GiPV: 부분적으로 투명한 태양광 모듈을 갖춘 건물 일체형 태양광 발전 - 건물 일체형 태양광 발전

건물 일체형 태양광 발전 - GiPV(건물 일체형 태양광 발전 - BIPV)는 지붕, 채광창 또는 외관과 같은 건물 외장 부분의 기존 건축 자재를 대체하는 태양광 재료입니다. 기존 건물도 유사한 기술로 개조할 수 있지만 주 또는 보조 전력 공급원으로 새 건물 건설에 점점 더 통합되고 있습니다. 일반적인 비통합형 시스템에 비해 통합형 태양광 발전의 장점은 BIPV 모듈이 대체하는 건물 부분을 건설하는 데 일반적으로 필요한 건축 자재 및 노동에 대한 지출을 줄여 초기 비용을 상쇄할 수 있다는 것입니다. 또한 BIPV는 건물의 미관이 중요하고 기존의 랙 장착형 태양광 패널이 건물의 의도된 외관을 방해할 때 태양광 설치의 폭넓은 채택을 가능하게 합니다.

건물 일체형 태양광발전에 대한 BAPV(건물 적용 태양광발전)라는 용어는 때때로 건물에 통합되는 태양광발전 시스템을 가리키는 데 사용됩니다. 대부분의 건물 통합 시스템은 실제로 BAPV입니다. 일부 제조업체와 건축업자는 새 건물에 대해 BIPV와 BAPV를 구분합니다.

건물용 PV 애플리케이션은 1970년대에 등장했습니다. 알루미늄 프레임의 태양광 패널은 일반적으로 전력망에 접근할 수 없는 외딴 지역에 위치한 건물에 연결되거나 장착되었습니다. 1980년대에는 태양광 모듈이 지붕에 설치되기 시작했습니다. 이러한 PV 시스템은 일반적으로 전력망에 연결된 건물에 설치되고 중앙 집중식 발전소가 있는 지역에 위치합니다. 1990년대에는 건물 외피에 통합되도록 특별히 설계된 BIPV 건축 제품이 상용화되었습니다. BIPV의 경제적 평가라는 제목의 Patrina Eiffert의 1998년 박사 학위 논문은 언젠가 재생 에너지 크레딧(REC) 거래에 대한 경제적 가치가 있을 것이라는 가설을 세웠습니다. 미국 국립 재생 에너지 연구소(National Renewable Energy Laboratory)의 2011년 경제 평가 및 BIPV 역사에 대한 간략한 검토에 따르면 BIPV 설치 비용이 광전지 시스템 비용과 경쟁하기 전에 극복해야 할 중요한 기술적 과제가 여전히 남아 있는 것으로 나타났습니다. 그러나 BIPV 시스템이 광범위한 상용화를 통해 2020년까지 유럽의 제로 에너지 빌딩(ZEB) 목표의 중추를 형성할 것이라는 공감대가 커지고 있습니다. 유망한 기술적 가능성에도 불구하고 건설 산업의 보수적인 문화, 고밀도 도시 계획과의 통합 등 광범위한 사용을 가로막는 사회적 장벽도 확인되었습니다. 저자들은 장기적인 사용이 기술 개발만큼이나 효과적인 정책 결정에 크게 좌우될 가능성이 높다고 지적합니다.

부분적으로 투명한 태양광 모듈은 건물 일체형 태양광 발전(BIPV)을 건축 및 도시 계획에 통합할 수 있는 흥미로운 기회를 제공합니다. 이 새로운 유형의 태양 에너지 발전은 미래에 전 세계적으로 전기 생산의 중요한 부분이 될 가능성이 높습니다.

부분적으로 투명한 태양광 모듈을 갖춘 건물 일체형 태양광 발전은 에너지 효율적인 건물 건설을 위한 매력적인 옵션입니다. 이 기술은 건물의 외관을 개선하는 동시에 에너지 공급 비용을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

또한 반투명 태양광 모듈을 사용하면 일광을 건물 내부로 직접 보낼 수 있습니다. 이는 에너지를 절약할 뿐만 아니라 인공 조명 비용도 절감합니다.

요약하면, 건물일체형 태양광발전은 매우 효율적이고 다양한 형태의 신재생에너지라고 할 수 있습니다. 이는 건물의 에너지 공급을 지속적으로 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

지상 설치형 및 옥상 발전소용 결정질 실리콘으로 제작된 태양광 모듈.

비정질 결정질 실리콘 박막 태양광 PV 모듈은 유리 외관 및 투명한 채광창으로 속이 빈, 밝은, 빨간색, 파란색 및 노란색일 수 있습니다.

건물 외피 요소에 적층되는 유연한 모듈의 CIGS 기반(구리-인듐-갈륨-셀레나이드) 박막 셀 또는 CIGS 셀이 건물 외피 기판에 직접 장착됩니다.

내부에 정사각형 셀이 있는 이중 유리 태양광 패널.

평평한 지붕

현재 가장 널리 사용되는 솔루션은 유연한 폴리머 모듈에 비정질 박막 태양전지를 일체화한 후 태양광 모듈 후면 필름과 지붕 방수재 사이를 접착필름으로 고정하는 방식이다. CIGS(구리 인듐 갈륨 셀레나이드) 기술을 사용하여 미국 회사는 단일층 TPO 멤브레인의 건물 통합 모듈에서 17%의 셀 효율성을 달성할 수 있습니다.

경사지붕

태양광 지붕 타일은 태양광 모듈이 통합된 (세라믹) 지붕 타일입니다. 세라믹 태양광 지붕 타일은 2013년 네덜란드 회사가 개발하여 특허를 받았습니다.

여러 개의 기와 모양을 한 모듈입니다.

태양광 지붕널은 일반 지붕널처럼 보이고 기능하지만 유연한 박막 셀을 포함하는 패널입니다.

단열재와 멤브레인을 자외선 및 물 손상으로부터 보호하여 지붕의 정상적인 수명을 연장합니다. 이슬점이 지붕막 위에 유지되므로 결로 현상도 방지됩니다.

금속 경사 지붕(구조적 및 건축적 모두)에는 독립형 유연한 모듈을 접착하거나 CIGS 셀을 기판에 직접 열 및 진공 밀봉하여 PV 기능을 장착하고 있습니다.

정면

파사드는 기존 건물에 부착할 수 있으며 오래된 건물에 완전히 새로운 모습을 선사할 수 있습니다. 이러한 모듈은 기존 구조 위에 건물 외관에 부착되어 건물의 매력과 재판매 가치를 높일 수 있습니다.

유약

광전지 창은 일반적으로 유리 또는 다음과 같은 유사한 재료로 만들어진 여러 건축 요소를 대체할 수 있는 (반)투명 모듈입니다. B. 창문과 채광창. 전기 에너지를 생성할 뿐만 아니라 우수한 단열 특성과 일사량 제어로 인해 에너지를 더욱 절약할 수 있습니다.

광전지 유리창: 에너지 생성 기술을 주거용 및 상업용 건물에 통합함으로써 최종 제품의 전체적인 미적 측면을 더 많이 고려하는 추가 연구 영역이 열렸습니다. 목표는 여전히 높은 효율성을 달성하는 것이지만, 광전지 창의 새로운 개발은 소비자에게 최적 수준의 유리 투명도 및/또는 다양한 색상 중에서 선택할 수 있는 기능을 제공하는 것을 목표로 합니다. 다양한 색상의 태양광 패널은 더 넓은 스펙트럼에서 특정 파장 범위를 최적으로 흡수하도록 설계될 수 있습니다. 컬러 광전지 유리는 반투명 페로브스카이트 및 염료 감응형 태양전지를 사용하여 성공적으로 개발되었습니다.

• 유색광을 흡수하고 반사하는 플라즈모닉 태양전지는 Fabry-Pérot-Etalon 기술을 사용하여 개발되었습니다. 이 셀은 "두 개의 평행한 반사 금속 필름과 그 사이의 유전체 공동 필름"으로 구성됩니다. 두 전극은 Ag로 만들어졌고, 그 사이의 공동은 Sb2O3로 만들어졌습니다. 유전체 공동의 두께와 굴절률을 변경하면 가장 잘 흡수되는 파장이 변경됩니다. 흡수층 유리의 색상을 셀의 두께와 굴절률이 가장 잘 일치하는 스펙트럼의 특정 부분에 맞추면 색상을 강화하고 광전류 손실을 최소화하여 셀의 미관을 향상시킵니다. 적색광 소자와 청색광 소자의 경우 각각 34.7%, 24.6%의 투과율을 나타냈다. 블루 장치는 흡수된 빛의 13.3%를 전기로 변환할 수 있어 개발 및 테스트된 모든 컬러 장치 중에서 가장 효율적입니다.
• 페로브스카이트 태양전지 기술은 금속 나노와이어의 두께를 각각 8nm, 20nm, 45nm로 변경하여 빨간색, 녹색, 파란색으로 조정할 수 있습니다. 10.12%, 8.17%, 7.72%의 최대 전력 효율은 유리 반사율을 각 셀에 가장 적합한 파장으로 조정하여 달성되었습니다.
• 염료 태양전지는 액체 전해질을 사용하여 빛을 포착하고 이를 사용 가능한 에너지로 변환합니다. 이는 천연 색소가 식물의 광합성을 활성화하는 것과 유사한 방식으로 발생합니다. 엽록소는 잎의 녹색을 담당하는 특정 색소인 반면, 카로티노이드 및 안토시아닌과 같은 자연적으로 발생하는 다른 색소는 다양한 주황색 및 보라색 색상을 생성합니다. 콘셉시온 대학교(University of Concepcion)의 연구원들은 특정 파장의 빛을 나타내고 선택적으로 흡수하는 염료 감응형 유색 태양전지의 생존 가능성을 입증했습니다. 이 비용 효율적인 솔루션은 마키 열매, 블랙 머틀, 시금치의 천연 색소를 증감제로 사용합니다. 그런 다음 이러한 천연 증감제를 두 겹의 투명 유리 사이에 놓습니다. 이들 특히 저가형 전지의 효율은 아직 불분명하지만, 유기염료전지 분야의 이전 연구에서는 '9.8%의 높은 전력 변환 효율'을 달성할 수 있었다.

투명한 태양전지는 유리판 내부에 산화주석 코팅을 사용하여 전지 외부로 전기를 전도합니다. 셀에는 광전 염료로 코팅된 산화티타늄이 포함되어 있습니다.

대부분의 기존 태양전지는 가시광선과 적외선을 이용해 전기를 생산합니다. 대조적으로, 혁신적인 새로운 태양전지는 자외선 복사도 사용합니다. 기존 창유리를 대체하거나 유리 위에 배치할 경우 설치 면적이 넓어 발전, 조명 및 온도 제어 기능을 결합한 응용 분야로 이어질 수 있습니다.

투명 광전지의 또 다른 이름은 "반투명 광전지"입니다(반투명 광전지는 그 위에 떨어지는 빛의 절반만 통과시킵니다). 무기 광전지와 마찬가지로 유기 광전지도 반투명할 수 있습니다.

파장 선택적이지 않음

일부 비파장 선택형 광전지 시스템은 불투명 태양전지의 공간 분할을 통해 반투명성을 달성합니다. 이 방법은 불투명한 태양전지를 사용하고 투명 기판에 여러 개의 작은 셀을 분산시킵니다. 이러한 분할은 에너지 변환 효율을 대폭 감소시키고 전송을 증가시킵니다.

비파장 선택성 광전지의 또 다른 분야는 빛이 통과할 수 있을 만큼 두께가 얇거나 밴드 갭이 충분히 큰 가시적으로 흡수되는 박막 반도체를 활용합니다. 이로 인해 공간적으로 분할된 불투명 태양전지와 마찬가지로 효율과 전송 사이에서 직접적인 상충 관계가 유사한 반투명 광전지가 탄생합니다.

비파장 선택성 광전지의 또 다른 분야는 빛이 통과할 수 있을 만큼 두께가 얇거나 밴드 갭이 충분히 큰 가시적으로 흡수되는 박막 반도체를 사용합니다. 이는 공간적으로 분할된 불투명 태양 전지와 마찬가지로 효율과 전송 사이의 직접적인 절충안을 갖춘 반투명 광전지로 이어집니다.

파장 선택형 광전지

파장 선택형 광전지는 UV 및/또는 NIR 광만 흡수하는 재료를 사용하여 투명성을 구현하며 2011년에 처음 출시되었습니다. 높은 투자율에도 불구하고 여러 가지 문제로 인해 에너지 변환 효율이 낮아집니다. 여기에는 작은 엑시톤 확산 길이, 효율성 저하 없이 투명 전극의 스케일링, 일반적으로 TPV에 사용되는 유기 물질의 불안정성으로 인한 전체 수명이 포함됩니다.

투명 및 반투명 태양광 발전의 혁신

가시광선 스펙트럼을 흡수하는 매우 얇은 활성층을 갖춘 비파장 선택성 반투명 유기 광전지를 개발하려는 초기 시도에서는 1% 미만의 효율만 달성할 수 있었습니다. 그러나 2011년에 유기 클로로알루미늄 프탈로시아닌 공여체(ClAlPc)와 풀러렌 수용체를 사용한 투명한 유기 광전지는 약 1.3%의 효율과 65% 이상의 가시광선 투과율로 자외선 및 근적외선(NIR) 스펙트럼에서 흡수를 나타냈습니다. 2017년 MIT 연구진은 유기 태양전지에 투명 그래핀 전극을 성공적으로 증착하는 방법을 개발해 가시광선 투과도 61%, 효율 2.8~4.1% 향상을 달성했다.

효율 25%가 넘는 차세대 태양광발전소로 각광받는 페로브스카이트 태양전지도 투명한 태양광발전에 대한 가능성을 보여줬다. 2015년에는 메틸암모늄납삼요오드화물 페로브스카이트와 은나노와이어 그리드 상부전극을 이용한 반투명 페로브스카이트 태양전지가 800nm ​​파장에서 79%의 투과율과 약 12.7%의 효율을 보였다.