GiPV: Sisteme fotovoltaice integrate în clădiri cu module solare semitransparente

Fotovoltaica integrată în clădiri (BIPV) se referă la materialele fotovoltaice care înlocuiesc materialele de construcție convenționale în anumite părți ale anvelopei clădirii, cum ar fi acoperișul, luminatoarele sau fațada. Aceasta este din ce în ce mai integrată în clădirile noi ca sursă de energie primară sau secundară, iar clădirile existente pot fi, de asemenea, modernizate cu o tehnologie similară. Avantajul fotovoltaicelor integrate față de sistemele convenționale neintegrate este că, în mod normal, costurile inițiale pot fi compensate prin reducerea cheltuielilor cu materialele de construcție și forța de muncă, care ar fi necesare pentru a construi partea clădirii pe care o înlocuiesc modulele BIPV. În plus, BIPV permite o acceptare mai largă a instalațiilor solare atunci când estetica clădirii este o considerație, iar panourile solare convenționale, montate pe rack, ar afecta aspectul dorit.

Termenul BAPV (fotovoltaică aplicată clădirilor) este uneori folosit pentru a se referi la sistemele fotovoltaice care sunt modernizate într-o clădire. Majoritatea sistemelor integrate în clădiri sunt într-adevăr BAPV. Unii producători și dezvoltatori fac diferența între BIPV și BAPV în construcțiile noi.

Aplicațiile fotovoltaice integrate în clădiri (BIPV) au apărut în anii 1970. Modulele fotovoltaice cu cadru de aluminiu erau atașate sau montate pe clădiri, de obicei situate în zone îndepărtate, fără acces la rețeaua electrică. În anii 1980, au început să fie instalate sisteme fotovoltaice pe acoperișuri. Aceste sisteme fotovoltaice erau în general instalate pe clădiri conectate la rețeaua electrică și situate în zone cu centrale electrice centralizate. În anii 1990, produsele BIPV special concepute pentru integrarea în anvelopa clădirii au devenit disponibile comercial. O disertație doctorală din 1998, realizată de Patrina Eiffert, intitulată „O evaluare economică a BIPV”, a emis ipoteza că într-o zi va exista o valoare economică în tranzacționarea creditelor de energie regenerabilă (REC). O evaluare economică și un scurt istoric al BIPV realizat de Laboratorul Național pentru Energie Regenerabilă din SUA în 2011 sugerează că rămân provocări tehnice semnificative înainte ca costurile de instalare a BIPV să poată concura cu cele ale sistemelor fotovoltaice. Cu toate acestea, există un consens tot mai mare conform căruia sistemele BIPV, prin comercializarea pe scară largă, vor forma coloana vertebrală a obiectivului european de construire a clădirilor cu consum zero de energie (ZEB) până în 2020. În ciuda posibilităților tehnice promițătoare, au fost identificate și bariere sociale în calea adoptării pe scară largă, cum ar fi cultura conservatoare din industria construcțiilor și integrarea în planificarea urbană de înaltă densitate. Autorii subliniază că adoptarea pe termen lung va depinde probabil atât de decizii politice eficiente, cât și de dezvoltarea tehnologică.

Modulele solare semitransparente oferă o modalitate interesantă de a integra sistemele fotovoltaice integrate în clădiri (BIPV) în arhitectură și planificare urbană. Acest tip inovator de generare a energiei solare este foarte probabil să devină o componentă importantă a producției globale de energie electrică în viitor.

Sistemele fotovoltaice integrate în clădiri cu module solare semitransparente reprezintă o opțiune atractivă pentru construirea de clădiri eficiente din punct de vedere energetic. Această tehnologie poate ajuta la reducerea costurilor cu energia, îmbunătățind în același timp aspectul exterior al clădirii.

În plus, panourile solare semitransparente pot fi utilizate pentru a direcționa lumina zilei în interiorul unei clădiri. Acest lucru nu numai că economisește energie, dar reduce și costul iluminatului artificial.

În concluzie, panourile fotovoltaice integrate în clădiri (BIPV) reprezintă o formă de energie regenerabilă extrem de eficientă și versatilă. Are potențialul de a îmbunătăți în mod durabil alimentarea cu energie a clădirilor.

Module solare din siliciu cristalin pentru centrale electrice montate la sol și pe acoperiș.

Module solare fotovoltaice cu peliculă subțire din siliciu cristalin amorf, care pot fi goale, ușoare, roșii, albastre și galbene, utilizate ca fațade de sticlă și luminator transparent.

Celule cu peliculă subțire pe bază de CIGS (seleniură de cupru, indiu, galiu) pe module flexibile laminate pe elementul anvelopei clădirii sau celulele CIGS sunt montate direct pe substratul anvelopei clădirii.

Module solare cu geam termopan cu celule pătrate în interior.

acoperișuri plate

Cea mai răspândită soluție de până acum este o celulă solară amorfă cu peliculă subțire integrată într-un modul polimeric flexibil, care este atașat cu o peliculă adezivă între folia din spate a modulului solar și membrana acoperișului. Folosind tehnologia selenură de cupru, indiu, galiu (CIGS), o companie americană a obținut o eficiență a celulelor de 17% pentru modulele integrate în clădiri din membrane TPO cu un singur strat.

Acoperișuri înclinate

Țiglele solare sunt țigle (ceramice) cu module solare integrate. Țigla solară ceramică a fost dezvoltată și brevetată de o companie olandeză în 2013.

Module în formă de mai multe țigle.

Șindrilele solare sunt module care arată și funcționează ca șindrilele normale, dar conțin o celulă flexibilă cu peliculă subțire.

Acestea prelungesc durata de viață normală a acoperișurilor prin protejarea izolației și a membranelor de radiațiile UV și de daunele provocate de apă. De asemenea, previn condensul prin menținerea punctului de rouă deasupra membranei acoperișului.

Acoperișurile metalice înclinate (atât structurale, cât și arhitecturale) sunt acum echipate cu funcții fotovoltaice, fie prin lipirea unui modul flexibil independent, fie prin sigilarea termică și în vid a celulelor CIGS direct pe substrat.

faţadă

Fațadele pot fi atașate clădirilor existente, oferindu-le un aspect complet nou. Aceste module sunt montate pe fațada clădirii peste structura existentă, ceea ce poate crește atractivitatea clădirii și valoarea sa de revânzare.

glazurare

Ferestrele fotovoltaice sunt module (semi)transparente care pot înlocui o serie de elemente arhitecturale, de obicei din sticlă sau materiale similare, cum ar fi ferestrele și luminatoarele. Acestea nu numai că generează energie electrică, dar pot realiza și economii suplimentare de energie datorită proprietăților lor excelente de izolare termică și capacității de a controla radiația solară.

Ferestre fotovoltaice: Integrarea tehnologiilor de generare a energiei în clădirile rezidențiale și comerciale a deschis noi domenii de cercetare care pun un accent mai mare pe estetica generală a produsului final. Deși obiectivul rămâne atingerea unei eficiențe ridicate, noile dezvoltări în domeniul ferestrelor fotovoltaice vizează, de asemenea, să ofere consumatorilor un nivel optim de transparență a sticlei și/sau opțiunea de a alege dintr-o gamă de culori. Panourile solare de diferite culori pot fi proiectate pentru a absorbi optim anumite intervale de lungimi de undă din spectrul mai larg. Sticla fotovoltaică colorată a fost dezvoltată cu succes folosind celule solare semitransparente, perovskite și sensibilizate cu coloranți.

• Celulele solare plasmonice care absorb și reflectă lumina colorată au fost dezvoltate folosind tehnologia Fabry-Pérot-Etalon. Aceste celule constau din două pelicule metalice reflectorizante paralele și o peliculă cavitată dielectrică între ele. Cei doi electrozi sunt realizați din argint (Ag), iar cavitatea dintre ei este realizată din Sb₂O₃. Prin modificarea grosimii și a indicelui de refracție al cavității dielectrice, se modifică lungimea de undă care este cel mai bine absorbită. Potrivirea culorii stratului de absorbție cu partea specifică a spectrului pentru care grosimea și indicele de refracție al celulei sunt cele mai potrivite îmbunătățește atât estetica celulei, prin intensificarea culorii acesteia, cât și prin minimizarea pierderilor de fotocurent. Dispozitivele cu lumină roșie și albastră au atins transmitanțe de 34,7%, respectiv 24,6%. Dispozitivele albastre pot converti 13,3% din lumina absorbită în electricitate, ceea ce le face cele mai eficiente dintre toate dispozitivele colorate dezvoltate și testate.
• Tehnologia celulelor solare cu perovskit poate fi reglată pentru lungimile de undă roșii, verzi și albastre prin modificarea grosimii nanofirelor metalice la 8, 20 și respectiv 45 nm. Eficiențe energetice maxime de 10,12%, 8,17% și 7,72% au fost obținute prin ajustarea reflectanței sticlei la lungimea de undă pentru care celula respectivă este cea mai potrivită.
• Celulele solare sensibilizate cu coloranți utilizează electroliți lichizi pentru a capta lumina și a o converti în energie utilizabilă, la fel cum pigmenții naturali permit fotosinteza plantelor. În timp ce clorofila este pigmentul specific responsabil pentru culoarea verde a frunzelor, alți pigmenți naturali, cum ar fi carotenoizii și antocianinele, produc variații de nuanțe de portocaliu și violet. Cercetătorii de la Universitatea din Concepción au demonstrat viabilitatea celulelor solare colorate sensibilizate cu coloranți, care apar vibrante și absorb selectiv anumite lungimi de undă ale luminii. Această soluție cu cost redus utilizează pigmenți naturali derivați din fructul de maqui, mirt negru și spanac ca sensibilizatori. Acești sensibilizatori naturali sunt apoi intercalați între două straturi de sticlă transparentă. Deși eficiența acestor celule deosebit de ieftine rămâne neclară, cercetările anterioare privind celulele solare sensibilizate cu coloranți organici au atins o „eficiență ridicată de conversie a puterii de 9,8%”.

Celulele solare transparente folosesc un strat de oxid de staniu pe interiorul geamurilor de sticlă pentru a conduce electricitatea din celulă. Celula conține oxid de titan acoperit cu un colorant fotoelectric.

Majoritatea celulelor solare convenționale utilizează lumina vizibilă și infraroșie pentru a genera electricitate. În schimb, această nouă celulă solară inovatoare utilizează și radiații ultraviolete. Dacă este utilizată ca înlocuitor pentru geamul convențional al ferestrelor sau plasată peste geamul existent, zona de instalare ar putea fi mare, ceea ce ar duce la aplicații potențiale care combină generarea de energie, iluminatul și controlul temperaturii.

Un alt termen pentru fotovoltaica transparentă este „fotovoltaică translucidă” (aceasta permite trecerea doar a jumătății luminii incidente). Similar fotovoltaicei anorganice, fotovoltaica organică poate fi, de asemenea, translucidă.

Non-selectiv pe lungime de undă

Unele sisteme fotovoltaice neselective în funcție de lungimea de undă ating semi-transparență prin segmentarea spațială a celulelor solare opace. Această metodă utilizează orice tip de celulă solară opacă și distribuie mai multe celule mici pe un substrat transparent. Această segmentare reduce drastic eficiența conversiei energiei și crește transmisia.

O altă ramură a fotovoltaicelor neselective în funcție de lungimea de undă utilizează semiconductori cu peliculă subțire, vizibil absorbanți, cu grosimi mici sau intervale de bandă suficient de mari pentru a permite trecerea luminii. Acestea au ca rezultat fotovoltaice semitransparente, cu un compromis direct similar între eficiență și transmisie, ca și celulele solare opace segmentate spațial.

O altă ramură a fotovoltaicei neselective în funcție de lungimea de undă utilizează semiconductori cu peliculă subțire, vizibil absorbanți, cu grosime redusă sau benzi interzise suficient de mari, care permit trecerea luminii. Acest lucru are ca rezultat fotovoltaice semitransparente, cu un compromis direct similar între eficiență și transmisie, ca și celulele solare opace segmentate spațial.

Fotovoltaică selectivă în funcție de lungimea de undă

Fotovoltaica selectivă în funcție de lungimea de undă (WSPV) realizează transparența prin utilizarea de materiale care absorb doar lumina UV și/sau NIR și a fost introdusă pentru prima dată în 2011. În ciuda transmitanței mai mari, eficiența conversiei energiei este mai mică din cauza unui număr de probleme. Acestea includ lungimi scurte de difuzie a excitonilor, scalarea electrozilor transparenți fără a compromite eficiența și durata de viață totală datorită instabilității inerente a materialelor organice utilizate în WSPV-urile.

Inovații în fotovoltaica transparentă și translucidă

Primele încercări de a dezvolta fotovoltaice organice semitransparente, neselective din punct de vedere al lungimii de undă, cu straturi active foarte subțiri care absorb spectrul vizibil, au atins eficiențe mai mici de 1%. Cu toate acestea, în 2011, fotovoltaicele organice transparente care utilizează un donor organic de ftalocianină din cloraluminiu (ClAlPc) și un acceptor de fulerenă au demonstrat absorbție în spectrul ultraviolet și infraroșu apropiat (NIR) cu eficiențe de aproximativ 1,3% și o transmitanță a luminii vizibile care depășește 65%. În 2017, cercetătorii de la MIT au dezvoltat o metodă pentru depunerea cu succes a electrozilor de grafen transparenți pe celule solare organice, rezultând o transmitanță a luminii vizibile de 61% și eficiențe îmbunătățite de 2,8-4,1%.

Celulele solare perovskite, care sunt foarte populare ca sisteme fotovoltaice de generație următoare cu eficiențe care depășesc 25%, s-au dovedit, de asemenea, promițătoare pentru sistemele fotovoltaice transparente. În 2015, o celulă solară perovskită semitransparentă cu perovskit de triiodură de metilamoniu și plumb și un electrod superior cu grilă de nanofire de argint a demonstrat o transmisie de 79% la o lungime de undă de 800 nm și o eficiență de aproximativ 12,7%.