GiPV: Фотонапонски системи интегрисани у зграду са полупрозирним соларним модулима

Фотонапонски системи интегрисани у зграду (BIPV) односе се на фотонапонске материјале који замењују конвенционалне грађевинске материјале у деловима омотача зграде, као што су кров, кровни прозори или фасада. Све више се интегришу у нове зграде као примарни или секундарни извор енергије, а постојеће зграде се такође могу накнадно опремити сличном технологијом. Предност интегрисаних фотонапонских система у односу на конвенционалне неинтегрисане системе је у томе што се почетни трошкови могу надокнадити смањењем трошкова за грађевински материјал и рад који би иначе били потребни за изградњу дела зграде који BIPV модули замењују. Штавише, BIPV омогућава шире прихватање соларних инсталација када је естетика зграде важна, а конвенционални, соларни панели монтирани на сталак би умањили предвиђени изглед.

Термин BAPV (зградно-примењени фотонапонски системи) се понекад користи за означавање фотонапонских система који се накнадно уграђују у зграду. Већина система интегрисаних у зграду заиста су BAPV. Неки произвођачи и програмери праве разлику између BIPV и BAPV у новоградњи.

Примене фотонапонских система интегрисаних у зграде (BIPV) појавиле су се 1970-их. Фотонапонски модули са алуминијумским оквиром били су причвршћени или монтирани на зграде, обично смештене у удаљеним подручјима без приступа електричној мрежи. Осамдесетих година прошлог века почели су да се инсталирају кровни фотонапонски системи. Ови фотонапонски системи су генерално инсталирани на зградама повезаним на електричну мрежу и смештеним у подручјима са централизованим електранама. Деведесетих година прошлог века, BIPV производи посебно дизајнирани за интеграцију у омотач зграде постали су комерцијално доступни. Докторска дисертација Патрине Ајферт из 1998. године, под називом „Економска процена BIPV-а“, поставила је хипотезу да ће једног дана постојати економска вредност у трговини кредитима за обновљиву енергију (REC). Економска процена и кратка историја BIPV-а коју је спровела Национална лабораторија за обновљиву енергију САД 2011. године сугеришу да остају значајни технички изазови пре него што трошкови инсталације BIPV-а могу да се такмиче са трошковима фотонапонских система. Међутим, постоји све већи консензус да ће BIPV системи, кроз широку комерцијализацију, чинити окосницу европског циља зграда са нултом енергијом (ZEB) до 2020. године. Упркос обећавајућим техничким могућностима, идентификоване су и друштвене препреке за широко усвајање, као што су конзервативна култура грађевинске индустрије и интеграција у урбано планирање високе густине. Аутори истичу да ће дугорочно усвајање вероватно зависити колико од ефикасних политичких одлука, толико и од технолошког развоја.

Полупровидни соларни модули нуде занимљив начин интеграције фотонапонских система интегрисаних у зграде (BIPV) у архитектуру и урбанистичко планирање. Овај нови тип производње соларне енергије ће вероватно постати важна компонента глобалне производње електричне енергије у будућности.

Фотонапонски системи интегрисани у зграду са полупрозирним соларним модулима су атрактивна опција за изградњу енергетски ефикасних зграда. Ова технологија може помоћи у смањењу трошкова енергије, а истовремено побољшати спољашњост зграде.

Штавише, полупрозирни соларни панели могу се користити за усмеравање дневне светлости у унутрашњост зграде. Ово не само да штеди енергију већ и смањује трошкове вештачког осветљења.

Укратко, фотонапонски системи интегрисани у зграде (BIPV) су високо ефикасан и свестран облик обновљиве енергије. Имају потенцијал да одрживо побољшају снабдевање енергијом зграда.

Соларни модули направљени од кристалног силицијума за електране монтиране на земљу и кровове.

Аморфни кристални силицијумски танкослојни соларни ПВ модули, који могу бити шупљи, лагани, црвени, плави и жути, користе се као стаклена фасада и провидни кровни прозор.

Танкослојне ћелије на бази CIGS-а (бакар индијум галијум селенид) на флексибилним модулима који су ламинирани на елемент омотача зграде, или су CIGS ћелије монтиране директно на подлогу омотача зграде.

Двоструко застакљени соларни модули са квадратним ћелијама унутра.

равни кровови

Најраспрострањеније решење до сада је аморфна танкослојна соларна ћелија интегрисана у флексибилни полимерни модул, који је причвршћен лепљивим филмом између задњег слоја соларног модула и кровне мембране. Користећи технологију бакар-индијум-галијум-селенида (CIGS), једна америчка компанија је постигла ефикасност ћелија од 17% за модуле интегрисане у зграду у једнослојним TPO мембранама.

Коси кровови

Соларни црепови су (керамички) црепови са интегрисаним соларним модулима. Керамички соларни цреп је развила и патентирала холандска компанија 2013. године.

Модули обликовани као неколико кровних црепова.

Соларне шиндре су модули који изгледају и функционишу као обичне шиндре, али садрже флексибилну ћелију од танког филма.

Они продужавају нормалан век трајања кровова штитећи изолацију и мембране од УВ зрачења и оштећења од воде. Такође спречавају кондензацију одржавајући тачку росе изнад кровне мембране.

Метални коси кровови (и структурни и архитектонски) сада се опремају фотонапонским функцијама, било лепљењем самостојећег флексибилног модула или топлотним и вакуумским заптивањем CIGS ћелија директно на подлогу.

фасада

Фасаде се могу причврстити на постојеће зграде, дајући им потпуно нови изглед. Ови модули се монтирају на фасаду зграде преко постојеће конструкције, што може повећати атрактивност зграде и њену вредност приликом препродаје.

глазирање

Фотонапонски прозори су (полу)прозирни модули који могу заменити бројне архитектонске елементе обично направљене од стакла или сличних материјала, као што су прозори и кровни прозори. Они не само да генеришу електричну енергију, већ могу постићи и додатне уштеде енергије захваљујући својим одличним својствима топлотне изолације и способности контроле сунчевог зрачења.

Фотонапонски стаклени прозори: Интеграција технологија за производњу енергије у стамбене и пословне зграде отворила је додатна подручја истраживања која стављају већи нагласак на укупну естетику финалног производа. Иако циљ остаје постизање високе ефикасности, нови развоји у области фотонапонских прозора такође имају за циљ да потрошачима понуде оптималан ниво транспарентности стакла и/или могућност избора из низа боја. Соларни панели различитих боја могу бити дизајнирани да оптимално апсорбују одређене опсеге таласних дужина из ширег спектра. Фотонапонски стакло у боји је успешно развијено коришћењем полупровидних, перовскитних и соларних ћелија осетљивих на боје.

• Плазмонске соларне ћелије које апсорбују и рефлектују обојену светлост развијене су коришћењем Фабри-Перо-Еталон технологије. Ове ћелије се састоје од два паралелна, рефлектујућа метална филма и диелектричне шупљине између њих. Две електроде су направљене од сребра (Ag), а шупљина између њих је направљена од Sb₂O₃. Променом дебљине и индекса преламања диелектричне шупљине, мења се таласна дужина која се најбоље апсорбује. Усклађивање боје стакла апсорпционог слоја са специфичним делом спектра за који су дебљина и индекс преламања ћелије најпогоднији побољшава и естетику ћелије интензивирањем њене боје и минимизирањем губитака фотострује. Уређаји са црвеним и плавим светлом постигли су трансмитансу од 34,7% и 24,6%, респективно. Плави уређаји могу да претворе 13,3% апсорбоване светлости у електричну енергију, што их чини најефикаснијим од свих развијених и тестираних обојених уређаја.
• Технологија перовскитних соларних ћелија може се подесити за црвене, зелене и плаве таласне дужине променом дебљине металних наножица на 8, 20 и 45 nm, респективно. Максимална енергетска ефикасност од 10,12%, 8,17% и 7,72% постигнута је подешавањем рефлексије стакла на таласну дужину за коју је одговарајућа ћелија најпогоднија.
• Соларне ћелије осетљиве на боје користе течне електролите за хватање светлости и њено претварање у употребљиву енергију, слично као што природни пигменти омогућавају фотосинтезу у биљкама. Док је хлорофил специфични пигмент одговоран за зелену боју лишћа, други природни пигменти, попут каротеноида и антоцијанина, производе варијације наранџастих и љубичастих нијанси. Истраживачи са Универзитета у Консепсиону су показали одрживост обојених соларних ћелија осетљивих на боје, које изгледају живо и селективно апсорбују одређене таласне дужине светлости. Ово јефтино решење користи природне пигменте добијене из воћа маки, црне мирте и спанаћа као сензибилизаторе. Ови природни сензибилизатори се затим смештају између два слоја провидног стакла. Иако ефикасност ових посебно јефтиних ћелија остаје нејасна, претходна истраживања органских соларних ћелија осетљивих на боје постигла су „високу ефикасност конверзије снаге од 9,8%“.

Провидне соларне ћелије користе премаз од калај оксида на унутрашњој страни стаклених плоча за спровођење електрицитета из ћелије. Ћелија садржи титанијум оксид обложен фотоелектричном бојом.

Већина конвенционалних соларних ћелија користи видљиву и инфрацрвену светлост за производњу електричне енергије. Насупрот томе, ова иновативна нова соларна ћелија такође користи ултраљубичасто зрачење. Ако се користи као замена за конвенционално прозорско стакло или се постави преко постојећег стакла, површина за инсталацију може бити велика, што доводи до потенцијалних примена које комбинују производњу енергије, осветљење и контролу температуре.

Други термин за транспарентне фотонапонске системе је „провидни фотонапонски системи“ (они пропуштају само половину упадног светла). Слично неорганским фотонапонским системима, органски фотонапонски системи такође могу бити провидни.

Неселективно према таласној дужини

Неки фотонапонски системи који нису селективни по таласној дужини постижу полупрозирност просторном сегментацијом непрозирних соларних ћелија. Ова метода користи било коју врсту непрозирне соларне ћелије и распоређује неколико малих ћелија на прозирну подлогу. Ова сегментација драстично смањује ефикасност конверзије енергије и повећава пренос.

Друга грана фотонапонских система који нису селективни по таласној дужини користи видљиво апсорбујуће танкослојне полупроводнике мале дебљине или довољно велике енергетске забрањене зоне које омогућавају пролаз светлости. То резултира полупровидним фотонапонским системима са сличним директним компромисом између ефикасности и преноса као просторно сегментиране непрозирне соларне ћелије.

Друга грана фотонапонских система који нису селективни по таласној дужини користи видљиво апсорбујуће танкослојне полупроводнике мале дебљине или довољно великих енергетских забрањених зона које омогућавају пролаз светлости. Ово резултира полупрозирним фотонапонским системима са сличним директним компромисом између ефикасности и преноса као просторно сегментиране непрозирне соларне ћелије.

Фотонапонски системи селективни по таласној дужини

Фотонапонски системи селективни по таласној дужини (WSPV) постижу транспарентност употребом материјала који апсорбују само UV и/или NIR светлост и први пут су представљени 2011. године. Упркос већој пропустљивости, ефикасност конверзије енергије је нижа због низа проблема. То укључује кратке дужине дифузије екситона, скалирање транспарентних електрода без угрожавања ефикасности и укупни век трајања због инхерентне нестабилности органских материјала који се користе у WSPV-овима.

Иновације у транспарентним и провидним фотонапонским системима

Рани покушаји развоја полутранспарентних органских фотонапонских система који нису селективни по таласној дужини и имају веома танке активне слојеве који апсорбују у видљивом спектру постигли су ефикасност мању од 1%. Међутим, 2011. године, транспарентни органски фотонапонски системи који користе органски донор хлороалуминијум фталоцијанина (ClAlPc) и акцептор фулерена показали су апсорпцију у ултраљубичастом и блиском инфрацрвеном (NIR) спектру са ефикасношћу око 1,3% и пропустљивошћу видљиве светлости већом од 65%. Године 2017, истраживачи МИТ-а развили су метод за успешно наношење транспарентних графенских електрода на органске соларне ћелије, што је резултирало пропустљивошћу видљиве светлости од 61% и побољшаном ефикасношћу од 2,8–4,1%.

Перовскитне соларне ћелије, које су веома популарне као фотонапонске ћелије следеће генерације са ефикасношћу већом од 25%, такође су се показале обећавајућим за транспарентне фотонапонске системе. Године 2015, полутранспарентна перовскитна соларна ћелија са перовскитом од метиламонијум-оловног тријодида и горњом електродом од сребрне наножице показала је пренос од 79% на таласној дужини од 800 nm и ефикасност од приближно 12,7%.