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

A fotovoltaica integrada em edifícios (BIPV, na sigla em inglês) refere-se a materiais fotovoltaicos que substituem materiais de construção convencionais em partes do envelope de um edifício, como telhados, claraboias ou fachadas. Sua integração em novas construções como fonte de energia primária ou secundária tem aumentado, e edifícios existentes também podem ser adaptados com tecnologia similar. A vantagem da fotovoltaica integrada em relação aos sistemas convencionais não integrados é que os custos iniciais podem ser compensados ​​pela 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, a BIPV possibilita uma maior aceitação de instalações solares quando a estética do edifício é uma consideração importante e os painéis solares convencionais, montados em estruturas fixas, prejudicariam a aparência desejada.

O termo BAPV (fotovoltaica aplicada a edifícios) é por vezes usado para se referir a sistemas fotovoltaicos instalados em edifícios já existentes. A maioria dos sistemas integrados a edifícios são, de facto, BAPV. Alguns fabricantes e promotores imobiliários distinguem entre BIPV e BAPV em novas construções.

As aplicações de sistemas fotovoltaicos integrados a edifícios (BIPV) surgiram na década de 1970. Módulos fotovoltaicos com estrutura de alumínio eram fixados ou instalados em edifícios, geralmente localizados em áreas remotas sem acesso à rede elétrica. Na década de 1980, começaram a ser instalados sistemas fotovoltaicos em telhados. Esses sistemas eram geralmente instalados em edifícios conectados à rede elétrica e localizados em áreas com usinas de energia centralizadas. Na década de 1990, produtos BIPV especificamente projetados para integração ao envelope do edifício tornaram-se comercialmente disponíveis. Uma tese de doutorado de 1998 de Patrina Eiffert, intitulada "Uma Avaliação Econômica do BIPV", levantou a hipótese de que um dia haveria valor econômico na comercialização de créditos de energia renovável (RECs). Uma avaliação econômica e um breve histórico do BIPV, realizados pelo Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA em 2011, sugerem que ainda existem desafios técnicos significativos a serem superados antes que os custos de instalação do BIPV possam competir com os dos sistemas fotovoltaicos convencionais. No entanto, existe um consenso crescente de que os sistemas BIPV, através da comercialização em larga escala, constituirão a espinha dorsal da meta europeia de Edifícios de Energia Zero (ZEB) até 2020. Apesar das possibilidades técnicas promissoras, também foram identificadas barreiras sociais à sua adoção generalizada, como a cultura conservadora da indústria da construção e a integração no planeamento urbano de alta densidade. Os autores salientam que a adoção a longo prazo dependerá provavelmente tanto de decisões políticas eficazes como do desenvolvimento tecnológico.

Os módulos solares semitransparentes oferecem uma forma interessante de integrar a energia fotovoltaica em edifícios (BIPV) na arquitetura e no planejamento urbano. É muito provável que esse novo tipo de geração de energia solar se torne um componente importante da produção global de eletricidade 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, painéis solares semitransparentes podem ser usados ​​para direcionar a luz natural para o interior de um edifício. Isso não só economiza energia, como também reduz o custo da iluminação artificial.

Em resumo, a energia fotovoltaica integrada em edifícios (BIPV) é uma forma de energia renovável altamente eficiente e versátil. Ela tem o potencial de melhorar de forma sustentável o fornecimento de energia para edifícios.

Módulos solares fabricados com silício cristalino para usinas de energia instaladas no solo e em telhados.

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

Células de película fina à base de CIGS (seleneto de cobre, índio e gálio) em módulos flexíveis que são laminados no elemento do envelope do edifício, ou as células CIGS são montadas diretamente no substrato do envelope do edifício.

Módulos solares com vidro duplo e células quadradas no interior.

Telhados planos

A solução mais difundida até o momento é uma célula solar de película fina amorfa integrada a um módulo de polímero flexível, que é fixado com uma película adesiva entre a folha traseira do módulo solar e a membrana do telhado. Utilizando a tecnologia de seleneto de cobre, índio e gálio (CIGS), uma empresa americana alcançou uma eficiência de célula de 17% para módulos integrados a edifícios em membranas TPO de camada única.

Telhados inclinados

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

Módulos com formato semelhante a várias telhas.

Telhas solares são módulos que se parecem e funcionam como telhas normais, mas contêm uma célula flexível de película fina.

Elas prolongam a vida útil normal dos telhados, protegendo o isolamento e as membranas da radiação UV e dos danos causados ​​pela água. Também previnem a condensação, mantendo o ponto de orvalho acima da membrana do telhado.

Telhados metálicos inclinados (tanto estruturais quanto arquitetônicos) estão sendo equipados com funções fotovoltaicas, seja pela fixação de um módulo flexível independente ou pela selagem a vácuo e por calor das células CIGS diretamente no substrato.

fachada

As fachadas podem ser anexadas a edifícios existentes, conferindo-lhes uma aparência completamente nova. Esses módulos são montados na fachada do edifício sobre a estrutura existente, o que pode aumentar o seu atrativo e o seu valor de revenda.

envidraçamento

As janelas fotovoltaicas são módulos (semi)transparentes que podem substituir diversos elementos arquitetônicos geralmente feitos de vidro ou materiais similares, como janelas e claraboias. Elas não apenas geram energia elétrica, mas também podem proporcionar economia de energia adicional devido às suas excelentes propriedades de isolamento térmico e capacidade de controlar a radiação solar.

Janelas de vidro fotovoltaico: A integração de tecnologias de geração de energia em edifícios residenciais e comerciais abriu novas áreas de pesquisa que enfatizam a estética do produto final. Embora o objetivo continue sendo alcançar alta eficiência, os novos desenvolvimentos em janelas fotovoltaicas também visam oferecer aos consumidores um nível ideal de transparência do vidro e/ou a opção de escolher entre uma gama de cores. Painéis solares de cores diferentes podem ser projetados para absorver de forma otimizada faixas específicas de comprimento de onda do espectro eletromagnético. Vidros fotovoltaicos coloridos já foram desenvolvidos com sucesso utilizando células solares semitransparentes, de perovskita e sensibilizadas por corantes.

• Células solares plasmônicas que absorvem e refletem luz colorida foram desenvolvidas utilizando a tecnologia Fabry-Pérot-Etalon. Essas células consistem em duas películas metálicas refletoras paralelas e uma película dielétrica entre elas. Os dois eletrodos são feitos de prata (Ag) e a cavidade entre eles é feita de Sb₂O₃. Ao alterar a espessura e o índice de refração da cavidade dielétrica, modifica-se o comprimento de onda que é melhor absorvido. A correspondência da cor do vidro da camada de absorção com a parte específica do espectro para a qual a espessura e o índice de refração da célula são mais adequados melhora a estética da célula, intensificando sua cor, e minimiza as perdas de fotocorrente. Dispositivos de luz vermelha e azul alcançaram transmitâncias 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 comprimentos de onda vermelhos, verdes e azuis, alterando-se a espessura dos nanofios metálicos para 8, 20 e 45 nm, respectivamente. Eficiências de potência máximas de 10,12%, 8,17% e 7,72% foram alcançadas ajustando-se a refletância do vidro para o comprimento de onda para o qual a respectiva célula é mais adequada.
• As células solares sensibilizadas por corantes utilizam eletrólitos líquidos para capturar a luz e convertê-la em energia utilizável, de forma semelhante à maneira como os pigmentos naturais possibilitam a fotossíntese nas plantas. Enquanto a clorofila é o pigmento específico responsável pela cor verde das folhas, outros pigmentos naturais, como carotenoides e antocianinas, produzem variações de tons laranja e roxo. Pesquisadores da Universidade de Concepción demonstraram a viabilidade de células solares coloridas sensibilizadas por corantes que apresentam cores vibrantes e absorvem seletivamente comprimentos de onda específicos da luz. Essa solução de baixo custo utiliza pigmentos naturais derivados do fruto do maqui, da murta-preta e do espinafre como sensibilizadores. Esses sensibilizadores naturais são então intercalados entre duas camadas de vidro transparente. Embora a eficiência dessas células particularmente baratas ainda não esteja clara, pesquisas anteriores com células solares orgânicas sensibilizadas por corantes alcançaram uma "alta eficiência de conversão de energia de 9,8%".

As células solares transparentes utilizam um revestimento de óxido de estanho na parte interna dos painéis de vidro para conduzir a eletricidade da célula. A célula contém óxido de titânio revestido com um corante fotoelétrico.

A maioria das células solares convencionais utiliza luz visível e infravermelha para gerar eletricidade. Em contraste, esta nova e inovadora célula solar também utiliza radiação ultravioleta. Se usada como substituta do vidro convencional de janelas ou instalada sobre o vidro existente, a área de instalação pode ser ampla, possibilitando aplicações que combinam geração de energia, iluminação e controle de temperatura.

Outro termo para células fotovoltaicas transparentes é "células fotovoltaicas translúcidas" (elas permitem a passagem de apenas metade da luz incidente). Assim como as células fotovoltaicas inorgânicas, as células fotovoltaicas orgânicas também podem ser translúcidas.

Não seletivo em comprimento de onda

Alguns sistemas fotovoltaicos não seletivos em relação ao comprimento de onda alcançam semitransparência por meio da segmentação espacial de células solares opacas. Esse método utiliza qualquer tipo de célula solar opaca e distribui várias células pequenas sobre um substrato transparente. Essa segmentação reduz drasticamente a eficiência de conversão de energia e aumenta a transmissão.

Outra vertente da fotovoltaica não seletiva em comprimento de onda utiliza semicondutores de película fina com absorção visível, de pequena espessura ou com gaps de banda suficientemente grandes para permitir a passagem da luz. Isso resulta em células fotovoltaicas semitransparentes com uma relação inversa direta semelhante entre eficiência e transmissão, como ocorre com as células solares opacas espacialmente segmentadas.

Outra vertente da fotovoltaica não seletiva em termos de comprimento de onda utiliza semicondutores de película fina com absorção visível, baixa espessura ou com gaps de banda suficientemente grandes para permitir a passagem da luz. Isso resulta em células fotovoltaicas semitransparentes com uma relação inversa direta semelhante entre eficiência e transmissão, como ocorre com as células solares opacas espacialmente segmentadas.

Fotovoltaica seletiva em comprimento de onda

A tecnologia fotovoltaica seletiva por comprimento de onda (WSPV, na sigla em inglês) alcança transparência através do uso de materiais que absorvem apenas luz ultravioleta (UV) e/ou infravermelha próxima (NIR, na sigla em inglês) e foi introduzida pela primeira vez em 2011. Apesar da maior transmitância, a eficiência de conversão de energia é menor devido a uma série de problemas. Entre eles, destacam-se os curtos comprimentos de difusão de excítons, a dificuldade de miniaturização dos eletrodos transparentes sem comprometer a eficiência e a vida útil geral, resultante da instabilidade inerente dos materiais orgânicos utilizados em WSPVs.

Inovações em células fotovoltaicas transparentes e translúcidas

As primeiras tentativas de desenvolver células fotovoltaicas orgânicas semitransparentes não seletivas em relação ao comprimento de onda, com camadas ativas muito finas que absorvem no espectro visível, alcançaram eficiências inferiores a 1%. No entanto, em 2011, células fotovoltaicas orgânicas transparentes, utilizando um doador de ftalocianina de cloroalumínio orgânico (ClAlPc) e um aceptor de fulereno, demonstraram 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, muito populares como células fotovoltaicas de próxima geração com eficiências superiores a 25%, também se mostraram promissoras para células fotovoltaicas transparentes. Em 2015, uma célula solar de perovskita semitransparente com perovskita de triiodeto de chumbo e metilamônio e um eletrodo superior de grade de nanofios de prata demonstrou uma transmissão de 79% em um comprimento de onda de 800 nm e uma eficiência de aproximadamente 12,7%.