GiPV: Встроенные в здания фотоэлектрические системы с полупрозрачными солнечными модулями

Встроенные в здания фотоэлектрические системы (BIPV) — это фотоэлектрические материалы, заменяющие традиционные строительные материалы в некоторых частях ограждающих конструкций здания, таких как крыша, световые люки или фасад. Все чаще они интегрируются в новые здания в качестве основного или дополнительного источника энергии, а также могут быть модернизированы с использованием аналогичных технологий в существующих зданиях. Преимущество интегрированных фотоэлектрических систем перед традиционными неинтегрированными системами заключается в том, что первоначальные затраты могут быть компенсированы за счет сокращения расходов на строительные материалы и рабочую силу, которые обычно требуются для строительства той части здания, которую заменяют модули BIPV. Кроме того, BIPV способствуют более широкому распространению солнечных установок, когда эстетика здания имеет значение, а традиционные солнечные панели, устанавливаемые на стойки, ухудшают внешний вид.

Термин BAPV (встраиваемые в здания фотоэлектрические системы) иногда используется для обозначения фотоэлектрических систем, устанавливаемых в зданиях после их реконструкции. Большинство интегрированных в здания систем действительно являются BAPV. Некоторые производители и застройщики проводят различие между BIPV и BAPV в новом строительстве.

Встроенные в здания фотоэлектрические системы (BIPV) появились в 1970-х годах. Фотоэлектрические модули в алюминиевых рамах крепились к зданиям или монтировались на них, как правило, в отдаленных районах без доступа к электросети. В 1980-х годах начали устанавливать фотоэлектрические системы на крышах. Эти системы обычно устанавливались на зданиях, подключенных к электросети и расположенных в районах с централизованными электростанциями. В 1990-х годах на рынке появились строительные изделия BIPV, специально разработанные для интеграции в ограждающие конструкции зданий. В докторской диссертации 1998 года Патрины Эйфферт под названием «Экономическая оценка BIPV» выдвигалась гипотеза о том, что в будущем торговля сертификатами возобновляемой энергии (RECs) будет иметь экономическую ценность. Экономическая оценка и краткая история BIPV, проведенные Национальной лабораторией возобновляемой энергии США в 2011 году, показывают, что до того, как стоимость установки BIPV сможет конкурировать со стоимостью фотоэлектрических систем, остаются значительные технические проблемы. Однако растет консенсус в отношении того, что интегрированные в здания фотоэлектрические системы (BIPV), благодаря широкому коммерциализации, станут основой европейской цели по созданию зданий с нулевым потреблением энергии (ZEB) к 2020 году. Несмотря на многообещающие технические возможности, были выявлены и социальные барьеры для широкого внедрения, такие как консервативная культура строительной отрасли и интеграция в городскую планировку с высокой плотностью застройки. Авторы отмечают, что долгосрочное внедрение, вероятно, будет зависеть как от эффективных политических решений, так и от технологического развития.

Полупрозрачные солнечные модули предлагают интересный способ интеграции фотоэлектрических систем в здания (BIPV) в архитектуру и городское планирование. Этот новый тип генерации солнечной энергии, по всей видимости, станет важной составляющей мирового производства электроэнергии в будущем.

Встроенные в здания фотоэлектрические системы с полупрозрачными солнечными модулями являются привлекательным вариантом для строительства энергоэффективных зданий. Эта технология может помочь снизить затраты на электроэнергию, одновременно улучшая внешний вид здания.

Кроме того, полупрозрачные солнечные панели можно использовать для направления дневного света внутрь здания. Это не только экономит энергию, но и снижает затраты на искусственное освещение.

В заключение, интегрированные в здания фотоэлектрические системы (BIPV) представляют собой высокоэффективный и универсальный вид возобновляемой энергии. Они обладают потенциалом для устойчивого улучшения энергоснабжения зданий.

Солнечные модули из кристаллического кремния для наземных и крышных электростанций.

Аморфные кристаллические кремниевые тонкопленочные солнечные фотоэлектрические модули, которые могут быть полыми, легкими, красного, синего и желтого цвета, используются в качестве стеклянного фасада и прозрачного светового люка.

Тонкопленочные ячейки на основе CIGS (селенид меди, индия и галлия) на гибких модулях, ламинированных на элементы ограждающих конструкций здания, или ячейки CIGS, установленные непосредственно на подложку ограждающих конструкций здания.

Солнечные модули с двойным остеклением и квадратными ячейками внутри.

плоские крыши

Наиболее распространенным на сегодняшний день решением является аморфный тонкопленочный солнечный элемент, интегрированный в гибкий полимерный модуль, который крепится с помощью клейкой пленки между задней панелью солнечного модуля и мембраной крыши. Используя технологию селенида меди-индия-галлия (CIGS), американская компания достигла эффективности элементов в 17% для модулей, интегрированных в здания, в однослойных мембранах из термопластичного оксида железа (TPO).

Скатные крыши

Солнечная черепица — это (керамическая) черепица со встроенными солнечными модулями. Керамическая солнечная черепица была разработана и запатентована голландской компанией в 2013 году.

Модули имеют форму нескольких черепичных кровельных плиток.

Солнечные панели представляют собой модули, которые выглядят и функционируют как обычная черепица, но содержат гибкую тонкопленочную ячейку.

Они продлевают срок службы кровли, защищая изоляцию и мембраны от ультрафиолетового излучения и повреждений, вызванных водой. Они также предотвращают образование конденсата, поддерживая точку росы выше уровня кровельной мембраны.

В настоящее время металлические скатные крыши (как несущие, так и архитектурные) оснащаются фотоэлектрическими элементами либо путем приклеивания отдельно стоящего гибкого модуля, либо путем термо- и вакуумной герметизации ячеек CIGS непосредственно на подложке.

фасад

Фасады можно прикрепить к существующим зданиям, придав им совершенно новый вид. Эти модули монтируются на фасад здания поверх существующей конструкции, что может повысить привлекательность здания и его рыночную стоимость.

остекление

Фотоэлектрические окна — это (полу)прозрачные модули, которые могут заменить ряд архитектурных элементов, обычно изготовленных из стекла или подобных материалов, таких как окна и мансардные окна. Они не только вырабатывают электроэнергию, но и позволяют дополнительно экономить энергию благодаря своим превосходным теплоизоляционным свойствам и способности контролировать солнечное излучение.

Фотоэлектрические стеклянные окна: интеграция энергогенерирующих технологий в жилые и коммерческие здания открыла дополнительные области исследований, в которых больше внимания уделяется общей эстетике конечного продукта. Хотя цель по-прежнему заключается в достижении высокой эффективности, новые разработки в области фотоэлектрических окон также направлены на предоставление потребителям оптимального уровня прозрачности стекла и/или возможности выбора из ряда цветов. Солнечные панели разных цветов могут быть спроектированы таким образом, чтобы оптимально поглощать определенные диапазоны длин волн из более широкого спектра. Цветное фотоэлектрическое стекло успешно разработано с использованием полупрозрачных, перовскитных и красящих солнечных элементов.

• Плазмонные солнечные элементы, поглощающие и отражающие цветной свет, были разработаны с использованием технологии Фабри-Перо-Эталона. Эти элементы состоят из двух параллельных отражающих металлических пленок и диэлектрической полости между ними. Два электрода изготовлены из серебра (Ag), а полость между ними — из Sb₂O₃. Изменяя толщину и показатель преломления диэлектрической полости, можно изменять длину волны, которая лучше всего поглощается. Подбор цвета поглощающего слоя стекла к конкретной части спектра, для которой толщина и показатель преломления элемента наиболее подходят, улучшает как эстетику элемента за счет усиления цвета, так и минимизирует потери фототока. Устройства, излучающие красный и синий свет, достигли коэффициентов пропускания 34,7% и 24,6% соответственно. Синие устройства могут преобразовывать 13,3% поглощенного света в электричество, что делает их наиболее эффективными из всех разработанных и протестированных цветных устройств.
• Технология перовскитных солнечных элементов может быть настроена на красные, зеленые и синие длины волн путем изменения толщины металлических нанопроводов до 8, 20 и 45 нм соответственно. Максимальная эффективность преобразования энергии в 10,12%, 8,17% и 7,72% была достигнута путем регулирования коэффициента отражения стекла в соответствии с длиной волны, для которой соответствующий элемент лучше всего подходит.
• В солнечных элементах с сенсибилизацией красителями используются жидкие электролиты для улавливания света и преобразования его в полезную энергию, подобно тому, как природные пигменты обеспечивают фотосинтез у растений. Хотя хлорофилл является специфическим пигментом, ответственным за зеленый цвет листьев, другие природные пигменты, такие как каротиноиды и антоцианы, создают различные оттенки оранжевого и фиолетового. Исследователи из Университета Консепсьона продемонстрировали жизнеспособность цветных солнечных элементов с сенсибилизацией красителями, которые выглядят яркими и избирательно поглощают определенные длины волн света. Это недорогое решение использует природные пигменты, полученные из плодов маки, черного мирта и шпината, в качестве сенсибилизаторов. Эти природные сенсибилизаторы затем помещаются между двумя слоями прозрачного стекла. Хотя эффективность этих особенно недорогих элементов остается неясной, предыдущие исследования органических солнечных элементов с сенсибилизацией красителями достигли «высокой эффективности преобразования энергии в 9,8%».

В прозрачных солнечных элементах для проведения электричества используется покрытие из оксида олова на внутренней стороне стеклянных панелей. Элемент содержит оксид титана, покрытый фотоэлектрическим красителем.

Большинство традиционных солнечных батарей используют видимый и инфракрасный свет для выработки электроэнергии. В отличие от них, эта инновационная солнечная батарея также использует ультрафиолетовое излучение. При использовании в качестве замены обычного оконного стекла или при установке поверх существующего стекла площадь установки может быть большой, что открывает потенциальные возможности для применения, сочетающих выработку электроэнергии, освещение и регулирование температуры.

Другой термин для прозрачных фотоэлектрических элементов — «полупрозрачные фотоэлектрические элементы» (они пропускают только половину падающего света). Подобно неорганическим фотоэлектрическим элементам, органические фотоэлектрические элементы также могут быть полупрозрачными.

Неселективный по длине волны

Некоторые неселективные по длине волны фотоэлектрические системы достигают полупрозрачности за счет пространственной сегментации непрозрачных солнечных элементов. Этот метод использует любые типы непрозрачных солнечных элементов и распределяет несколько небольших элементов на прозрачной подложке. Такая сегментация значительно снижает эффективность преобразования энергии и увеличивает пропускание света.

Другое направление неселективной фотовольтаики использует тонкопленочные полупроводники, поглощающие видимый свет, с малой толщиной или достаточно большой шириной запрещенной зоны, позволяющей свету проходить сквозь них. Это приводит к созданию полупрозрачных фотоэлектрических элементов с аналогичным прямым компромиссом между эффективностью и пропусканием света, как и в случае пространственно сегментированных непрозрачных солнечных элементов.

Другое направление неселективной по длине волны фотовольтаики использует тонкопленочные полупроводники, поглощающие видимый свет, с малой толщиной или достаточно большой шириной запрещенной зоны, позволяющей свету проходить сквозь них. Это приводит к созданию полупрозрачных фотоэлектрических элементов с аналогичным прямым компромиссом между эффективностью и пропусканием, как и в случае пространственно сегментированных непрозрачных солнечных элементов.

Фотоэлектрические элементы, селективные по длине волны

Фотоэлектрические элементы с селективным поглощением по длине волны (WSPV) достигают прозрачности за счет использования материалов, поглощающих только УФ и/или ближний ИК-свет, и были впервые представлены в 2011 году. Несмотря на более высокую пропускающую способность, эффективность преобразования энергии ниже из-за ряда проблем. К ним относятся короткая длина диффузии экситонов, масштабирование прозрачных электродов без ущерба для эффективности и общий срок службы из-за присущей нестабильности органических материалов, используемых в WSPV.

Инновации в области прозрачных и полупрозрачных фотоэлектрических элементов

Первые попытки разработки неселективных по длине волны полупрозрачных органических фотоэлектрических элементов с очень тонкими активными слоями, поглощающими свет в видимом спектре, достигли эффективности менее 1%. Однако в 2011 году прозрачные органические фотоэлектрические элементы, использующие органический донор на основе хлоралюминиевого фталоцианина (ClAlPc) и фуллереновый акцептор, продемонстрировали поглощение в ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном (ИК) спектре с эффективностью около 1,3% и пропусканием видимого света, превышающим 65%. В 2017 году исследователи из Массачусетского технологического института разработали метод успешного нанесения прозрачных графеновых электродов на органические солнечные элементы, что привело к пропусканию видимого света на уровне 61% и повышению эффективности до 2,8–4,1%.

Перовскитные солнечные элементы, пользующиеся большой популярностью в качестве фотоэлектрических элементов следующего поколения с КПД, превышающим 25%, также показали себя перспективными для прозрачных фотоэлектрических устройств. В 2015 году полупрозрачный перовскитный солнечный элемент с перовскитом на основе метиламмония трийодида свинца и верхним электродом из сетки из серебряных нанопроволок продемонстрировал пропускание 79% на длине волны 800 нм и КПД приблизительно 12,7%.