GiPV: Zintegrowana z budynkiem fotowoltaika z półprzezroczystymi modułami słonecznymi

Fotowoltaika zintegrowana z budynkiem (BIPV) to materiały fotowoltaiczne, które zastępują konwencjonalne materiały budowlane w elementach obudowy budynku, takich jak dach, świetliki czy elewacja. Coraz częściej integruje się je w nowych budynkach jako podstawowe lub dodatkowe źródło zasilania, a istniejące budynki można również modernizować przy użyciu podobnej technologii. Zaletą zintegrowanej fotowoltaiki w porównaniu z konwencjonalnymi systemami niezintegrowanymi jest to, że początkowe koszty można zrekompensować poprzez zmniejszenie nakładów na materiały budowlane i robociznę, które normalnie byłyby wymagane do budowy części budynku zastępowanej przez moduły BIPV. Ponadto BIPV umożliwia szersze wykorzystanie instalacji fotowoltaicznych, gdy estetyka budynku jest istotna, a konwencjonalne, montowane w szafach panele słoneczne mogłyby odbiegać od zamierzonego wyglądu.

Termin BAPV (fotowoltaika stosowana w budynkach) jest czasami używany w odniesieniu do systemów fotowoltaicznych, które są modernizowane w budynkach. Większość systemów zintegrowanych z budynkami to właśnie BAPV. Niektórzy producenci i deweloperzy rozróżniają BIPV i BAPV w nowym budownictwie.

Zastosowania fotowoltaiki zintegrowanej z budynkami (BIPV) pojawiły się w latach 70. XX wieku. Moduły fotowoltaiczne w aluminiowych ramach były mocowane lub montowane na budynkach, zazwyczaj zlokalizowanych w odległych obszarach bez dostępu do sieci energetycznej. W latach 80. XX wieku zaczęto instalować dachowe systemy fotowoltaiczne. Systemy te były zazwyczaj instalowane na budynkach podłączonych do sieci energetycznej i zlokalizowanych na obszarach z centralnymi elektrowniami. W latach 90. XX wieku na rynku pojawiły się produkty BIPV zaprojektowane specjalnie do integracji z przegrodami zewnętrznymi budynków. W rozprawie doktorskiej Patriny Eiffert z 1998 roku zatytułowanej „Ocena ekonomiczna BIPV” postawiono hipotezę, że w przyszłości handel uprawnieniami do energii odnawialnej (REC) będzie miał wartość ekonomiczną. Ocena ekonomiczna i krótka historia BIPV, przeprowadzone przez amerykańskie Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej w 2011 roku, sugerują, że zanim koszty instalacji BIPV będą mogły konkurować z kosztami systemów fotowoltaicznych, konieczne będą znaczne wyzwania techniczne. Coraz powszechniejsza jest jednak opinia, że ​​systemy BIPV, dzięki powszechnej komercjalizacji, staną się podstawą europejskiego celu w zakresie budynków zeroenergetycznych (ZEB) do 2020 roku. Pomimo obiecujących możliwości technicznych, zidentyfikowano również bariery społeczne utrudniające powszechne wdrożenie, takie jak konserwatywna kultura branży budowlanej i integracja z planowaniem urbanistycznym o dużej gęstości zabudowy. Autorzy wskazują, że długofalowe wdrożenie prawdopodobnie będzie zależało w równym stopniu od skutecznych decyzji politycznych, co od rozwoju technologicznego.

Półprzezroczyste moduły słoneczne oferują interesujący sposób na integrację fotowoltaiki zintegrowanej z budynkami (BIPV) z architekturą i planowaniem urbanistycznym. Ten nowatorski sposób wytwarzania energii słonecznej z dużym prawdopodobieństwem stanie się w przyszłości ważnym elementem globalnej produkcji energii elektrycznej.

Zintegrowane z budynkiem systemy fotowoltaiczne z półprzezroczystymi modułami słonecznymi to atrakcyjne rozwiązanie w zakresie budowy energooszczędnych budynków. Technologia ta może pomóc obniżyć koszty energii, jednocześnie poprawiając wygląd elewacji budynku.

Co więcej, półprzezroczyste panele słoneczne mogą być używane do kierowania światła dziennego do wnętrza budynku. To nie tylko oszczędza energię, ale także obniża koszty sztucznego oświetlenia.

Podsumowując, fotowoltaika zintegrowana z budynkami (BIPV) to wysoce wydajna i wszechstronna forma energii odnawialnej. Ma ona potencjał do zrównoważonej poprawy zaopatrzenia budynków w energię.

Moduły słoneczne z krzemu krystalicznego przeznaczone do elektrowni naziemnych i dachowych.

Amorficzne, cienkowarstwowe moduły fotowoltaiczne z krystalicznego krzemu, które mogą być puste, lekkie, czerwone, niebieskie i żółte, stosowane jako fasady szklane i przezroczyste świetliki.

Ogniwa cienkowarstwowe na bazie CIGS (miedzi, indu, galu i selenku) na elastycznych modułach, które są laminowane na elemencie obudowy budynku, lub ogniwa CIGS są montowane bezpośrednio na podłożu obudowy budynku.

Podwójnie przeszklone moduły słoneczne z kwadratowymi ogniwami wewnątrz.

dachy płaskie

Najbardziej rozpowszechnionym jak dotąd rozwiązaniem jest amorficzne, cienkowarstwowe ogniwo słoneczne zintegrowane z elastycznym modułem polimerowym, który jest mocowany za pomocą warstwy klejącej między tylną warstwą modułu a membraną dachową. Wykorzystując technologię miedziowo-indowo-galowo-selenkową (CIGS), amerykańska firma osiągnęła sprawność ogniwa na poziomie 17% w modułach zintegrowanych z budynkami w jednowarstwowych membranach TPO.

Dachy spadziste

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

Moduły w kształcie kilku dachówek.

Gonty słoneczne to moduły, które wyglądają i działają jak zwykłe gonty, ale zawierają elastyczną, cienkowarstwową komórkę.

Wydłużają normalną żywotność dachów, chroniąc izolację i membrany przed promieniowaniem UV i uszkodzeniami spowodowanymi przez wodę. Zapobiegają również kondensacji, utrzymując punkt rosy nad membraną dachową.

Metalowe dachy spadziste (zarówno konstrukcyjne, jak i architektoniczne) są obecnie wyposażane w funkcje fotowoltaiczne, albo poprzez przyłączenie wolnostojącego elastycznego modułu, albo poprzez termiczne i próżniowe uszczelnienie ogniw CIGS bezpośrednio do podłoża.

fasada

Fasady można montować do istniejących budynków, nadając im zupełnie nowy wygląd. Moduły te montuje się na elewacji budynku, na istniejącej konstrukcji, co może zwiększyć atrakcyjność budynku i jego wartość odsprzedaży.

szklenie

Okna fotowoltaiczne to (pół)przezroczyste moduły, które mogą zastąpić szereg elementów architektonicznych, zazwyczaj wykonanych ze szkła lub podobnych materiałów, takich jak okna i świetliki. Nie tylko generują energię elektryczną, ale także pozwalają na dalsze oszczędności energii dzięki doskonałym właściwościom termoizolacyjnym i możliwości kontrolowania promieniowania słonecznego.

Okna fotowoltaiczne: Integracja technologii wytwarzania energii w budynkach mieszkalnych i komercyjnych otworzyła nowe obszary badań, które kładą większy nacisk na ogólną estetykę produktu końcowego. Choć celem pozostaje osiągnięcie wysokiej wydajności, nowe rozwiązania w zakresie okien fotowoltaicznych mają również na celu zaoferowanie konsumentom optymalnego poziomu przezroczystości szkła i/lub możliwości wyboru spośród szerokiej gamy kolorów. Panele słoneczne o różnych kolorach mogą być zaprojektowane tak, aby optymalnie absorbować określone zakresy długości fal z szerszego spektrum. Kolorowe szkło fotowoltaiczne zostało z powodzeniem opracowane z wykorzystaniem półprzezroczystych, perowskitowych i barwnikowych ogniw słonecznych.

• Plazmoniczne ogniwa słoneczne, które pochłaniają i odbijają światło kolorowe, zostały opracowane w technologii Fabry'ego-Pérota-Etalona. Ogniwa te składają się z dwóch równoległych, odblaskowych warstw metalowych i umieszczonej między nimi wnęki dielektrycznej. Dwie elektrody wykonane są ze srebra (Ag), a wnęka dielektryczna między nimi z Sb₂O₃. Zmieniając grubość i współczynnik załamania światła wnęki dielektrycznej, zmienia się długość fali, która jest najlepiej absorbowana. Dopasowanie koloru szkła warstwy absorpcyjnej do konkretnej części widma, dla której grubość i współczynnik załamania światła ogniwa są najlepiej dostosowane, poprawia zarówno estetykę ogniwa, wzmacniając jego kolor, jak i minimalizując straty fotoprądu. Urządzenia emitujące światło czerwone i niebieskie osiągnęły transmitancję odpowiednio 34,7% i 24,6%. Urządzenia emitujące światło niebieskie mogą przekształcić 13,3% pochłoniętego światła w energię elektryczną, co czyni je najbardziej wydajnymi spośród wszystkich opracowanych i przetestowanych urządzeń kolorowych.
• Technologia ogniw słonecznych z perowskitu może być dostrojona do długości fal światła czerwonego, zielonego i niebieskiego poprzez zmianę grubości metalicznych nanodrutów odpowiednio do 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 dane ogniwo jest najlepiej dostosowane.
• Barwnikowe ogniwa słoneczne wykorzystują ciekłe elektrolity do wychwytywania światła i przekształcania go w użyteczną energię, podobnie jak naturalne pigmenty umożliwiają fotosyntezę u roślin. Chociaż chlorofil jest specyficznym pigmentem odpowiedzialnym za zielony kolor liści, inne naturalnie występujące pigmenty, takie jak karotenoidy i antocyjany, nadają im odcienie pomarańczu i fioletu. Naukowcy z Uniwersytetu Concepción wykazali żywotność barwnikowych, kolorowych ogniw słonecznych, które zarówno wydają się żywe, jak i selektywnie absorbują określone długości fal światła. To niedrogie rozwiązanie wykorzystuje naturalne pigmenty pochodzące z owoców maqui, czarnego mirtu i szpinaku jako sensybilizatory. Te naturalne sensybilizatory są następnie umieszczane pomiędzy dwiema warstwami przezroczystego szkła. Chociaż wydajność tych wyjątkowo tanich ogniw pozostaje niejasna, wcześniejsze badania nad organicznymi barwnikowymi ogniwami słonecznymi wykazały „wysoką sprawność konwersji energii na poziomie 9,8%”.

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

Większość konwencjonalnych ogniw słonecznych wykorzystuje światło widzialne i podczerwone do wytwarzania energii elektrycznej. Natomiast to innowacyjne ogniwo słoneczne wykorzystuje również promieniowanie ultrafioletowe. W przypadku zastosowania jako zamiennika tradycyjnego szkła okiennego lub umieszczenia na istniejącym szkle, powierzchnia montażowa może być duża, co otwiera możliwości zastosowań łączących wytwarzanie energii, oświetlenie i regulację temperatury.

Innym określeniem transparentnych ogniw fotowoltaicznych jest „fotowoltaika półprzezroczysta” (przepuszcza tylko połowę padającego światła). Podobnie jak ogniwa nieorganiczne, ogniwa fotowoltaiczne organiczne również mogą być półprzezroczyste.

Nieselektywny pod względem długości fali

Niektóre systemy fotowoltaiczne nieselektywne pod względem długości fali osiągają półprzezroczystość poprzez przestrzenną segmentację nieprzezroczystych ogniw słonecznych. Metoda ta wykorzystuje dowolny typ nieprzezroczystego ogniwa słonecznego i rozmieszcza kilka małych ogniw na przezroczystym podłożu. Taka segmentacja drastycznie obniża wydajność konwersji energii i zwiększa transmisję.

Inna gałąź fotowoltaiki nieselektywnej pod względem długości fali wykorzystuje cienkowarstwowe półprzewodniki absorbujące światło widzialne o małej grubości lub wystarczająco dużych przerwach pasmowych, które umożliwiają przenikanie światła. W rezultacie powstają półprzezroczyste ogniwa fotowoltaiczne, charakteryzujące się podobnym bezpośrednim kompromisem między wydajnością a transmisją, jak w przypadku nieprzezroczystych ogniw słonecznych segmentowanych przestrzennie.

Inna gałąź fotowoltaiki nieselektywnej pod względem długości fali wykorzystuje cienkowarstwowe półprzewodniki absorbujące światło widzialne o małej grubości lub wystarczająco dużych przerwach pasmowych, które umożliwiają przenikanie światła. W rezultacie powstają półprzezroczyste ogniwa fotowoltaiczne, charakteryzujące się podobnym bezpośrednim kompromisem między wydajnością a transmisją, jak w przypadku nieprzezroczystych ogniw słonecznych segmentowanych przestrzennie.

Fotowoltaika selektywna pod względem długości fali

Selektywne pod względem długości fali ogniwa fotowoltaiczne (WSPV) osiągają przezroczystość dzięki zastosowaniu materiałów absorbujących wyłącznie promieniowanie UV i/lub bliskiej podczerwieni. Zostały wprowadzone po raz pierwszy w 2011 roku. Pomimo wyższej transmitancji, wydajność konwersji energii jest niższa z powodu szeregu problemów. Należą do nich krótkie drogi dyfuzji ekscytonów, skalowanie przezroczystych elektrod bez pogorszenia wydajności oraz skrócenie żywotności wynikające z wrodzonej niestabilności materiałów organicznych stosowanych w ogniwach WSPV.

Innowacje w fotowoltaice transparentnej i półprzezroczystej

Wczesne próby opracowania nieselektywnych pod względem długości fali, półprzezroczystych organicznych ogniw fotowoltaicznych z bardzo cienkimi warstwami aktywnymi absorbującymi światło widzialne osiągały sprawność poniżej 1%. Jednak w 2011 roku transparentne organiczne ogniwa fotowoltaiczne wykorzystujące organiczny donor ftalocyjaniny chloroglinowej (ClAlPc) i akceptor fulerenów wykazały absorpcję w zakresie ultrafioletu i bliskiej podczerwieni (NIR) ze sprawnością około 1,3% i przepuszczalnością światła widzialnego przekraczającą 65%. W 2017 roku naukowcy z MIT opracowali metodę skutecznego osadzania przezroczystych elektrod grafenowych na organicznych ogniwach słonecznych, co pozwoliło na osiągnięcie przepuszczalności światła widzialnego na poziomie 61% i poprawę sprawności o 2,8–4,1%.

Ogniwa fotowoltaiczne z perowskitu, cieszące się dużą popularnością jako ogniwa fotowoltaiczne nowej generacji o sprawności przekraczającej 25%, okazały się również obiecujące w przypadku transparentnych ogniw fotowoltaicznych. W 2015 roku półprzezroczyste ogniwo fotowoltaiczne z perowskitem trójjodku ołowiu metyloamoniowego i górną elektrodą z siatki z nanodrutów srebrnych wykazało transmisję na poziomie 79% przy długości fali 800 nm i sprawność około 12,7%.