GiPV: Kısmen şeffaf güneş modüllerine sahip binaya entegre fotovoltaikler – binaya entegre fotovoltaikler

Binaya entegre fotovoltaikler - GiPV (Binaya entegre fotovoltaikler - BIPV), çatı, çatı pencereleri veya cephe gibi bina kabuğunun bazı kısımlarında geleneksel yapı malzemelerinin yerini alan fotovoltaik malzemelerdir. Mevcut binalar da benzer teknolojiyle donatılabilse de, ana veya ikincil elektrik kaynağı olarak yeni binaların inşasına giderek daha fazla entegre ediliyorlar. Entegre fotovoltaiklerin alışılagelmiş entegre olmayan sistemlere göre avantajı, BIPV modüllerinin yerini aldığı binanın bir kısmını inşa etmek için normalde gerekli olacak inşaat malzemeleri ve işçilik harcamalarının azaltılmasıyla başlangıç ​​maliyetlerinin dengelenebilmesidir. Buna ek olarak BIPV, binanın estetiğinin endişe verici olduğu ve geleneksel rafa monte güneş panellerinin binanın amaçlanan görünümünü bozacağı durumlarda güneş enerjisi kurulumlarının daha geniş çapta benimsenmesine olanak tanır.

Binaya entegre fotovoltaikler için BAPV (Binaya uygulanan fotovoltaikler) terimi bazen daha sonra binaya entegre edilen fotovoltaik sistemleri ifade etmek için kullanılır. Binaya entegre sistemlerin çoğu aslında BAPV'dir. Bazı üreticiler ve inşaatçılar yeni binalar için BIPV ve BAPV arasında ayrım yapmaktadır.

Binalar için PV uygulamaları 1970'lerde ortaya çıktı. Alüminyum çerçeveli fotovoltaik paneller, genellikle elektrik şebekesine erişimi olmayan uzak bölgelerde bulunan binalara bağlandı veya monte edildi. 1980'li yıllarda çatılara fotovoltaik modüller yerleştirilmeye başlandı. Bu PV sistemleri tipik olarak elektrik şebekesine bağlı ve merkezi enerji santrallerinin bulunduğu bölgelerde bulunan binalara kuruldu. 1990'lı yıllarda, özellikle bina kabuğuna entegre edilmek üzere tasarlanan BIPV yapı ürünleri ticari olarak satışa sunuldu. Patrina Eiffert'in 1998 yılında yazdığı BIPV'nin Ekonomik Değerlendirmesi başlıklı doktora tezi, bir gün yenilenebilir enerji kredilerinin (REC'ler) ticaretinin ekonomik bir değerinin olacağı hipotezini öne sürüyordu. ABD Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı tarafından 2011 yılında yapılan bir ekonomik değerlendirme ve BIPV'nin geçmişine ilişkin kısa bir inceleme, BIPV kurulum maliyetlerinin fotovoltaik sistemlerle rekabet edebilmesi için hala aşılması gereken önemli teknik zorlukların bulunduğunu göstermektedir. Bununla birlikte, BIPV sistemlerinin yaygın ticarileşme yoluyla 2020 yılına kadar Avrupa'nın Sıfır Enerjili Bina (ZEB) hedefinin omurgasını oluşturacağı konusunda giderek artan bir fikir birliği var. Umut verici teknik olanaklara rağmen, inşaat sektörünün muhafazakar kültürü ve yüksek yoğunluklu kentsel planlamaya entegrasyon gibi yaygın kullanımın önündeki sosyal engeller de tespit edilmiştir. Yazarlar, uzun vadeli kullanımın muhtemelen teknik gelişmeye olduğu kadar etkili politika kararlarına da bağlı olduğuna dikkat çekiyor.

Kısmen şeffaf güneş modülleri, binaya entegre fotovoltaiklerin (BIPV) mimariye ve şehir planlamasına entegre edilmesi için ilginç bir fırsat sunuyor. Bu yeni tür güneş enerjisi üretimi, gelecekte dünya çapında elektrik üretiminin önemli bir parçası olacak gibi görünüyor.

Kısmen şeffaf güneş modüllerine sahip binaya entegre fotovoltaikler, enerji verimli binaların inşası için cazip bir seçenektir. Bu teknoloji, binanın dış cephesini iyileştirirken enerji tedarik maliyetlerinin azaltılmasına da yardımcı olabilir.

Ayrıca gün ışığını binanın iç kısmına yönlendirmek için yarı şeffaf güneş modülleri de kullanılabilir. Bu sadece enerji tasarrufu sağlamakla kalmaz, aynı zamanda yapay aydınlatmanın maliyetini de azaltır.

Özetle binaya entegre fotovoltaiklerin oldukça verimli ve çok yönlü bir yenilenebilir enerji türü olduğu söylenebilir. Binaların enerji arzını sürdürülebilir bir şekilde iyileştirme potansiyeline sahiptir.

Yere monteli ve çatı üstü enerji santralleri için kristal silikondan yapılmış güneş modülleri.

Cam cephe ve şeffaf tavan penceresi olarak içi boş, açık, kırmızı, mavi ve sarı olabilen amorf kristal silikon ince film güneş PV modülleri.

Bina kaplama elemanı üzerine lamine edilen esnek modüller üzerindeki CIGS bazlı (bakır-indiyum-galyum-selenit) ince film hücreler veya CIGS hücreleri doğrudan bina kaplama alt katmanına monte edilir.

İçinde kare hücreli çift camlı güneş panelleri.

Düz raflar

Bugüne kadar en yaygın olarak kullanılan çözüm, güneş modülünün arka filmi ile çatı su yalıtımı arasında yapışkan bir filmle sabitlenen, esnek bir polimer modüle entegre edilmiş amorf ince film güneş pilidir. Bakır indiyum galyum selenit (CIGS) teknolojisini kullanan bir ABD şirketi, tek katmanlı TPO membranlarda binaya entegre modüller için %17 hücre verimliliği elde edebilir.

Eğimli çatılar

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

Birkaç çatı kiremitine benzeyen modüller.

Solar kiremitler, normal kiremitler gibi görünen ve işlev gören, ancak esnek bir ince film hücresi içeren panellerdir.

Yalıtımı ve membranları UV radyasyonundan ve su hasarından koruyarak çatıların normal ömrünü uzatırlar. Çiy noktası çatı membranının üzerinde tutulduğu için yoğuşma da önlenir.

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

cephe

Cepheler mevcut binalara eklenebilir ve eski binalara tamamen yeni bir görünüm kazandırılabilir. Bu modüller mevcut yapı üzerinden binanın cephesine bağlanarak binanın çekiciliğini ve yeniden satış değerini artırabilir.

cam

Fotovoltaik pencereler, genellikle camdan veya benzer malzemelerden yapılmış bir dizi mimari elemanın yerini alabilen (yarı) şeffaf modüllerdir; örneğin: B. Pencereler ve tavan pencereleri. Sadece elektrik enerjisi üretmekle kalmaz, aynı zamanda mükemmel ısı yalıtım özellikleri ve güneş ışınımı kontrolü sayesinde daha fazla enerji tasarrufu da sağlayabilirler.

Fotovoltaik cam pencereler: Enerji üretim teknolojilerinin konut ve ticari binalara entegrasyonu, son ürünün genel estetiğine daha fazla önem veren ek araştırma alanları açmıştır. Hedef yüksek verimlilik elde etmek olsa da, fotovoltaik pencerelerdeki yeni gelişmeler aynı zamanda tüketicilere optimum düzeyde cam şeffaflığı ve/veya bir dizi renk arasından seçim yapma yeteneği sağlamayı da amaçlamaktadır. Farklı renkli güneş panelleri, daha geniş spektrumdan belirli dalga boyu aralıklarını en iyi şekilde absorbe edecek şekilde tasarlanabilir. Renkli fotovoltaik cam, yarı şeffaf, perovskit ve boyaya duyarlı güneş pilleri kullanılarak başarıyla geliştirildi.

• Renkli ışığı emen ve yansıtan plazmonik güneş pilleri Fabry-Pérot-Etalon teknolojisi kullanılarak geliştirildi. Bu hücreler "iki paralel, yansıtıcı metal film ve bunların arasında bir dielektrik boşluk filminden" oluşur. İki elektrot Ag'den yapılmıştır ve aralarındaki boşluk Sb2O3'ten yapılmıştır. Dielektrik boşluğun kalınlığının ve kırılma indisinin değiştirilmesi, en iyi emilen dalga boyunu değiştirir. Absorbsiyon katmanı camının rengini, hücrenin kalınlığının ve kırılma indeksinin en iyi şekilde eşleştirildiği spektrumun belirli bir kısmıyla eşleştirmek, hem rengini yoğunlaştırarak hem de fotoakım kayıplarını en aza indirerek hücrenin estetiğini artırır. Kırmızı ve mavi ışıklı cihazlarda sırasıyla %34,7 ve %24,6 geçirgenlik elde edildi. 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.
• Perovskite güneş pili teknolojisi, metalik nanotellerin kalınlığını sırasıyla 8, 20 ve 45 nm'ye değiştirerek kırmızı, yeşil ve maviye ayarlanabiliyor. Cam yansımasının her hücrenin en uygun olduğu dalga boyuna ayarlanmasıyla %10,12, %8,17 ve %7,72'lik maksimum güç verimliliği elde edildi.
• Boya güneş pilleri, ışığı yakalamak ve onu kullanılabilir enerjiye dönüştürmek için sıvı elektrolitler kullanır; bu, doğal pigmentlerin bitkilerde fotosentezi mümkün kılmasına benzer şekilde gerçekleşir. Klorofil, yapraklardaki yeşil renkten sorumlu spesifik pigment olsa da, karotenoidler ve antosiyaninler gibi doğal olarak oluşan diğer pigmentler, turuncu ve mor renk çeşitleri üretir. Concepcion Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, hem görünen hem de ışığın belirli dalga boylarını seçici olarak emen, boyaya duyarlı renkli güneş pillerinin yaşayabilirliğini gösterdi. Bu uygun maliyetli çözüm, hassaslaştırıcı olarak maki meyvesi, kara mersin ve ıspanaktan elde edilen doğal pigmentleri kullanır. Bu doğal hassaslaştırıcılar daha sonra iki şeffaf cam katmanı arasına yerleştirilir. Özellikle düşük maliyetli olan bu hücrelerin verimliliği hala belirsiz olsa da, organik boya hücreleri alanında yapılan önceki araştırmalar "%9,8'lik yüksek güç dönüşüm verimliliği" elde etmeyi başarmıştı.

Şeffaf güneş pilleri, elektriği hücreden dışarı iletmek için cam panellerin iç kısmında kalay oksit kaplama kullanır. Hücre, fotoelektrik boyayla kaplanmış titanyum oksit içerir.

Geleneksel güneş pillerinin çoğu, elektrik üretmek için görünür ve kızılötesi ışık kullanır. Bunun aksine, yenilikçi yeni güneş pili aynı zamanda ultraviyole ışınımı da kullanıyor. Geleneksel pencere camının yerine kullanıldığında veya camın üzerine yerleştirildiğinde kurulum alanı geniş olabilir ve bu da enerji üretimi, aydınlatma ve sıcaklık kontrolünün birleşik işlevlerini kullanan potansiyel uygulamalara yol açabilir.

Şeffaf fotovoltaiklerin bir diğer adı da “yarı saydam fotovoltaiklerdir” (üzerlerine düşen ışığın yalnızca yarısının geçmesine izin verirler). İnorganik fotovoltaiklere benzer şekilde organik fotovoltaikler de yarı saydam olabilir.

Dalga boyu seçici değil

Dalga boyu seçici olmayan bazı fotovoltaik sistemler, opak güneş hücrelerinin mekansal bölümlenmesi yoluyla yarı şeffaflığa ulaşır. Bu yöntem herhangi bir opak güneş pilini kullanır ve birkaç küçük hücreyi şeffaf bir alt tabaka üzerine dağıtır. Bu bölünme, enerji dönüşümünün verimliliğini büyük ölçüde azaltır ve iletimi artırır.

Dalga boyu seçici olmayan fotovoltaiklerin başka bir dalı, ışığın geçmesine izin verecek kadar küçük kalınlıklara veya yeterince büyük bant aralıklarına sahip, gözle görülür şekilde emici ince film yarı iletkenleri kullanır. Bunlar, mekansal olarak bölümlenmiş opak güneş pilleri ile verimlilik ve iletim arasında benzer bir doğrudan değiş tokuşa sahip yarı şeffaf fotovoltaiklerle sonuçlanır.

Dalga boyu seçici olmayan fotovoltaiklerin başka bir dalı, ışığın geçmesine izin veren, küçük kalınlıklara veya yeterince büyük bant aralıklarına sahip, gözle görülür şekilde soğuran ince film yarı iletkenleri kullanır. Bu, mekansal olarak bölümlenmiş opak güneş pilleri gibi verimlilik ve iletim arasında benzer bir doğrudan uzlaşmaya sahip yarı şeffaf fotovoltaiklere yol açar.

Dalga boyu seçici fotovoltaikler

Dalga boyu seçici fotovoltaikler, yalnızca UV ve/veya NIR ışığını emen malzemelerin kullanımı yoluyla şeffaflığa ulaşır ve ilk kez 2011'de piyasaya sürüldü. Geçirgenliğin yüksek olmasına rağmen bir takım problemlerden dolayı enerji dönüşüm verimleri daha düşüktür. Bunlar arasında küçük eksiton difüzyon uzunlukları, şeffaf elektrotların verimlilikten ödün vermeden ölçeklendirilmesi ve genel olarak TPV'lerde kullanılan organik malzemelerin kararsızlığı nedeniyle genel kullanım ömrü yer alır.

Şeffaf ve yarı saydam fotovoltaiklerdeki yenilikler

Görünür spektrumda soğuran çok ince aktif katmanlara sahip, dalga boyu seçici olmayan yarı şeffaf organik fotovoltaiklerin geliştirilmesine yönelik ilk girişimler, yalnızca %1'den daha düşük verimlilik elde edebildi. Bununla birlikte, 2011 yılında, organik kloroalüminyum ftalosiyanin donörü (ClAlPc) ve fulleren alıcıya sahip şeffaf organik fotovoltaikler, %1,3 civarında verimlilik ve %65'in üzerinde görünür ışık geçirgenliği ile ultraviyole ve yakın kızılötesi (NIR) spektrumunda soğurma gösterdi. 2017 yılında MIT araştırmacıları, şeffaf grafen elektrotları organik güneş pilleri üzerine başarılı bir şekilde yerleştirmek için bir yöntem geliştirdi; bu yöntem, %61 görünür ışık geçirgenliği ve %2,8-4,1 oranında artırılmış verimlilik sağladı.

Verimliliği %25'i aşan yeni nesil fotovoltaikler arasında oldukça popüler olan Perovskit güneş pilleri de şeffaf fotovoltaikler için umut vaat ediyor. 2015 yılında, metilamonyum kurşun triiyodür perovskit ve gümüş nanotel ızgara üst elektrotu kullanan yarı şeffaf bir perovskit güneş pili, 800 nm dalga boyunda %79'luk bir geçirgenlik ve yaklaşık %12,7'lik bir verimlilik gösterdi.