GiPV: Встраиваемая в здание фотоэлектрическая система с частично прозрачными солнечными модулями – встроенная в здание фотоэлектрическая система

Интегрированные в здания фотоэлектрические системы (GIPV) — это фотоэлектрические материалы, которые заменяют традиционные строительные материалы в таких частях оболочки здания, как крыша, мансардные окна или фасад. Их все чаще интегрируют в строительство новых зданий в качестве основного или вторичного источника электроэнергии, хотя существующие здания также могут быть модернизированы с использованием аналогичной технологии. Преимущество интегрированных фотоэлектрических систем перед обычными неинтегрированными системами заключается в том, что первоначальные затраты могут быть компенсированы за счет снижения затрат на строительные материалы и рабочую силу, которые обычно требуются для строительства той части здания, которую заменяют модули BIPV. Кроме того, BIPV позволяет более широко использовать солнечные установки, когда эстетика здания вызывает беспокойство, а традиционные стоечные солнечные панели могут нарушить предполагаемый внешний вид здания.

Термин BAPV (фотоэлектрические системы, применяемые в зданиях) для фотоэлектрических систем, интегрированных в здания, иногда используется для обозначения фотоэлектрических систем, которые впоследствии интегрируются в здание. Большинство интегрированных в здание систем на самом деле представляют собой BAPV. Некоторые производители и строители различают BIPV и BAPV для новых зданий.

Применение фотоэлектрических систем для зданий появилось в 1970-х годах. Фотоэлектрические панели в алюминиевом каркасе подключались или монтировались к зданиям, обычно расположенным в отдаленных районах без доступа к электрической сети. В 1980-е годы на крышах начали устанавливать фотоэлектрические модули. Эти фотоэлектрические системы обычно устанавливались на зданиях, подключенных к электрической сети, и располагались в районах с централизованными электростанциями. В 1990-х годах строительные изделия BIPV, специально предназначенные для интеграции в ограждающие конструкции зданий, стали коммерчески доступными. В докторской диссертации Патрины Эйфферт 1998 года под названием «Экономическая оценка BIPV» выдвигалась гипотеза о том, что однажды торговля кредитами на возобновляемые источники энергии (REC) обретет экономическую ценность. Экономическая оценка 2011 года и краткий обзор истории BIPV, проведенный Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии США, показывают, что еще предстоит решить серьезные технические проблемы, прежде чем затраты на установку BIPV смогут конкурировать с затратами на фотоэлектрические системы. Тем не менее, растет консенсус в отношении того, что системы BIPV, благодаря их широкой коммерциализации, составят основу европейской цели строительства с нулевым энергопотреблением (ZEB) к 2020 году. Несмотря на многообещающие технические возможности, также были выявлены социальные барьеры для широкого использования, такие как консервативная культура строительной отрасли и интеграция в городское планирование с высокой плотностью населения. Авторы отмечают, что долгосрочное использование, вероятно, будет зависеть как от эффективных политических решений, так и от технического развития.

Частично прозрачные солнечные модули предлагают интересную возможность интегрировать встроенную в здание фотоэлектрическую систему (BIPV) в архитектуру и городское планирование. Этот новый тип производства солнечной энергии, скорее всего, станет важной частью производства электроэнергии во всем мире в будущем.

Интегрированные в здания фотоэлектрические системы с частично прозрачными солнечными модулями являются привлекательным вариантом строительства энергоэффективных зданий. Эта технология может помочь снизить затраты на энергоснабжение и одновременно улучшить внешний вид здания.

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

Подводя итог, можно сказать, что встроенная в здание фотоэлектрическая энергия является очень эффективным и универсальным типом возобновляемой энергии. Он имеет потенциал для устойчивого улучшения энергоснабжения зданий.

Солнечные модули из кристаллического кремния для наземных и крышных электростанций.

Солнечные фотоэлектрические модули из тонкопленочного аморфного кристаллического кремния, которые могут быть полыми, легкими, красными, синими и желтыми, а также стеклянным фасадом и прозрачным световым люком.

Тонкопленочные элементы на основе CIGS (селенид меди-индия-галлия) на гибких модулях, которые ламинируются на элемент ограждающей конструкции здания, или элементы CIGS монтируются непосредственно на подложку ограждающей конструкции здания.

Солнечные панели из двойного стекла с квадратными ячейками внутри.

Плоские крыши

Наиболее широко используемым решением на сегодняшний день является аморфный тонкопленочный солнечный элемент, интегрированный в гибкий полимерный модуль, который закрепляется с помощью клейкой пленки между задней пленкой солнечного модуля и гидроизоляцией крыши. Используя технологию селенида меди, индия и галлия (CIGS), американская компания может достичь 17% эффективности ячеек для создания интегрированных модулей в однослойных ТПО-мембранах.

Скатные крыши

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

Модули в форме нескольких черепиц.

Солнечная черепица — это панели, которые выглядят и функционируют как обычная черепица, но содержат гибкую тонкопленочную ячейку.

Они продлевают обычный срок службы крыш, защищая изоляцию и мембраны от ультрафиолетового излучения и повреждения водой. Конденсат также предотвращается, поскольку точка росы поддерживается выше кровельной мембраны.

Металлические скатные крыши (как структурные, так и архитектурные) теперь оснащаются фотоэлектрическими установками либо путем приклеивания отдельно стоящего гибкого модуля, либо путем термо- и вакуумной герметизации ячеек CIGS непосредственно к подложке.

фасад

Фасады можно прикрепить к существующим зданиям и придать старым зданиям совершенно новый вид. Эти модули крепятся к фасаду здания поверх существующей конструкции, что может повысить привлекательность здания и его стоимость при перепродаже.

остекление

Фотоэлектрические окна представляют собой (полу)прозрачные модули, которые могут заменить ряд архитектурных элементов, обычно изготовленных из стекла или подобных материалов, таких как: Б. Окна и световые люки. Они не только генерируют электроэнергию, но и могут обеспечить дополнительную экономию энергии благодаря своим превосходным теплоизоляционным свойствам и контролю солнечного излучения.

Фотоэлектрические стеклянные окна: интеграция технологий производства энергии в жилые и коммерческие здания открыла дополнительные области исследований, в которых большее внимание уделяется общей эстетике конечного продукта. Хотя целью остается достижение высокой эффективности, новые разработки в области фотоэлектрических окон также направлены на то, чтобы предоставить потребителям оптимальный уровень прозрачности стекла и/или возможность выбора из целого ряда цветов. Солнечные панели разного цвета могут быть спроектированы так, чтобы оптимально поглощать определенные диапазоны длин волн из более широкого спектра. Цветное фотоэлектрическое стекло было успешно разработано с использованием полупрозрачных, перовскитных и сенсибилизированных красителем солнечных элементов.

• Плазмонные солнечные элементы, поглощающие и отражающие цветной свет, были разработаны с использованием технологии Фабри-Перо-Эталон. Эти ячейки состоят из «двух параллельных отражающих металлических пленок и пленки диэлектрической полости между ними». Два электрода изготовлены из Ag, а полость между ними — из Sb2O3. Изменение толщины и показателя преломления диэлектрической полости меняет длину волны, которая лучше всего поглощается. Соответствие цвета стекла поглощающего слоя определенной части спектра, которой лучше всего соответствуют толщина элемента и показатель преломления, улучшает эстетику элемента за счет усиления его цвета и минимизации потерь фототока. Для устройств красного и синего света был достигнут коэффициент пропускания 34,7% и 24,6% соответственно. Синие устройства могут преобразовывать 13,3% поглощенного света в электричество, что делает их наиболее эффективными из всех цветных устройств, разработанных и протестированных.
• Технологию солнечных элементов на основе перовскита можно настроить на красный, зеленый и синий цвета, изменив толщину металлических нанопроволок до 8, 20 и 45 нм соответственно. Максимальная эффективность энергопотребления 10,12%, 8,17% и 7,72% была достигнута за счет регулировки отражательной способности стекла в соответствии с длиной волны, для которой лучше всего подходит каждая ячейка.
• Красящие солнечные элементы используют жидкие электролиты для улавливания света и преобразования его в полезную энергию; это происходит аналогично тому, как природные пигменты обеспечивают фотосинтез в растениях. Хотя хлорофилл является специфическим пигментом, отвечающим за зеленый цвет листьев, другие природные пигменты, такие как каротиноиды и антоцианы, дают вариации оранжевого и фиолетового цвета. Исследователи из Университета Консепсьона продемонстрировали жизнеспособность сенсибилизированных красителями цветных солнечных элементов, которые одновременно появляются и избирательно поглощают определенные длины волн света. В этом экономичном решении в качестве сенсибилизаторов используются натуральные пигменты плодов маки, черного мирта и шпината. Эти природные сенсибилизаторы затем помещаются между двумя слоями прозрачного стекла. Хотя эффективность этих особенно недорогих элементов до сих пор неясна, предыдущие исследования в области элементов с органическими красителями позволили достичь «высокого КПД преобразования энергии 9,8%».

В прозрачных солнечных элементах используется покрытие из оксида олова на внутренней стороне стеклянных панелей, которое проводит электричество из элемента. Ячейка содержит оксид титана, покрытый фотоэлектрическим красителем.

Большинство обычных солнечных батарей используют видимый и инфракрасный свет для выработки электроэнергии. Напротив, новый инновационный солнечный элемент также использует ультрафиолетовое излучение. При использовании в качестве замены традиционного оконного стекла или размещении над стеклом площадь установки может быть большой, что приводит к потенциальным применениям, использующим комбинированные функции выработки электроэнергии, освещения и контроля температуры.

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

Не избирательный по длине волны

Некоторые фотоэлектрические системы, не селективные по длине волны, достигают полупрозрачности за счет пространственной сегментации непрозрачных солнечных элементов. В этом методе используются любые непрозрачные солнечные элементы и распределяются несколько небольших ячеек на прозрачной подложке. Такое разделение резко снижает эффективность преобразования энергии и увеличивает передачу.

Другая ветвь фотогальваники, не селективной по длине волны, использует поглощающие видимый свет тонкопленочные полупроводники с небольшой толщиной или достаточно большой запрещенной зоной, которые пропускают свет. В результате получаются полупрозрачные фотоэлектрические элементы с таким же прямым компромиссом между эффективностью и передачей энергии, как и у пространственно сегментированных непрозрачных солнечных элементов.

Другая ветвь фотогальваники, не селективной по длине волны, использует поглощающие видимый свет тонкопленочные полупроводники с небольшой толщиной или достаточно большой запрещенной зоной, которые пропускают свет. Это приводит к созданию полупрозрачных фотоэлектрических элементов с таким же прямым компромиссом между эффективностью и передачей энергии, как и у пространственно сегментированных непрозрачных солнечных элементов.

Фотоэлектрические системы, селективные по длине волны

Фотоэлектрические элементы, селективные по длине волны, обеспечивают прозрачность за счет использования материалов, которые поглощают только УФ- и/или ближний ИК-свет, и впервые были представлены в 2011 году. Несмотря на более высокую проницаемость, эффективность преобразования энергии ниже из-за ряда проблем. К ним относятся малая длина диффузии экситонов, масштабирование прозрачных электродов без ущерба для эффективности и общий срок службы из-за нестабильности органических материалов, используемых в ТФЭ в целом.

Инновации в области прозрачной и полупрозрачной фотоэлектрической энергии

Ранние попытки разработать неселективные по длине волны полупрозрачные органические фотоэлектрические элементы с очень тонкими активными слоями, поглощающими видимый спектр, смогли достичь эффективности только менее 1%. Однако в 2011 году прозрачные органические фотоэлектрические элементы с органическим донором хлоралюминийфталоцианина (ClAlPc) и акцептором фуллерена показали поглощение в ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном (NIR) спектре с эффективностью около 1,3% и коэффициентом пропускания видимого света более 65%. В 2017 году исследователи Массачусетского технологического института разработали метод успешного нанесения прозрачных графеновых электродов на органические солнечные элементы, что позволило добиться пропускания видимого света на уровне 61% и повысить эффективность на 2,8–4,1%.

Солнечные элементы на основе перовскита, которые очень популярны как фотоэлектрические элементы нового поколения с эффективностью, превышающей 25%, также показали себя перспективными для создания прозрачных фотоэлектрических элементов. В 2015 году полупрозрачный перовскитный солнечный элемент с использованием перовскита трииодида свинца метиламмония и верхнего электрода из сетки из серебряных нанопроволок продемонстрировал коэффициент пропускания 79% на длине волны 800 нм и эффективность около 12,7%.