GiPV: Energia fotovoltaica integrada em edifícios com módulos solares parcialmente transparentes – energia fotovoltaica integrada em edifícios

Fotovoltaicos integrados em edifícios - GiPV (Building-integrated Photovoltaics - BIPV) são materiais fotovoltaicos que substituem materiais de construção convencionais em partes da envolvente do edifício, como telhado, claraboias ou fachada. Estão a ser cada vez mais integrados na construção de novos edifícios como fonte principal ou secundária de electricidade, embora os edifícios existentes também possam ser adaptados com tecnologia semelhante. A vantagem da energia fotovoltaica integrada sobre os sistemas não integrados habituais é que os custos iniciais podem ser compensados ​​através da redução dos gastos com materiais de construção e mão-de-obra que normalmente seriam necessários para construir a parte do edifício que os módulos BIPV substituem. Além disso, o BIPV permite uma adoção mais ampla de instalações solares quando a estética do edifício é uma preocupação e os painéis solares tradicionais montados em rack perturbariam a aparência pretendida do edifício.

O termo BAPV (fotovoltaica aplicada em edifícios) para energia fotovoltaica integrada em edifícios é por vezes utilizado para se referir a sistemas fotovoltaicos que são posteriormente integrados no edifício. A maioria dos sistemas integrados em edifícios são, na verdade, BAPV. Alguns fabricantes e construtores diferenciam entre BIPV e BAPV para novos edifícios.

As aplicações fotovoltaicas para edifícios surgiram na década de 1970. Painéis fotovoltaicos com moldura de alumínio foram conectados ou montados em edifícios, normalmente localizados em áreas remotas sem acesso a rede elétrica. Na década de 1980, módulos fotovoltaicos começaram a ser instalados em telhados. Estes sistemas fotovoltaicos eram normalmente instalados em edifícios ligados à rede elétrica e localizados em áreas com centrais elétricas centralizadas. Na década de 1990, os produtos de construção BIPV projetados especificamente para serem integrados na envolvente do edifício tornaram-se disponíveis comercialmente. Uma tese de doutoramento de Patrina Eiffert de 1998, intitulada Uma Avaliação Económica do BIPV, levantou a hipótese de que um dia haveria um valor económico para o comércio de créditos de energia renovável (RECs). Uma avaliação económica de 2011 e uma breve revisão da história do BIPV pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA sugere que ainda existem desafios técnicos significativos a serem superados antes que os custos de instalação do BIPV possam competir com os dos sistemas fotovoltaicos. No entanto, existe um consenso crescente de que os sistemas BIPV, através da sua comercialização generalizada, constituirão a espinha dorsal da meta da Europa para o Edifício com Energia Zero (ZEB) até 2020. Apesar das possibilidades técnicas promissoras, também foram identificadas barreiras sociais à utilização generalizada, tais como a cultura conservadora da indústria da construção e a integração no planeamento urbano de alta densidade. Os autores salientam que a utilização a longo prazo dependerá tanto de decisões políticas eficazes como do desenvolvimento técnico.

Os módulos solares parcialmente transparentes oferecem uma oportunidade interessante para integrar a energia fotovoltaica integrada em edifícios (BIPV) na arquitetura e no planejamento urbano. Este novo tipo de geração de energia solar será provavelmente uma parte importante da produção de electricidade em todo o mundo no futuro.

A energia fotovoltaica integrada em edifícios com módulos solares parcialmente transparentes é uma opção atraente para a construção de edifícios energeticamente eficientes. Esta tecnologia pode ajudar a reduzir os custos de fornecimento de energia e, ao mesmo tempo, melhorar o exterior do edifício.

Além disso, módulos solares semitransparentes podem ser usados ​​para direcionar a luz do dia para o interior de um edifício. Isto não só economiza energia, mas também reduz o custo da iluminação artificial.

Em resumo, pode-se dizer que a energia fotovoltaica integrada em edifícios é um tipo de energia renovável muito eficiente e versátil. Tem potencial para melhorar de forma sustentável o fornecimento de energia aos edifícios.

Módulos solares feitos de silício cristalino para usinas de energia montadas no solo e em telhados.

Módulos solares fotovoltaicos de película fina de silício cristalino amorfo, que podem ser ocos, claros, vermelhos, azuis e amarelos, como fachada de vidro e claraboia transparente.

Células de película fina baseadas em CIGS (cobre-índio-gálio-seleneto) em módulos flexíveis que são laminados no elemento da envolvente do edifício, ou as células CIGS são montadas diretamente no substrato da envolvente do edifício.

Painéis solares de vidro duplo com células quadradas no interior.

Telhados planos

A solução mais utilizada até à data é uma célula solar amorfa de película fina integrada num módulo de polímero flexível, que é fixada com uma película adesiva entre a película posterior do módulo solar e a impermeabilização do telhado. Usando a tecnologia de seleneto de cobre, índio e gálio (CIGS), uma empresa dos EUA pode atingir 17% de eficiência celular para módulos integrados em membranas TPO de camada única.

Telhados inclinados

As telhas solares são telhas (cerâmicas) com módulos solares integrados. A telha solar cerâmica foi desenvolvida e patenteada por uma empresa holandesa em 2013.

Módulos em forma de diversas telhas.

As telhas solares são painéis que parecem e funcionam como telhas normais, mas contêm uma célula flexível de película fina.

Eles prolongam a vida útil normal dos telhados, protegendo o isolamento e as membranas da radiação UV e dos danos causados ​​pela água. A condensação também é evitada porque o ponto de orvalho é mantido acima da membrana do telhado.

Os telhados inclinados metálicos (tanto estruturais como arquitetónicos) estão agora a ser equipados com capacidades fotovoltaicas, quer através da ligação de um módulo flexível independente, quer através da vedação por calor e vácuo das células CIGS diretamente ao substrato.

fachada

As fachadas podem ser anexadas a edifícios existentes e dar aos edifícios antigos uma aparência completamente nova. Estes módulos são fixados na fachada do edifício sobre a estrutura existente, o que pode aumentar o apelo do edifício e o seu valor de revenda.

vidros

As janelas fotovoltaicas são módulos (semi)transparentes que podem substituir uma série de elementos arquitetônicos geralmente feitos de vidro ou materiais semelhantes, tais como: B. Janelas e claraboias. Não só geram energia elétrica, mas também podem proporcionar maior economia de energia devido às suas excelentes propriedades de isolamento térmico e controle da radiação solar.

Janelas de vidro fotovoltaicas: A integração de tecnologias de geração de energia em edifícios residenciais e comerciais abriu áreas adicionais de pesquisa que dão maior consideração à estética geral do produto final. Embora o objetivo continue a ser alcançar uma elevada eficiência, os novos desenvolvimentos em janelas fotovoltaicas também visam proporcionar aos consumidores um nível ideal de transparência do vidro e/ou a capacidade de escolher entre uma gama de cores. Painéis solares de cores diferentes podem ser projetados para absorver de maneira ideal certas faixas de comprimento de onda do espectro mais amplo. O vidro fotovoltaico colorido foi desenvolvido com sucesso usando células solares semitransparentes, perovskita e sensibilizadas por corante.

• As células solares plasmônicas, que absorvem e refletem a luz colorida, foram desenvolvidas com a tecnologia Fabry-Pérot-Etalon. Essas células consistem em “dois filmes metálicos reflexivos paralelos e um filme de cavidade dielétrica entre eles”. Os dois eletrodos são feitos de Ag e a cavidade entre eles é feita de Sb2O3. Alterar a espessura e o índice de refração da cavidade dielétrica altera o comprimento de onda que é melhor absorvido. Combinar a cor do vidro da camada de absorção com a parte específica do espectro com a qual a espessura e o índice de refração da célula melhor correspondem melhora a estética da célula, intensificando sua cor e minimizando as perdas de fotocorrente. Para os dispositivos de luz vermelha e azul, foi alcançada uma transmitância de 34,7% e 24,6%, respectivamente. Os dispositivos azuis podem converter 13,3% da luz absorvida em eletricidade, tornando-os os mais eficientes de todos os dispositivos coloridos desenvolvidos e testados.
• A tecnologia de células solares de perovskita pode ser ajustada para vermelho, verde e azul alterando a espessura dos nanofios metálicos para 8, 20 e 45 nm, respectivamente. Eficiências energéticas máximas de 10,12%, 8,17% e 7,72% foram alcançadas ajustando a refletância do vidro ao comprimento de onda para o qual cada célula é mais adequada.
• As células solares corantes usam eletrólitos líquidos para capturar luz e convertê-la em energia utilizável; isso ocorre de maneira semelhante à forma como os pigmentos naturais permitem a fotossíntese nas plantas. Embora a clorofila seja o pigmento específico responsável pela cor verde das folhas, outros pigmentos naturais, como carotenóides e antocianinas, produzem variações das cores laranja e roxa. Pesquisadores da Universidade de Concepción demonstraram a viabilidade de células solares coloridas sensibilizadas por corantes que aparecem e absorvem seletivamente certos comprimentos de onda de luz. Esta solução econômica utiliza pigmentos naturais da fruta maqui, murta preta e espinafre como sensibilizadores. Esses sensibilizadores naturais são então colocados entre duas camadas de vidro transparente. Embora a eficiência dessas células particularmente de baixo custo ainda não esteja clara, pesquisas anteriores na área de células com corantes orgânicos conseguiram alcançar uma “alta eficiência de conversão de energia de 9,8%”.

As células solares transparentes usam um revestimento de óxido de estanho no interior dos painéis de vidro para conduzir eletricidade para fora da célula. A célula contém óxido de titânio revestido com um corante fotoelétrico.

A maioria das células solares convencionais usa luz visível e infravermelha para gerar eletricidade. Em contraste, a nova célula solar inovadora também utiliza radiação ultravioleta. Quando usado como substituto do vidro de janela tradicional ou colocado sobre o vidro, a área de instalação pode ser grande, levando a aplicações potenciais que utilizam as funções combinadas de geração de energia, iluminação e controle de temperatura.

Outro nome para energia fotovoltaica transparente é “fotovoltaica translúcida” (elas permitem a passagem apenas de metade da luz que incide sobre eles). Semelhante à energia fotovoltaica inorgânica, a energia fotovoltaica orgânica também pode ser translúcida.

Não seletivo para comprimento de onda

Alguns sistemas fotovoltaicos não seletivos de comprimento de onda alcançam semitransparência por meio da segmentação espacial de células solares opacas. Este método usa células solares opacas e distribui várias células pequenas em um substrato transparente. Esta divisão reduz drasticamente a eficiência da conversão de energia e aumenta a transmissão.

Outro ramo da energia fotovoltaica não seletiva para comprimento de onda utiliza semicondutores de película fina de absorção visível com espessuras pequenas ou intervalos de banda grandes o suficiente para permitir a passagem da luz. Isso resulta em energia fotovoltaica semitransparente com um compromisso direto semelhante entre eficiência e transmissão como células solares opacas segmentadas espacialmente.

Outro ramo da energia fotovoltaica não seletiva para comprimento de onda usa semicondutores de película fina de absorção visível com espessuras pequenas ou intervalos de banda suficientemente grandes que permitem a passagem da luz. Isso leva a energia fotovoltaica semitransparente com um compromisso direto semelhante entre eficiência e transmissão como células solares opacas segmentadas espacialmente.

Fotovoltaica seletiva de comprimento de onda

A energia fotovoltaica seletiva de comprimento de onda alcança transparência através do uso de materiais que absorvem apenas luz UV e/ou NIR e foi introduzida pela primeira vez em 2011. Apesar da maior permeabilidade, a eficiência de conversão de energia é menor devido a uma série de problemas. Estes incluem pequenos comprimentos de difusão de excitons, escamação de eletrodos transparentes sem comprometer a eficiência e vida útil geral devido à instabilidade dos materiais orgânicos usados ​​em TPVs em geral.

Inovações em energia fotovoltaica transparente e translúcida

As primeiras tentativas de desenvolver energia fotovoltaica orgânica semitransparente, não seletiva para comprimento de onda, com camadas ativas muito finas que absorvem o espectro visível, só conseguiram atingir eficiências inferiores a 1%. No entanto, em 2011, fotovoltaicos orgânicos transparentes com um doador orgânico de ftalocianina de cloroalumínio (ClAlPc) e um aceitador de fulereno mostraram absorção no espectro ultravioleta e infravermelho próximo (NIR) com eficiências em torno de 1,3% e transmitância de luz visível superior a 65%. Em 2017, pesquisadores do MIT desenvolveram um método para depositar com sucesso eletrodos de grafeno transparentes em células solares orgânicas, resultando em 61% de transmitância de luz visível e eficiências aprimoradas de 2,8-4,1%.

As células solares de perovskita, que são muito populares como energia fotovoltaica de próxima geração com eficiências superiores a 25%, também se mostraram promissoras para energia fotovoltaica transparente. Em 2015, uma célula solar de perovskita semitransparente usando uma perovskita de triiodeto de chumbo de metilamônio e um eletrodo superior de grade de nanofios de prata demonstrou uma transmitância de 79% em um comprimento de onda de 800 nm e uma eficiência de cerca de 12,7%.