GiPV: Fotowoltaika zintegrowana z budynkiem z częściowo przezroczystymi modułami fotowoltaicznymi – fotowoltaika zintegrowana z budynkiem

Fotowoltaika zintegrowana z budynkiem - GiPV (fotowoltaika zintegrowana z budynkiem - BIPV) to materiały fotowoltaiczne, które zastępują konwencjonalne materiały budowlane w częściach przegród zewnętrznych budynku, takich jak dach, świetliki czy elewacja. Coraz częściej włącza się je do budowy nowych budynków jako główne lub wtórne źródło energii elektrycznej, chociaż istniejące budynki można również doposażyć w podobną technologię. Zaletą zintegrowanej fotowoltaiki w porównaniu ze zwykłymi niezintegrowanymi systemami jest to, że początkowe koszty można zrekompensować poprzez zmniejszenie wydatków na materiały budowlane i robociznę, które normalnie byłyby potrzebne do budowy części budynku, którą zastępują moduły BIPV. Ponadto BIPV umożliwia szersze zastosowanie instalacji fotowoltaicznych, gdy istotna jest estetyka budynku, a tradycyjne panele fotowoltaiczne montowane w stojakach zakłóciłyby zamierzony wygląd budynku.

Termin BAPV (fotowoltaika stosowana w budynku) w odniesieniu do fotowoltaiki zintegrowanej z budynkiem jest czasami używany w odniesieniu do systemów fotowoltaicznych, które są następnie integrowane z budynkiem. Większość systemów zintegrowanych z budynkiem to tak naprawdę BAPV. Niektórzy producenci i budowniczowie rozróżniają BIPV i BAPV w przypadku nowych budynków.

Zastosowania fotowoltaiki w budynkach pojawiły się w latach 70. XX wieku. Panele fotowoltaiczne z ramą aluminiową zostały podłączone lub zamontowane w budynkach, zwykle zlokalizowanych w odległych obszarach bez dostępu do sieci elektrycznej. W latach 80-tych zaczęto montować na dachach moduły fotowoltaiczne. Te systemy fotowoltaiczne były zwykle instalowane w budynkach podłączonych do sieci elektrycznej i zlokalizowanych na obszarach, w których znajdują się scentralizowane elektrownie. W latach 90. na rynku pojawiły się produkty budowlane BIPV zaprojektowane specjalnie do integracji z przegrodą budynku. W rozprawie doktorskiej Patriny Eiffert z 1998 r., zatytułowanej An Economic Assessment of BIPV, postawiono hipotezę, że pewnego dnia handel kredytami energii odnawialnej (REC) będzie miał wartość ekonomiczną. Ocena ekonomiczna przeprowadzona w 2011 r. i krótki przegląd historii BIPV przeprowadzony przez Amerykańskie Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej sugeruje, że nadal istnieją poważne wyzwania techniczne, które należy pokonać, zanim koszty instalacji BIPV będą mogły konkurować z kosztami systemów fotowoltaicznych. Istnieje jednak coraz większa zgoda co do tego, że systemy BIPV, dzięki ich powszechnej komercjalizacji, staną się podstawą europejskiego celu budowania o zerowym zużyciu energii (ZEB) do roku 2020. Pomimo obiecujących możliwości technicznych zidentyfikowano również bariery społeczne utrudniające powszechne zastosowanie, takie jak konserwatywna kultura branży budowlanej i integracja z urbanistyką o dużym zagęszczeniu. Autorzy wskazują, że długoterminowe stosowanie będzie prawdopodobnie zależeć w równym stopniu od skutecznych decyzji politycznych, jak i od rozwoju technicznego.

Częściowo przezroczyste moduły słoneczne oferują interesującą możliwość integracji fotowoltaiki zintegrowanej z budynkiem (BIPV) z architekturą i planowaniem urbanistycznym. Ten nowy rodzaj wytwarzania energii słonecznej najprawdopodobniej będzie w przyszłości ważną częścią produkcji energii elektrycznej na całym świecie.

Fotowoltaika zintegrowana z budynkiem z częściowo przezroczystymi modułami fotowoltaicznymi to atrakcyjna opcja przy budowie budynków energooszczędnych. Technologia ta może pomóc w obniżeniu kosztów dostaw energii, jednocześnie poprawiając wygląd zewnętrzny budynku.

Dodatkowo półprzezroczyste moduły fotowoltaiczne można wykorzystać do skierowania światła dziennego do wnętrza budynku. To nie tylko oszczędza energię, ale także zmniejsza koszty sztucznego oświetlenia.

Podsumowując, można stwierdzić, że fotowoltaika zintegrowana z budynkiem jest bardzo wydajnym i wszechstronnym rodzajem energii odnawialnej. Ma potencjał, aby w sposób zrównoważony poprawić zaopatrzenie budynków w energię.

Moduły słoneczne z krzemu krystalicznego do elektrowni naziemnych i dachowych.

Cienkowarstwowe moduły fotowoltaiczne z amorficznego krzemu krystalicznego, które mogą być puste w środku, lekkie, czerwone, niebieskie i żółte, jako szklana fasada i przezroczysty świetlik.

Cienkowarstwowe ogniwa na bazie miedzi, indu, galu i selenku) na elastycznych modułach, które są laminowane na elemencie przegród zewnętrznych lub ogniwa CIGS są montowane bezpośrednio na podłożu przegród zewnętrznych.

Podwójne szklane panele słoneczne z kwadratowymi ogniwami wewnątrz.

Płaskie dachy

Najszerzej stosowanym dotychczas rozwiązaniem jest amorficzne cienkowarstwowe ogniwo słoneczne zintegrowane z elastycznym modułem polimerowym, który jest zabezpieczony folią samoprzylepną pomiędzy tylną folią modułu słonecznego a hydroizolacją dachu. Stosując technologię selenku miedzi, indu i galu (CIGS), amerykańska firma może osiągnąć 17% wydajność ogniw w modułach zintegrowanych z budynkami w jednowarstwowych membranach TPO.

Dachy skośne

Dachówki solarne to dachówki (ceramiczne) ze zintegrowanymi modułami fotowoltaicznymi. Ceramiczna dachówka solarna została opracowana i opatentowana przez holenderską firmę w 2013 roku.

Moduły w kształcie kilku dachówek.

Gonty słoneczne to panele, które wyglądają i działają jak zwykłe gonty, ale zawierają elastyczne ogniwo cienkowarstwowe.

Przedłużają normalną żywotność dachów, chroniąc izolację i membrany przed promieniowaniem UV i uszkodzeniem przez wodę. Zapobiega się również kondensacji, ponieważ punkt rosy utrzymuje się powyżej membrany dachowej.

Metalowe dachy spadziste (zarówno konstrukcyjne, jak i architektoniczne) są obecnie wyposażane w możliwości fotowoltaiczne poprzez przyklejenie wolnostojącego, elastycznego modułu lub poprzez uszczelnienie cieplne i próżniowe ogniw CIGS bezpośrednio do podłoża.

fasada

Elewacje można łączyć z istniejącymi budynkami i nadawać starym budynkom zupełnie nowy wygląd. Moduły te mocuje się do elewacji budynku na istniejącej konstrukcji, co może zwiększyć atrakcyjność budynku i jego wartość przy odsprzedaży.

przeszklenie

Okna fotowoltaiczne to moduły (pół)przezroczyste, które mogą zastąpić szereg elementów architektonicznych wykonanych zwykle ze szkła lub podobnych materiałów, takich jak: B. Okna i świetliki. Nie tylko wytwarzają energię elektryczną, ale mogą zapewnić dalsze oszczędności energii dzięki doskonałym właściwościom termoizolacyjnym i kontroli promieniowania słonecznego.

Okna ze szkła fotowoltaicznego: Integracja technologii wytwarzania energii w budynkach mieszkalnych i komercyjnych otworzyła dodatkowe obszary badań, które kładą większy nacisk na ogólną estetykę produktu końcowego. Chociaż celem pozostaje osiągnięcie wysokiej wydajności, nowe rozwiązania w zakresie okien fotowoltaicznych mają również na celu zapewnienie konsumentom optymalnego poziomu przezroczystości szkła i/lub możliwości wyboru spośród szerokiej gamy kolorów. Można zaprojektować panele słoneczne o różnych kolorach, aby optymalnie pochłaniały określone zakresy długości fal z szerszego spektrum. Kolorowe szkło fotowoltaiczne zostało z powodzeniem opracowane przy użyciu półprzezroczystych, perowskitowych i uczulonych barwnikami ogniw słonecznych.

• Przy użyciu technologii Fabry-Pérot-Etalon opracowano plazmoniczne ogniwa słoneczne, które pochłaniają i odbijają kolorowe światło. Ogniwa te składają się z „dwóch równoległych, odblaskowych folii metalowych i znajdującej się pomiędzy nimi warstwy dielektrycznej”. Obie elektrody wykonane są z Ag, a przestrzeń między nimi wykonana jest z Sb2O3. Zmiana grubości i współczynnika załamania światła wnęki dielektrycznej powoduje zmianę długości fali, która jest najlepiej absorbowana. Dopasowanie koloru szkła z warstwą absorpcyjną do konkretnej części widma, do której najlepiej dopasowana jest grubość ogniwa i współczynnik załamania światła, poprawia estetykę ogniwa poprzez intensyfikację jego barwy i minimalizację strat fotoprądowych. Dla urządzeń ze światłem czerwonym i niebieskim uzyskano transmitancję odpowiednio 34,7% i 24,6%. Niebieskie urządzenia potrafią przekształcić 13,3% pochłoniętego światła w energię elektryczną, co czyni je najbardziej wydajnymi ze wszystkich opracowanych i przetestowanych urządzeń kolorowych.
• Technologię perowskitowych ogniw słonecznych można dostroić do koloru czerwonego, zielonego i niebieskiego, zmieniając grubość metalicznych nanodrutów odpowiednio na 8, 20 i 45 nm. Maksymalną sprawność energetyczną wynoszącą 10,12%, 8,17% i 7,72% uzyskano poprzez dostosowanie współczynnika odbicia szkła do długości fali, dla której najlepiej nadaje się każde ogniwo.
• Barwnikowe ogniwa słoneczne wykorzystują ciekłe elektrolity do wychwytywania światła i przekształcania go w użyteczną energię; zachodzi to w podobny sposób, jak naturalne pigmenty umożliwiają fotosyntezę w roślinach. Chociaż chlorofil jest specyficznym pigmentem odpowiedzialnym za zielony kolor liści, inne naturalnie występujące pigmenty, takie jak karotenoidy i antocyjany, powodują powstawanie odmian pomarańczowych i fioletowych. Naukowcy z Uniwersytetu w Concepcion wykazali żywotność kolorowych ogniw słonecznych uczulonych barwnikiem, które zarówno pojawiają się, jak i selektywnie absorbują określone długości fal światła. To ekonomiczne rozwiązanie wykorzystuje naturalne pigmenty z owoców maqui, czarnego mirtu i szpinaku jako środki uczulające. Te naturalne sensybilizatory są następnie umieszczane pomiędzy dwiema warstwami przezroczystego szkła. Chociaż wydajność tych szczególnie tanich ogniw jest nadal niejasna, wcześniejsze badania w dziedzinie organicznych ogniw barwnikowych pozwoliły osiągnąć „wysoką efektywność konwersji mocy wynoszącą 9,8%”.

Przezroczyste ogniwa słoneczne wykorzystują powłokę tlenku cyny po wewnętrznej stronie tafli szkła, aby przewodzić prąd z ogniwa. Ogniwo zawiera tlenek tytanu pokryty barwnikiem fotoelektrycznym.

Większość konwencjonalnych ogniw słonecznych wykorzystuje światło widzialne i podczerwone do wytwarzania energii elektrycznej. Natomiast nowe, innowacyjne ogniwo słoneczne wykorzystuje również promieniowanie ultrafioletowe. W przypadku zastosowania jako zamiennika tradycyjnego szkła okiennego lub umieszczenia nad szkłem, obszar instalacji może być duży, co może prowadzić do potencjalnych zastosowań wykorzystujących połączone funkcje wytwarzania energii, oświetlenia i kontroli temperatury.

Inna nazwa przezroczystych fotowoltaiki to „fotowoltaika półprzezroczysta” (przepuszczają tylko połowę padającego na nie światła). Podobnie jak fotowoltaika nieorganiczna, fotowoltaika organiczna może być również półprzezroczysta.

Nie selektywny pod względem długości fali

Niektóre systemy fotowoltaiczne nieselektywne pod względem długości fali osiągają półprzezroczystość poprzez przestrzenną segmentację nieprzezroczystych ogniw słonecznych. W tej metodzie wykorzystuje się dowolne nieprzezroczyste ogniwa słoneczne i rozprowadza kilka małych ogniw na przezroczystym podłożu. Podział ten drastycznie zmniejsza efektywność konwersji energii i zwiększa transmisję.

Inna gałąź fotowoltaiki nieselektywnej pod względem długości fali wykorzystuje widocznie absorbujące cienkowarstwowe półprzewodniki o małych grubościach lub wystarczająco dużych przerwach wzbronionych, które umożliwiają przejście światła. W rezultacie powstają półprzezroczyste fotowoltaiki z podobnym bezpośrednim kompromisem między wydajnością a transmisją, jak nieprzezroczyste ogniwa słoneczne podzielone na segmenty przestrzenne.

Inna gałąź fotowoltaiki nieselektywnej pod względem długości fali wykorzystuje widocznie absorbujące cienkowarstwowe półprzewodniki o małych grubościach lub wystarczająco dużych przerwach wzbronionych, które umożliwiają przejście światła. Prowadzi to do półprzezroczystych fotowoltaiki z podobnym bezpośrednim kompromisem między wydajnością a transmisją, jak przestrzennie segmentowane nieprzezroczyste ogniwa słoneczne.

Fotowoltaika selektywna pod względem długości fali

Fotowoltaika selektywna pod względem długości fali osiąga przezroczystość dzięki zastosowaniu materiałów pochłaniających jedynie światło UV i/lub NIR i została wprowadzona po raz pierwszy w 2011 roku. Pomimo wyższej przepuszczalności, efektywność konwersji energii jest niższa ze względu na szereg problemów. Należą do nich małe długości dyfuzji ekscytonów, skalowanie przezroczystych elektrod bez uszczerbku dla wydajności i całkowity czas życia wynikający z niestabilności materiałów organicznych stosowanych ogólnie w TPV.

Innowacje w przezroczystej i półprzezroczystej fotowoltaice

Wczesne próby opracowania półprzezroczystych organicznych fotowoltaiki nieselektywnej pod względem długości fali z bardzo cienkimi warstwami aktywnymi, które pochłaniają widmo widzialne, umożliwiły osiągnięcie wydajności jedynie poniżej 1%. Jednak w 2011 r. Przezroczyste organiczne fotowoltaiki z organicznym donorem ftalocyjaniny chloroglinowy (ClAlPc) i akceptorem fulerenu wykazały absorpcję w widmie ultrafioletowym i bliskiej podczerwieni (NIR) z wydajnością około 1,3% i przepuszczalnością światła widzialnego ponad 65%. W 2017 roku badacze z MIT opracowali metodę skutecznego osadzania przezroczystych elektrod grafenowych na organicznych ogniwach słonecznych, co zapewnia przepuszczalność światła widzialnego na poziomie 61% i poprawę wydajności na poziomie 2,8–4,1%.

Perowskitowe ogniwa słoneczne, które są bardzo popularne jako fotowoltaika nowej generacji o wydajności przekraczającej 25%, również okazały się obiecujące w dziedzinie przezroczystych fotowoltaiki. W 2015 r. Półprzezroczyste perowskitowe ogniwo słoneczne wykorzystujące perowskit z trójjodkiem metyloamoniowo-ołowiowym i górną elektrodę z siatki ze srebrnymi nanodrutami wykazało przepuszczalność 79% przy długości fali 800 nm i sprawność około 12,7%.