Alcuni produttori e costruttori distinguono tra BIPV e BAPV per i nuovi edifici.

Le applicazioni fotovoltaiche per gli edifici sono emerse negli anni ’70. I pannelli fotovoltaici con struttura in alluminio sono stati collegati o montati su edifici, generalmente situati in aree remote senza accesso a una rete elettrica. Negli anni 80 si cominciò ad installare i moduli fotovoltaici sui tetti. Questi sistemi fotovoltaici erano tipicamente installati su edifici collegati alla rete elettrica e situati in aree con centrali elettriche centralizzate. Negli anni '90 sono diventati disponibili in commercio prodotti edili BIPV specificatamente progettati per essere integrati nell'involucro dell'edificio. Una tesi di dottorato del 1998 di Patrina Eiffert, intitolata An Economic Assessment of BIPV, ipotizzava che un giorno ci sarebbe stato un valore economico per lo scambio di crediti di energia rinnovabile (REC). Una valutazione economica del 2011 e una breve revisione della storia del BIPV da parte del National Renewable Energy Laboratory degli Stati Uniti suggeriscono che ci sono ancora sfide tecniche significative da superare prima che i costi di installazione del BIPV possano competere con quelli dei sistemi fotovoltaici. Tuttavia, vi è un crescente consenso sul fatto che i sistemi BIPV, attraverso la loro commercializzazione diffusa, costituiranno la spina dorsale dell’obiettivo europeo di Zero Energy Building (ZEB) entro il 2020. Nonostante le promettenti possibilità tecniche, sono state identificate anche barriere sociali all’uso diffuso, come la cultura conservatrice del settore edile e l’integrazione nella pianificazione urbana ad alta densità. Gli autori sottolineano che l’uso a lungo termine dipenderà probabilmente tanto da decisioni politiche efficaci quanto dallo sviluppo tecnico.

I moduli solari parzialmente trasparenti offrono un'interessante opportunità per integrare il fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV) nell'architettura e nella pianificazione urbana. Questo nuovo tipo di generazione di energia solare sarà molto probabilmente una parte importante della produzione di elettricità a livello mondiale in futuro.

Il fotovoltaico integrato nell'edificio con moduli solari parzialmente trasparenti è un'opzione interessante per la costruzione di edifici ad alta efficienza energetica. Questa tecnologia può aiutare a ridurre i costi di approvvigionamento energetico migliorando al tempo stesso l’esterno dell’edificio.

Inoltre, i moduli solari semitrasparenti possono essere utilizzati per dirigere la luce del giorno all'interno di un edificio. Ciò non solo consente di risparmiare energia, ma riduce anche i costi dell’illuminazione artificiale.

In sintesi, si può dire che il fotovoltaico integrato negli edifici è un tipo di energia rinnovabile molto efficiente e versatile. Ha il potenziale per migliorare in modo sostenibile l’approvvigionamento energetico degli edifici.

Moduli solari in silicio cristallino per centrali elettriche a terra e su tetto.

Moduli fotovoltaici solari a film sottile in silicio cristallino amorfo, che possono essere cavi, chiari, rossi, blu e gialli, come facciata in vetro e lucernario trasparente.

Celle a film sottile basate su CIGS (rame-indio-gallio-seleniuro) su moduli flessibili che vengono laminati sull'elemento dell'involucro dell'edificio oppure le celle CIGS sono montate direttamente sul substrato dell'involucro dell'edificio.

Pannelli solari in doppio vetro con celle quadrate all'interno.

Tetti piani

La soluzione più utilizzata fino ad oggi è una cella solare amorfa a film sottile integrata in un modulo polimerico flessibile, fissato con una pellicola adesiva tra la pellicola posteriore del modulo solare e l'impermeabilizzazione del tetto. Utilizzando la tecnologia CIGS (Seleniuro di Rame Indio Gallio), un'azienda statunitense può raggiungere un'efficienza cellulare del 17% per moduli integrati negli edifici in membrane TPO a strato singolo.

Tetti spioventi

Le tegole solari sono tegole (in ceramica) con moduli solari integrati. La tegola solare in ceramica è stata sviluppata e brevettata da un'azienda olandese nel 2013.

Moduli a forma di più tegole.

Le tegole solari sono pannelli che sembrano e funzionano come normali tegole ma contengono una cella flessibile a film sottile.

Prolungano la normale durata di vita dei tetti proteggendo l'isolamento e le membrane dai raggi UV e dai danni causati dall'acqua. Inoltre si evita la formazione di condensa poiché il punto di rugiada viene mantenuto al di sopra della membrana del tetto.

I tetti metallici a falda (sia strutturali che architettonici) vengono ora dotati di funzionalità fotovoltaiche, incollando un modulo flessibile autoportante o sigillando a caldo e sotto vuoto le celle CIGS direttamente al substrato.

facciata

Le facciate possono essere collegate agli edifici esistenti e conferire ai vecchi edifici un aspetto completamente nuovo. Questi moduli sono fissati alla facciata dell'edificio sopra la struttura esistente, il che può aumentare l'attrattiva dell'edificio e il suo valore di rivendita.

vetri

Le finestre fotovoltaiche sono moduli (semi)trasparenti che possono sostituire alcuni elementi architettonici solitamente realizzati in vetro o materiali simili, come: B. Finestre e lucernari. Non solo generano energia elettrica, ma possono garantire un ulteriore risparmio energetico grazie alle loro eccellenti proprietà di isolamento termico e di controllo della radiazione solare.

Finestre in vetro fotovoltaico: l'integrazione delle tecnologie di generazione di energia negli edifici residenziali e commerciali ha aperto ulteriori aree di ricerca che pongono maggiore considerazione sull'estetica complessiva del prodotto finale. Sebbene l’obiettivo rimanga quello di raggiungere un’elevata efficienza, i nuovi sviluppi nelle finestre fotovoltaiche mirano anche a fornire ai consumatori un livello ottimale di trasparenza del vetro e/o la possibilità di scegliere tra una gamma di colori. È possibile progettare pannelli solari di diversi colori per assorbire in modo ottimale determinati intervalli di lunghezze d'onda dallo spettro più ampio. Il vetro fotovoltaico colorato è stato sviluppato con successo utilizzando celle solari semitrasparenti, perovskite e sensibilizzate con coloranti.

• Le celle solari plasmoniche, che assorbono e riflettono la luce colorata, sono state sviluppate utilizzando la tecnologia Fabry-Pérot-Etalon. Queste celle sono costituite da “due pellicole metalliche riflettenti parallele e una pellicola di cavità dielettrica tra di loro”. I due elettrodi sono realizzati in Ag e la cavità tra loro è realizzata in Sb2O3. Cambiando lo spessore e l'indice di rifrazione della cavità dielettrica si cambia la lunghezza d'onda che viene meglio assorbita. Far corrispondere il colore dello strato di vetro di assorbimento alla parte specifica dello spettro a cui si adattano meglio lo spessore della cella e l'indice di rifrazione migliora l'estetica della cella intensificandone il colore e minimizzando le perdite di fotocorrente. Per gli apparecchi a luce rossa e blu è stata raggiunta rispettivamente una trasmittanza del 34,7% e del 24,6%. I dispositivi blu possono convertire il 13,3% della luce assorbita in elettricità, rendendoli i più efficienti tra tutti i dispositivi colorati sviluppati e testati.
• La tecnologia delle celle solari alla perovskite può essere regolata su rosso, verde e blu modificando lo spessore dei nanofili metallici rispettivamente a 8, 20 e 45 nm. Le massime efficienze energetiche del 10,12%, 8,17% e 7,72% sono state ottenute regolando la riflettanza del vetro sulla lunghezza d'onda per la quale ciascuna cella è più adatta.
• Le celle solari coloranti utilizzano elettroliti liquidi per catturare la luce e convertirla in energia utilizzabile; ciò avviene in modo simile a come i pigmenti naturali consentono la fotosintesi nelle piante. Mentre la clorofilla è il pigmento specifico responsabile del colore verde delle foglie, altri pigmenti naturali come i carotenoidi e gli antociani producono variazioni di colore arancione e viola. I ricercatori dell'Università di Concepcion hanno dimostrato la vitalità delle celle solari colorate sensibilizzate con coloranti che appaiono e assorbono selettivamente determinate lunghezze d'onda della luce. Questa soluzione economicamente vantaggiosa utilizza pigmenti naturali del frutto maqui, del mirto nero e degli spinaci come sensibilizzatori. Questi sensibilizzatori naturali vengono poi posti tra due strati di vetro trasparente. Mentre l’efficienza di queste celle particolarmente economiche non è ancora chiara, ricerche precedenti nel campo delle celle a colorante organico sono riuscite a raggiungere una “elevata efficienza di conversione di potenza del 9,8%”.

Le celle solari trasparenti utilizzano un rivestimento di ossido di stagno all'interno delle lastre di vetro per condurre l'elettricità fuori dalla cella. La cella contiene ossido di titanio rivestito con un colorante fotoelettrico.

La maggior parte delle celle solari convenzionali utilizza la luce visibile e infrarossa per generare elettricità. Al contrario, la nuova cella solare innovativa utilizza anche la radiazione ultravioletta. Se utilizzato in sostituzione del tradizionale vetro per finestre o posizionato sopra il vetro, l'area di installazione potrebbe essere ampia, portando a potenziali applicazioni che utilizzano le funzioni combinate di generazione di energia, illuminazione e controllo della temperatura.

Un altro nome per il fotovoltaico trasparente è “fotovoltaico traslucido” (permettono il passaggio solo della metà della luce che cade su di essi). Similmente al fotovoltaico inorganico, anche il fotovoltaico organico può essere traslucido.

Non selettivo in lunghezza d'onda

Alcuni sistemi fotovoltaici non selettivi in ​​​​lunghezza d'onda raggiungono la semitrasparenza attraverso la segmentazione spaziale delle celle solari opache. Questo metodo utilizza qualsiasi cella solare opaca e distribuisce diverse piccole celle su un substrato trasparente. Questa divisione riduce drasticamente l'efficienza di conversione dell'energia e aumenta la trasmissione.

Un altro ramo del fotovoltaico non selettivo in lunghezza d'onda utilizza semiconduttori a film sottile visibilmente assorbenti con piccoli spessori o intervalli di banda sufficientemente grandi da consentire il passaggio della luce. Ciò si traduce in un fotovoltaico semitrasparente con un compromesso diretto tra efficienza e trasmissione simile a quello delle celle solari opache segmentate spazialmente.

Un altro ramo del fotovoltaico non selettivo in lunghezza d'onda utilizza semiconduttori a film sottile visibilmente assorbenti con piccoli spessori o bande proibite sufficientemente grandi da consentire il passaggio della luce. Ciò porta al fotovoltaico semitrasparente con un compromesso diretto tra efficienza e trasmissione simile a quello delle celle solari opache segmentate spazialmente.

Fotovoltaico selettivo in lunghezza d'onda

Il fotovoltaico selettivo in lunghezza d'onda raggiunge la trasparenza attraverso l'uso di materiali che assorbono solo la luce UV e/o NIR ed è stato introdotto per la prima volta nel 2011. Nonostante la maggiore permeabilità, l’efficienza di conversione energetica è inferiore a causa di una serie di problemi. Questi includono piccole lunghezze di diffusione degli eccitoni, ridimensionamento degli elettrodi trasparenti senza compromettere l'efficienza e la durata complessiva dovuta all'instabilità dei materiali organici utilizzati nei TPV in generale.

Innovazioni nel fotovoltaico trasparente e traslucido

I primi tentativi di sviluppare un fotovoltaico organico semitrasparente non selettivo in lunghezza d'onda con strati attivi molto sottili che assorbono nello spettro visibile sono stati in grado di raggiungere solo efficienze inferiori all'1%. Tuttavia, nel 2011, il fotovoltaico organico trasparente con un donatore organico di ftalocianina di cloroalluminio (ClAlPc) e un accettore di fullerene ha mostrato un assorbimento nello spettro ultravioletto e vicino infrarosso (NIR) con efficienze intorno all'1,3% e trasmittanza della luce visibile superiore al 65%. Nel 2017, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un metodo per depositare con successo elettrodi di grafene trasparenti su celle solari organiche, ottenendo una trasmissione della luce visibile del 61% e un miglioramento dell’efficienza del 2,8-4,1%.

Anche le celle solari in perovskite, molto popolari come fotovoltaico di prossima generazione con efficienze superiori al 25%, si sono mostrate promettenti per il fotovoltaico trasparente. Nel 2015, una cella solare di perovskite semitrasparente che utilizza una perovskite di triioduro di piombo di metilammonio e un elettrodo superiore a griglia di nanofili d'argento ha dimostrato una trasmittanza del 79% a una lunghezza d'onda di 800 nm e un'efficienza di circa il 12,7%.