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

Il fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV) si riferisce a materiali fotovoltaici che sostituiscono i materiali da costruzione convenzionali in alcune parti dell'involucro edilizio, come il tetto, i lucernari o la facciata. Viene sempre più integrato nei nuovi edifici come fonte di energia primaria o secondaria, e anche gli edifici esistenti possono essere riqualificati con tecnologie simili. Il vantaggio del fotovoltaico integrato rispetto ai sistemi convenzionali non integrati è che i costi iniziali possono essere compensati riducendo la spesa per materiali da costruzione e manodopera che sarebbe normalmente necessaria per costruire la parte dell'edificio che i moduli BIPV sostituiscono. Inoltre, il BIPV consente una più ampia accettazione degli impianti solari quando l'estetica dell'edificio è un fattore importante e i pannelli solari convenzionali montati su rack ne comprometterebbero l'aspetto estetico.

Il termine BAPV (Building-Applied Photovoltaics) viene talvolta utilizzato per riferirsi a sistemi fotovoltaici integrati in un edificio. La maggior parte dei sistemi integrati negli edifici sono effettivamente BAPV. Alcuni produttori e sviluppatori distinguono tra BIPV e BAPV nelle nuove costruzioni.

Le applicazioni del fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV) sono emerse negli anni '70. Moduli fotovoltaici con telaio in alluminio venivano fissati o montati su edifici, tipicamente situati in aree remote senza accesso alla rete elettrica. Negli anni '80, iniziarono a essere installati impianti fotovoltaici sui tetti. Questi impianti fotovoltaici venivano generalmente installati su edifici collegati alla rete elettrica e situati in aree con centrali elettriche centralizzate. Negli anni '90, i prodotti BIPV progettati specificamente per l'integrazione nell'involucro edilizio sono diventati disponibili in commercio. Una tesi di dottorato del 1998 di Patrina Eiffert, intitolata "Una valutazione economica del BIPV", ipotizzava che un giorno ci sarebbe stato un valore economico nello scambio di crediti di energia rinnovabile (REC). Una valutazione economica e una breve storia del BIPV, condotta dal National Renewable Energy Laboratory degli Stati Uniti nel 2011, suggeriscono che permangono notevoli sfide tecniche 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 una commercializzazione diffusa, costituiranno la spina dorsale dell'obiettivo europeo di edifici a energia zero (ZEB) entro il 2020. Nonostante le promettenti possibilità tecniche, sono state identificate anche barriere sociali alla loro adozione diffusa, come la cultura conservatrice del settore edile e l'integrazione nella pianificazione urbana ad alta densità. Gli autori sottolineano che l'adozione a lungo termine dipenderà probabilmente tanto da decisioni politiche efficaci quanto dallo sviluppo tecnologico.

I moduli solari semitrasparenti offrono un modo interessante per integrare il fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV) nell'architettura e nella pianificazione urbana. È molto probabile che questo nuovo tipo di generazione di energia solare diventi una componente importante della produzione elettrica globale in futuro.

Il fotovoltaico integrato negli edifici con moduli solari semitrasparenti è un'opzione interessante per la costruzione di edifici a basso consumo energetico. Questa tecnologia può contribuire a ridurre i costi energetici e, al contempo, a migliorare l'aspetto esterno dell'edificio.

Inoltre, i pannelli solari semitrasparenti possono essere utilizzati per convogliare la luce naturale all'interno di un edificio. Questo non solo consente di risparmiare energia, ma riduce anche i costi dell'illuminazione artificiale.

In sintesi, il fotovoltaico integrato negli edifici (BIPV) è una forma di energia rinnovabile altamente 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 sui tetti.

Moduli fotovoltaici a film sottile in silicio cristallino amorfo, cavi, leggeri, rossi, blu e gialli, utilizzati come facciate in vetro e lucernari trasparenti.

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

Moduli solari con doppi vetri e celle quadrate all'interno.

Tetti piani

La soluzione più diffusa ad oggi è una cella solare a film sottile amorfa integrata in un modulo polimerico flessibile, fissata con una pellicola adesiva tra il backsheet del modulo solare e la membrana del tetto. Utilizzando la tecnologia CIGS (seleniuro di rame, indio e gallio), un'azienda statunitense ha raggiunto un'efficienza delle celle del 17% per moduli integrati negli edifici in membrane TPO monostrato.

Tetti a falde

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 diverse tegole.

Le tegole solari sono moduli che hanno l'aspetto e il funzionamento delle normali tegole, ma contengono una cella flessibile a film sottile.

Prolungano la normale durata dei tetti proteggendo l'isolamento e le membrane dai raggi UV e dai danni causati dall'acqua. Prevengono inoltre la condensa mantenendo il punto di rugiada al di sopra della membrana del tetto.

I tetti spioventi metallici (sia strutturali che architettonici) vengono ora dotati di funzioni fotovoltaiche, sia mediante l'incollaggio di un modulo flessibile indipendente, sia mediante la sigillatura a caldo e sotto vuoto delle celle CIGS direttamente sul substrato.

facciata

Le facciate possono essere integrate negli edifici esistenti, conferendo loro un aspetto completamente nuovo. Questi moduli vengono montati sulla facciata dell'edificio, sopra la struttura esistente, aumentandone l'attrattiva e il valore di rivendita.

vetratura

Le finestre fotovoltaiche sono moduli (semi)trasparenti che possono sostituire numerosi elementi architettonici solitamente realizzati in vetro o materiali simili, come finestre e lucernari. Non solo generano energia elettrica, ma possono anche consentire ulteriori risparmi energetici grazie alle loro eccellenti proprietà di isolamento termico e alla capacità di controllare la radiazione solare.

Finestre fotovoltaiche in vetro: l'integrazione di tecnologie di generazione di energia negli edifici residenziali e commerciali ha aperto ulteriori aree di ricerca che pongono maggiore enfasi 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 offrire ai consumatori un livello ottimale di trasparenza del vetro e/o la possibilità di scegliere tra una gamma di colori. Pannelli solari di diversi colori possono essere progettati per assorbire in modo ottimale specifiche lunghezze d'onda dello 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 film metallici riflettenti paralleli e da una cavità dielettrica interposta. I due elettrodi sono realizzati in argento (Ag) e la cavità interposta è in Sb₂O₃. Modificando lo spessore e l'indice di rifrazione della cavità dielettrica, si modifica la lunghezza d'onda meglio assorbita. L'abbinamento del colore del vetro dello strato di assorbimento alla parte specifica dello spettro per la quale lo spessore e l'indice di rifrazione della cella sono più adatti migliora sia l'estetica della cella, intensificandone il colore, sia riducendo al minimo le perdite di fotocorrente. I dispositivi a luce rossa e blu hanno raggiunto trasmittanze rispettivamente del 34,7% e del 24,6%. I dispositivi a luce 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 a perovskite può essere ottimizzata per le lunghezze d'onda del rosso, del verde e del blu modificando lo spessore dei nanofili metallici a 8, 20 e 45 nm, rispettivamente. Regolando la riflettanza del vetro in base alla lunghezza d'onda più adatta alla rispettiva cella, sono state ottenute massime efficienze energetiche del 10,12%, 8,17% e 7,72%.
• Le celle solari sensibilizzate a coloranti utilizzano elettroliti liquidi per catturare la luce e convertirla in energia utilizzabile, proprio 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 le antocianine, producono variazioni di tonalità arancione e viola. I ricercatori dell'Università di Concepción hanno dimostrato la fattibilità di celle solari colorate sensibilizzate a coloranti che appaiono vivaci e assorbono selettivamente specifiche lunghezze d'onda della luce. Questa soluzione a basso costo utilizza pigmenti naturali derivati ​​dal frutto del maqui, dal mirto nero e dagli spinaci come sensibilizzanti. Questi sensibilizzanti naturali vengono poi inseriti tra due strati di vetro trasparente. Sebbene l'efficienza di queste celle particolarmente economiche rimanga poco chiara, precedenti ricerche sulle celle solari sensibilizzate a coloranti organici hanno raggiunto un'"elevata efficienza di conversione di potenza del 9,8%".

Le celle solari trasparenti utilizzano un rivestimento di ossido di stagno sulla parte interna dei pannelli di vetro per condurre l'elettricità 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, questa innovativa cella solare sfrutta anche la radiazione ultravioletta. Se utilizzata in sostituzione dei vetri delle finestre convenzionali o posizionata sopra vetri esistenti, l'area di installazione potrebbe essere ampia, aprendo la strada a potenziali applicazioni che combinano produzione di energia, illuminazione e controllo della temperatura.

Un altro termine per indicare il fotovoltaico trasparente è "fotovoltaico traslucido" (lascia passare solo metà della luce incidente). Analogamente al fotovoltaico inorganico, anche il fotovoltaico organico può essere traslucido.

Non selettivo in lunghezza d'onda

Alcuni sistemi fotovoltaici non selettivi in ​​base alla lunghezza d'onda raggiungono la semi-trasparenza attraverso la segmentazione spaziale di celle solari opache. Questo metodo utilizza qualsiasi tipo di cella solare opaca e distribuisce diverse piccole celle su un substrato trasparente. Questa segmentazione riduce drasticamente l'efficienza di conversione energetica e aumenta la trasmissione.

Un altro ramo del fotovoltaico non selettivo in lunghezza d'onda utilizza semiconduttori a film sottile ad assorbimento visibile, con spessori ridotti o band gap sufficientemente ampi 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 ad assorbimento visibile, con spessore ridotto o band gap sufficientemente ampi 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.

Fotovoltaico selettivo in lunghezza d'onda

Il fotovoltaico selettivo in lunghezza d'onda (WSPV) 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 trasmittanza, l'efficienza di conversione energetica è inferiore a causa di una serie di problemi, tra cui la ridotta lunghezza d'onda di diffusione degli eccitoni, la riduzione della trasparenza degli elettrodi senza comprometterne l'efficienza e la durata complessiva dovuta all'instabilità intrinseca dei materiali organici utilizzati nei WSPV.

Innovazioni nel fotovoltaico trasparente e traslucido

I primi tentativi di sviluppare fotovoltaici organici semitrasparenti non selettivi in ​​lunghezza d'onda con strati attivi molto sottili che assorbono nello spettro visibile hanno raggiunto efficienze inferiori all'1%. Tuttavia, nel 2011, i fotovoltaici organici trasparenti che utilizzavano un donatore di cloroalluminio ftalocianina organica (ClAlPc) e un accettore di fullerene hanno dimostrato un assorbimento nello spettro ultravioletto e del vicino infrarosso (NIR) con efficienze intorno all'1,3% e una 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 trasmittanza della luce visibile del 61% e un'efficienza migliorata del 2,8-4,1%.

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