GiPV: Gebouwgeïntegreerde fotovoltaïsche systemen met semi-transparante zonnepanelen

Geïntegreerde fotovoltaïsche systemen (BIPV) verwijzen naar fotovoltaïsche materialen die conventionele bouwmaterialen vervangen in delen van een gebouwschil, zoals het dak, dakramen of de gevel. Het wordt steeds vaker geïntegreerd in nieuwbouw als primaire of secundaire energiebron, en bestaande gebouwen kunnen ook achteraf worden uitgerust met soortgelijke technologie. Het voordeel van geïntegreerde fotovoltaïsche systemen ten opzichte van conventionele, niet-geïntegreerde systemen is dat de initiële kosten kunnen worden gecompenseerd door de lagere uitgaven aan bouwmaterialen en arbeid die normaal gesproken nodig zouden zijn voor de constructie van het deel van het gebouw dat door de BIPV-modules wordt vervangen. Bovendien maakt BIPV een bredere acceptatie van zonne-installaties mogelijk wanneer de esthetiek van het gebouw een belangrijke factor is en conventionele, op een frame gemonteerde zonnepanelen afbreuk zouden doen aan het beoogde uiterlijk.

De term BAPV (building-applied photovoltaics) wordt soms gebruikt om te verwijzen naar fotovoltaïsche systemen die achteraf in een gebouw worden geïnstalleerd. De meeste gebouwgeïntegreerde systemen zijn inderdaad BAPV. Sommige fabrikanten en projectontwikkelaars maken bij nieuwbouw onderscheid tussen BIPV en BAPV.

Gebouwgeïntegreerde fotovoltaïsche systemen (BIPV) ontstonden in de jaren 70. Fotovoltaïsche modules met een aluminium frame werden aan gebouwen bevestigd of erop gemonteerd, meestal in afgelegen gebieden zonder toegang tot het elektriciteitsnet. In de jaren 80 begon men met de installatie van PV-systemen op daken. Deze PV-systemen werden over het algemeen geïnstalleerd op gebouwen die wel op het elektriciteitsnet waren aangesloten en zich bevonden in gebieden met centrale energiecentrales. In de jaren 90 kwamen BIPV-producten die specifiek ontworpen waren voor integratie in de gebouwschil commercieel beschikbaar. Een proefschrift uit 1998 van Patrina Eiffert, getiteld "An Economic Assessment of BIPV", opperde de hypothese dat er ooit economische waarde zou zijn in de handel in hernieuwbare energiecertificaten (RECs). Een economische analyse en een korte geschiedenis van BIPV door het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory uit 2011 suggereren echter dat er nog aanzienlijke technische uitdagingen bestaan ​​voordat de installatiekosten van BIPV kunnen concurreren met die van fotovoltaïsche systemen. Er is echter een groeiende consensus dat BIPV-systemen, door grootschalige commercialisering, de ruggengraat zullen vormen van de Europese doelstelling voor energieneutrale gebouwen (ZEB) in 2020. Ondanks de veelbelovende technische mogelijkheden zijn er ook sociale belemmeringen voor een brede toepassing geïdentificeerd, zoals de conservatieve cultuur van de bouwsector en de integratie in stedelijke planning met een hoge dichtheid. De auteurs wijzen erop dat de acceptatie op lange termijn waarschijnlijk evenzeer afhankelijk zal zijn van effectieve beleidsbeslissingen als van technologische ontwikkeling.

De semi-transparante zonnepanelen bieden een interessante manier om gebouwgeïntegreerde fotovoltaïsche systemen (BIPV) te integreren in architectuur en stadsplanning. Deze nieuwe vorm van zonne-energieopwekking zal naar alle waarschijnlijkheid in de toekomst een belangrijk onderdeel van de wereldwijde elektriciteitsproductie worden.

Geïntegreerde fotovoltaïsche systemen met semi-transparante zonnepanelen zijn een aantrekkelijke optie voor de bouw van energiezuinige gebouwen. Deze technologie kan helpen de energiekosten te verlagen en tegelijkertijd het exterieur van het gebouw te verbeteren.

Bovendien kunnen semi-transparante zonnepanelen worden gebruikt om daglicht naar binnen in een gebouw te leiden. Dit bespaart niet alleen energie, maar verlaagt ook de kosten van kunstmatige verlichting.

Samenvattend is gebouwgeïntegreerde fotovoltaïsche energie (BIPV) een zeer efficiënte en veelzijdige vorm van hernieuwbare energie. Het heeft het potentieel om de energievoorziening van gebouwen op een duurzame manier te verbeteren.

Zonnepanelen van kristallijn silicium voor op de grond en op daken gemonteerde energiecentrales.

Amorf kristallijn silicium dunnefilm zonnepanelen, die hol, lichtgewicht en verkrijgbaar in rode, blauwe en gele kleuren kunnen zijn, worden gebruikt als glazen gevelbekleding en transparant dakraam.

CIGS-cellen (koper-indium-galliumselenide) in dunne filmvorm op flexibele modules die op een element van de gebouwschil zijn gelamineerd, of de CIGS-cellen zijn direct op de ondergrond van de gebouwschil gemonteerd.

Dubbelwandige zonnepanelen met vierkante cellen aan de binnenkant.

platte daken

De meest gangbare oplossing tot nu toe is een amorfe dunnefilmzonnecel die is geïntegreerd in een flexibele polymeermodule. Deze module wordt met een kleeflaag bevestigd tussen de achterkant van de zonnecel en het dakmembraan. Met behulp van CIGS-technologie (koper-indium-galliumselenide) heeft een Amerikaans bedrijf een celrendement van 17% behaald voor in gebouwen geïntegreerde modules in enkellaags TPO-membranen.

Hellende daken

Zonne-dakpannen zijn (keramische) dakpannen met geïntegreerde zonnepanelen. De keramische zonne-dakpan werd in 2013 ontwikkeld en gepatenteerd door een Nederlands bedrijf.

Modules in de vorm van meerdere dakpannen.

Zonnepanelen in de vorm van dakshingles zijn modules die eruitzien en functioneren als normale dakshingles, maar een flexibele dunnefilmcel bevatten.

Ze verlengen de normale levensduur van daken door de isolatie en membranen te beschermen tegen UV-straling en waterschade. Ze voorkomen ook condensatie door het dauwpunt boven het dakmembraan te houden.

Metalen hellende daken (zowel structurele als architectonische) worden tegenwoordig voorzien van PV-functies, hetzij door een vrijstaande flexibele module te bevestigen, hetzij door de CIGS-cellen rechtstreeks op de ondergrond te verhitten en vacuüm te sealen.

facade

Gevelmodules kunnen aan bestaande gebouwen worden bevestigd, waardoor ze een compleet nieuwe uitstraling krijgen. Deze modules worden op de gevel van het gebouw gemonteerd, bovenop de bestaande structuur, wat de aantrekkelijkheid en de wederverkoopwaarde van het gebouw kan verhogen.

beglazing

Fotovoltaïsche ramen zijn (semi-)transparante modules die een aantal architectonische elementen van glas of vergelijkbare materialen, zoals ramen en dakramen, kunnen vervangen. Ze wekken niet alleen elektrische energie op, maar kunnen dankzij hun uitstekende thermische isolatie en het vermogen om zonnestraling te reguleren ook verdere energiebesparingen opleveren.

Fotovoltaïsche ramen: De integratie van energieopwekkende technologieën in woon- en bedrijfsgebouwen heeft nieuwe onderzoeksgebieden geopend die meer nadruk leggen op de algehele esthetiek van het eindproduct. Hoewel het doel blijft om een ​​hoog rendement te behalen, streven nieuwe ontwikkelingen in fotovoltaïsche ramen er ook naar om consumenten een optimale mate van glastransparantie te bieden en/of de mogelijkheid om te kiezen uit een reeks kleuren. Zonnepanelen in verschillende kleuren kunnen zo worden ontworpen dat ze specifieke golflengtebereiken uit het bredere spectrum optimaal absorberen. Gekleurd fotovoltaïsch glas is met succes ontwikkeld met behulp van semi-transparante, perovskiet- en kleurstofgevoelige zonnecellen.

• Plasmonische zonnecellen die gekleurd licht absorberen en reflecteren, zijn ontwikkeld met behulp van Fabry-Pérot-Etalon-technologie. Deze cellen bestaan ​​uit twee parallelle, reflecterende metaalfilms en een diëlektrische holtefilm ertussen. De twee elektroden zijn gemaakt van zilver (Ag) en de holte ertussen van Sb₂O₃. Door de dikte en de brekingsindex van de diëlektrische holte te variëren, wordt de golflengte die het best wordt geabsorbeerd, aangepast. Door de kleur van het absorberende glas af te stemmen op het specifieke deel van het spectrum waarvoor de dikte en brekingsindex van de cel het meest geschikt zijn, worden zowel de esthetische eigenschappen van de cel verbeterd door de kleur te intensiveren als de fotostroomverliezen geminimaliseerd. Apparaten voor rood en blauw licht behaalden transmissies van respectievelijk 34,7% en 24,6%. Blauwe apparaten kunnen 13,3% van het geabsorbeerde licht omzetten in elektriciteit, waardoor ze de meest efficiënte zijn van alle ontwikkelde en geteste gekleurde apparaten.
• De technologie van perovskiet-zonnecellen kan worden afgestemd op rode, groene en blauwe golflengten door de dikte van de metalen nanodraden te variëren tot respectievelijk 8, 20 en 45 nm. Maximale rendementen van 10,12%, 8,17% en 7,72% werden behaald door de reflectie van het glas aan te passen aan de golflengte waarvoor de betreffende cel het meest geschikt is.
• Kleurstofgevoelige zonnecellen gebruiken vloeibare elektrolyten om licht op te vangen en om te zetten in bruikbare energie, net zoals natuurlijke pigmenten fotosynthese in planten mogelijk maken. Hoewel chlorofyl het specifieke pigment is dat verantwoordelijk is voor de groene kleur in bladeren, produceren andere natuurlijk voorkomende pigmenten, zoals carotenoïden en anthocyaninen, variaties in oranje en paarse tinten. Onderzoekers van de Universiteit van Concepción hebben de haalbaarheid aangetoond van kleurstofgevoelige zonnecellen die er niet alleen levendig uitzien, maar ook selectief specifieke golflengten van licht absorberen. Deze goedkope oplossing maakt gebruik van natuurlijke pigmenten afkomstig van maqui-fruit, zwarte mirte en spinazie als sensibilisatoren. Deze natuurlijke sensibilisatoren worden vervolgens ingeklemd tussen twee lagen transparant glas. Hoewel de efficiëntie van deze bijzonder goedkope cellen nog onduidelijk is, heeft eerder onderzoek naar organische kleurstofgevoelige zonnecellen een "hoge energieomzettingsrendement van 9,8%" bereikt.

Transparante zonnecellen gebruiken een tinoxidecoating aan de binnenkant van de glasplaten om elektriciteit van de cel te geleiden. De cel bevat titaniumoxide bedekt met een foto-elektrische kleurstof.

De meeste conventionele zonnecellen gebruiken zichtbaar en infrarood licht om elektriciteit op te wekken. Deze innovatieve nieuwe zonnecel maakt daarentegen ook gebruik van ultraviolette straling. Indien deze gebruikt wordt ter vervanging van conventioneel vensterglas of over bestaand glas geplaatst kan worden, kan het installatieoppervlak groot zijn, wat leidt tot potentiële toepassingen die energieopwekking, verlichting en temperatuurregeling combineren.

Een andere term voor transparante fotovoltaïsche cellen is "doorschijnende fotovoltaïsche cellen" (ze laten slechts de helft van het invallende licht door). Net als anorganische fotovoltaïsche cellen kunnen ook organische fotovoltaïsche cellen doorschijnend zijn.

Niet-golflengteselectief

Sommige niet-golflengteselectieve fotovoltaïsche systemen bereiken semi-transparantie door de ruimtelijke segmentatie van ondoorzichtige zonnecellen. Bij deze methode wordt elk type ondoorzichtige zonnecel gebruikt en worden meerdere kleine cellen verdeeld over een transparant substraat. Deze segmentatie verlaagt de energieomzettingsrendement drastisch en verhoogt de transmissie.

Een andere tak van niet-golflengteselectieve fotovoltaïsche cellen maakt gebruik van zichtbaar absorberende dunnefilm-halfgeleiders met een geringe dikte of een voldoende grote bandkloof om licht door te laten. Dit resulteert in semi-transparante fotovoltaïsche cellen met een vergelijkbare directe afweging tussen efficiëntie en transmissie als ruimtelijk gesegmenteerde ondoorzichtige zonnecellen.

Een andere tak van niet-golflengte-selectieve fotovoltaïsche cellen maakt gebruik van zichtbaar absorberende dunnefilm-halfgeleiders met een geringe dikte of een voldoende grote bandkloof die licht doorlaat. Dit resulteert in semi-transparante fotovoltaïsche cellen met een vergelijkbare directe afweging tussen efficiëntie en transmissie als ruimtelijk gesegmenteerde ondoorzichtige zonnecellen.

Golflengte-selectieve fotovoltaïsche cellen

Golflengte-selectieve fotovoltaïsche cellen (WSPV) bereiken transparantie door het gebruik van materialen die alleen UV- en/of NIR-licht absorberen en werden voor het eerst geïntroduceerd in 2011. Ondanks de hogere transmissie zijn de energieomzettingsrendementen lager vanwege een aantal problemen. Deze omvatten korte exciton-diffusielengtes, de schaalbaarheid van transparante elektroden zonder verlies van efficiëntie, en de algehele levensduur als gevolg van de inherente instabiliteit van de organische materialen die in WSPV's worden gebruikt.

Innovaties in transparante en doorschijnende fotovoltaïsche cellen

Vroege pogingen om niet-golflengteselectieve, semi-transparante organische fotovoltaïsche cellen te ontwikkelen met zeer dunne actieve lagen die absorberen in het zichtbare spectrum, bereikten rendementen van minder dan 1%. In 2011 lieten transparante organische fotovoltaïsche cellen met een organische chlooraluminiumftalocyanine-donor (ClAlPc) en een fullereen-acceptor echter absorptie zien in het ultraviolette en nabij-infrarode (NIR) spectrum met rendementen rond de 1,3% en een zichtbare lichtdoorlaatbaarheid van meer dan 65%. In 2017 ontwikkelden onderzoekers van MIT een methode om met succes transparante grafeenelektroden op organische zonnecellen aan te brengen, wat resulteerde in een zichtbare lichtdoorlaatbaarheid van 61% en verbeterde rendementen van 2,8–4,1%.

Perovskiet-zonnecellen, die zeer populair zijn als de volgende generatie fotovoltaïsche cellen met rendementen van meer dan 25%, blijken ook veelbelovend voor transparante fotovoltaïsche cellen. In 2015 demonstreerde een semi-transparante perovskiet-zonnecel met een methylammoniumloodtriiodide-perovskiet en een zilveren nanodraadrooster als bovenelektrode een transmissie van 79% bij een golflengte van 800 nm en een rendement van ongeveer 12,7%.