GiPV: Yarı saydam güneş modülleriyle binaya entegre fotovoltaik sistemler

Bina entegre fotovoltaik (BIPV), çatı, çatı pencereleri veya cephe gibi bina dış cephesinin bazı bölümlerinde geleneksel yapı malzemelerinin yerini alan fotovoltaik malzemeleri ifade eder. Birincil veya ikincil güç kaynağı olarak yeni binalara giderek daha fazla entegre edilmekte ve mevcut binalara da benzer teknoloji sonradan takılabilmektedir. Entegre fotovoltaik sistemlerin geleneksel entegre olmayan sistemlere göre avantajı, BIPV modüllerinin yerini aldığı bina bölümünün inşası için normalde gerekli olacak yapı malzemeleri ve işçilik harcamalarının azaltılmasıyla ilk maliyetlerin karşılanabilmesidir. Ayrıca, BIPV, binanın estetiğinin önemli olduğu ve geleneksel, rafa monte güneş panellerinin amaçlanan görünümü bozacağı durumlarda güneş enerjisi kurulumlarının daha geniş kabul görmesini sağlar.

BAPV (bina uygulamalı fotovoltaik) terimi bazen bir binaya sonradan entegre edilen fotovoltaik sistemleri ifade etmek için kullanılır. Çoğu bina entegre sistemi aslında BAPV'dir. Bazı üreticiler ve geliştiriciler yeni inşaatlarda BIPV ve BAPV arasında ayrım yapmaktadır.

Bina entegre fotovoltaik (BIPV) uygulamaları 1970'lerde ortaya çıktı. Alüminyum çerçeveli fotovoltaik modüller, genellikle elektrik şebekesine erişimi olmayan uzak bölgelerde bulunan binalara takıldı veya monte edildi. 1980'lerde çatı üstü fotovoltaik sistemler kurulmaya başlandı. Bu fotovoltaik sistemler genellikle elektrik şebekesine bağlı binalara ve merkezi enerji santrallerinin bulunduğu bölgelere kuruldu. 1990'larda, bina cephesine entegrasyon için özel olarak tasarlanmış BIPV ürünleri ticari olarak piyasaya sürüldü. Patrina Eiffert'in 1998 tarihli "BIPV'nin Ekonomik Değerlendirmesi" başlıklı doktora tezi, bir gün yenilenebilir enerji kredilerinin (REC) ticaretinin ekonomik bir değere sahip olacağını varsaymıştır. ABD Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı'nın 2011 yılında yaptığı BIPV'nin ekonomik değerlendirmesi ve kısa tarihçesi, BIPV kurulum maliyetlerinin fotovoltaik sistemlerin maliyetleriyle rekabet edebilmesi için önemli teknik zorlukların devam ettiğini göstermektedir. Ancak, yaygın ticarileşme yoluyla BIPV sistemlerinin 2020 yılına kadar Avrupa Sıfır Enerjili Bina (ZEB) hedefinin omurgasını oluşturacağına dair giderek artan bir fikir birliği var. Umut vadeden teknik olanaklara rağmen, inşaat sektörünün muhafazakar kültürü ve yüksek yoğunluklu kentsel planlamaya entegrasyon gibi yaygın benimsemenin önündeki sosyal engeller de belirlenmiştir. Yazarlar, uzun vadeli benimsemenin teknolojik gelişme kadar etkili politika kararlarına da bağlı olacağını belirtiyor.

Yarı saydam güneş modülleri, bina entegre fotovoltaik (BIPV) sistemlerini mimariye ve şehir planlamasına entegre etmenin ilginç bir yolunu sunuyor. Bu yeni güneş enerjisi üretim türünün gelecekte küresel elektrik üretiminin önemli bir bileşeni haline gelmesi oldukça muhtemeldir.

Yarı saydam güneş modülleriyle binaya entegre fotovoltaik sistemler, enerji verimli binaların inşası için cazip bir seçenektir. Bu teknoloji, enerji maliyetlerini düşürmeye yardımcı olurken aynı zamanda binanın dış görünümünü de iyileştirebilir.

Ayrıca, yarı saydam güneş panelleri, gün ışığını bir binanın iç mekanına yönlendirmek için kullanılabilir. Bu, yalnızca enerji tasarrufu sağlamakla kalmaz, aynı zamanda yapay aydınlatma maliyetini de düşürür.

Özetle, bina entegre fotovoltaik sistemler (BIPV), son derece verimli ve çok yönlü bir yenilenebilir enerji biçimidir. Binaların enerji ihtiyacını sürdürülebilir bir şekilde iyileştirme potansiyeline sahiptir.

Yer tipi ve çatı üstü enerji santralleri için kristal silikondan yapılmış güneş modülleri.

İçi boş, hafif, kırmızı, mavi ve sarı renklerde olabilen, cam cephe ve şeffaf çatı penceresi olarak kullanılan amorf kristal silikon ince film güneş fotovoltaik modülleri.

CIGS (bakır indiyum galyum selenit) bazlı ince film hücreler, bina dış cephe elemanına lamine edilen esnek modüller üzerinde veya CIGS hücreleri doğrudan bina dış cephesinin alt tabakasına monte edilmiştir.

İçinde kare hücreler bulunan çift camlı güneş modülleri.

düz çatılar

Bugüne kadar en yaygın çözüm, güneş modülünün arka yüzeyi ile çatı membranı arasına yapıştırıcı filmle tutturulan esnek bir polimer modüle entegre edilmiş amorf ince film güneş hücresidir. ABD'li bir şirket, bakır indiyum galyum selenit (CIGS) teknolojisini kullanarak tek katmanlı TPO membranlarda bina entegre modüller için %17'lik bir hücre verimliliği elde etmiştir.

Eğimli çatılar

Güneş enerjili çatı kiremitleri, entegre güneş modüllerine sahip (seramik) çatı kiremitleridir. Seramik güneş enerjili çatı kiremiti, 2013 yılında Hollandalı bir şirket tarafından geliştirilmiş ve patentlenmiştir.

Çeşitli çatı kiremitlerine benzeyen modüller.

Güneş enerjili kiremitler, normal kiremitlere benzeyen ve aynı işlevi gören, ancak esnek ince film hücreleri içeren modüllerdir.

Bu ürünler, yalıtım malzemelerini ve membranları UV ışınlarından ve su hasarından koruyarak çatıların normal ömrünü uzatır. Ayrıca, çiğlenme noktasını çatı membranının üzerinde tutarak yoğuşmayı önlerler.

Metalik eğimli çatılar (hem yapısal hem de mimari amaçlı) artık ya bağımsız esnek bir modülün yapıştırılmasıyla ya da CIGS hücrelerinin doğrudan alt tabakaya ısı ve vakumla kapatılmasıyla fotovoltaik (PV) fonksiyonlarla donatılıyor.

cephe

Mevcut binalara cephe kaplamaları eklenerek, binalara tamamen yeni bir görünüm kazandırılabilir. Bu modüller, binanın cephesine mevcut yapının üzerine monte edilerek, binanın çekiciliğini ve yeniden satış değerini artırabilir.

cam

Fotovoltaik pencereler, genellikle cam veya benzeri malzemelerden yapılan pencere ve çatı pencereleri gibi bir dizi mimari elemanın yerini alabilen (yarı) saydam modüllerdir. Sadece elektrik enerjisi üretmekle kalmaz, aynı zamanda mükemmel ısı yalıtım özellikleri ve güneş radyasyonunu kontrol etme yetenekleri sayesinde daha fazla enerji tasarrufu da sağlayabilirler.

Fotovoltaik cam pencereler: Enerji üreten teknolojilerin konut ve ticari binalara entegrasyonu, nihai ürünün genel estetiğine daha fazla önem veren ek araştırma alanları açmıştır. Amaç yüksek verimlilik elde etmek olsa da, fotovoltaik pencerelerdeki yeni gelişmeler, tüketicilere optimum düzeyde cam şeffaflığı ve/veya çeşitli renkler arasından seçim yapma seçeneği sunmayı da hedeflemektedir. Farklı renklerdeki güneş panelleri, daha geniş spektrumdan belirli dalga boyu aralıklarını en iyi şekilde emmek üzere tasarlanabilir. Yarı saydam, perovskit ve boya duyarlı güneş hücreleri kullanılarak renkli fotovoltaik cam başarıyla geliştirilmiştir.

• Fabry-Pérot-Etalon teknolojisi kullanılarak renkli ışığı emen ve yansıtan plazmonik güneş pilleri geliştirilmiştir. Bu piller, iki paralel, yansıtıcı metal film ve aralarındaki dielektrik boşluk filminden oluşur. İki elektrot gümüşten (Ag) yapılmıştır ve aralarındaki boşluk Sb₂O₃'ten yapılmıştır. Dielektrik boşluğun kalınlığı ve kırılma indisi değiştirilerek, en iyi emilen dalga boyu değiştirilir. Emilim katmanı camının rengini, pilin kalınlığı ve kırılma indisinin en uygun olduğu spektrumun belirli bir bölümüyle eşleştirmek, hem pilin estetiğini rengini yoğunlaştırarak iyileştirir hem de fotoakım kayıplarını en aza indirir. Kırmızı ve mavi ışık cihazları sırasıyla %34,7 ve %24,6 geçirgenlik elde etmiştir. Mavi cihazlar, emilen ışığın %13,3'ünü elektriğe dönüştürebilir ve bu da onları geliştirilen ve test edilen tüm renkli cihazlar arasında en verimli hale getirir.
• Perovskit güneş pili teknolojisi, metalik nanotellerin kalınlığının sırasıyla 8, 20 ve 45 nm'ye değiştirilmesiyle kırmızı, yeşil ve mavi dalga boyları için ayarlanabilir. Cam yansıtma oranının, ilgili hücrenin en uygun olduğu dalga boyuna ayarlanmasıyla sırasıyla %10,12, %8,17 ve %7,72'lik maksimum güç verimlilikleri elde edilmiştir.
• Boya duyarlı güneş pilleri, tıpkı bitkilerde fotosentezi sağlayan doğal pigmentler gibi, ışığı yakalamak ve kullanılabilir enerjiye dönüştürmek için sıvı elektrolitler kullanır. Klorofil, yapraklardaki yeşil renkten sorumlu olan özel pigment iken, karotenoidler ve antosiyaninler gibi diğer doğal olarak oluşan pigmentler, turuncu ve mor tonlarının varyasyonlarını üretir. Concepción Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, hem canlı görünen hem de belirli ışık dalga boylarını seçici olarak emen boya duyarlı renkli güneş pillerinin uygulanabilirliğini göstermiştir. Bu düşük maliyetli çözüm, duyarlılaştırıcı olarak maqui meyvesi, siyah mersin ve ıspanaktan elde edilen doğal pigmentler kullanır. Bu doğal duyarlılaştırıcılar daha sonra iki şeffaf cam katmanı arasına yerleştirilir. Bu özellikle ucuz pillerin verimliliği henüz net olmasa da, organik boya duyarlı güneş pilleri üzerine yapılan önceki araştırmalar "yüksek bir güç dönüşüm verimliliği olan %9,8"e ulaşmıştır.

Şeffaf güneş pilleri, elektriği iletmek için cam panellerin iç kısmında kalay oksit kaplama kullanır. Pil, fotoelektrik boya ile kaplanmış titanyum oksit içerir.

Geleneksel güneş pillerinin çoğu elektrik üretmek için görünür ve kızılötesi ışık kullanır. Buna karşılık, bu yenilikçi güneş pili ultraviyole radyasyondan da yararlanır. Geleneksel pencere camının yerine veya mevcut camın üzerine yerleştirilirse, kurulum alanı geniş olabilir ve bu da enerji üretimi, aydınlatma ve sıcaklık kontrolünü birleştiren potansiyel uygulamalara yol açabilir.

Şeffaf fotovoltaikler için kullanılan bir diğer terim ise "yarı saydam fotovoltaikler"dir (bunlar gelen ışığın sadece yarısının geçmesine izin verir). İnorganik fotovoltaiklere benzer şekilde, organik fotovoltaikler de yarı saydam olabilir.

Dalga boyuna duyarlı olmayan

Bazı dalga boyu seçici olmayan fotovoltaik sistemler, opak güneş hücrelerinin uzamsal olarak bölümlenmesi yoluyla yarı saydamlık elde eder. Bu yöntem, herhangi bir opak güneş hücresi türünü kullanır ve birkaç küçük hücreyi şeffaf bir alt tabaka üzerine dağıtır. Bu bölümlenme, enerji dönüşüm verimliliğini önemli ölçüde azaltır ve iletimi artırır.

Dalga boyu seçici olmayan fotovoltaiklerin bir diğer dalı, ışığın geçmesine izin veren ince kalınlıklara veya yeterince büyük bant aralıklarına sahip, görünür ışığı emen ince film yarı iletkenler kullanır. Bu, uzamsal olarak bölümlere ayrılmış opak güneş pillerine benzer şekilde verimlilik ve iletim arasında doğrudan bir denge sağlayan yarı saydam fotovoltaiklerle sonuçlanır.

Dalga boyu seçici olmayan fotovoltaiklerin bir diğer dalı, düşük kalınlığa sahip veya ışığın geçmesine izin veren yeterince büyük bant aralıklarına sahip, görünür ışığı emen ince film yarı iletkenler kullanır. Bu, uzamsal olarak bölümlere ayrılmış opak güneş pillerine benzer şekilde verimlilik ve iletim arasında doğrudan bir dengeye sahip yarı saydam fotovoltaikler ortaya çıkarır.

dalga boyu seçici fotovoltaikler

Dalga boyu seçici fotovoltaikler (WSPV), yalnızca UV ve/veya NIR ışığını emen malzemelerin kullanımıyla şeffaflık sağlar ve ilk olarak 2011 yılında tanıtılmıştır. Daha yüksek geçirgenliğe rağmen, bir dizi sorun nedeniyle enerji dönüşüm verimlilikleri daha düşüktür. Bunlar arasında kısa eksiton difüzyon uzunlukları, verimlilikten ödün vermeden şeffaf elektrotların ölçeklendirilmesi ve WSPV'lerde kullanılan organik malzemelerin doğasında var olan kararsızlık nedeniyle genel ömür yer almaktadır.

Şeffaf ve yarı saydam fotovoltaik alanındaki yenilikler

Görünür spektrumda soğurma yapan çok ince aktif katmanlara sahip, dalga boyu seçici olmayan yarı saydam organik fotovoltaiklerin geliştirilmesine yönelik ilk girişimler %1'den daha düşük verimlilikler elde etti. Bununla birlikte, 2011 yılında, organik kloroalüminyum ftalosiyanin (ClAlPc) verici ve fullerene alıcı kullanan şeffaf organik fotovoltaikler, ultraviyole ve yakın kızılötesi (NIR) spektrumda yaklaşık %1,3 verimlilik ve %65'i aşan görünür ışık geçirgenliği ile soğurma gösterdi. 2017 yılında, MIT araştırmacıları, şeffaf grafen elektrotlarını organik güneş pillerine başarılı bir şekilde yerleştirmek için bir yöntem geliştirdi ve bu da %61 görünür ışık geçirgenliği ve %2,8-4,1 arasında iyileştirilmiş verimliliklerle sonuçlandı.

%25'in üzerinde verimliliğe sahip yeni nesil fotovoltaikler olarak oldukça popüler olan perovskit güneş pilleri, şeffaf fotovoltaikler için de umut vaat ediyor. 2015 yılında, metilamonyum kurşun triiyodür perovskit ve gümüş nanotel ızgara üst elektrotlu yarı saydam bir perovskit güneş pili, 800 nm dalga boyunda %79'luk bir geçirgenlik ve yaklaşık %12,7'lik bir verimlilik sergiledi.