Czytaj także -

Aktualne wydanie

2019 10 oladka

       10/2019

 

20190444Swiat-Szkla-V4B-BANNER-160x600-PLEDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK

EDG Swiat Szkla Skyscraper 160x600 BAU OK 

 

facebook12

czytaj newsy Świata Szkła

- więcej szklanej architektury

 

Baztech

Miesięcznik Świat Szkła

indeksowany jest w bazie

czasopism technicznych

 

 

Wydanie Specjalne

 

Fasady przeszklone termika akustyka odpornosc ogniowa 2016

 

okna pasywne 2015a

 

Fotowoltaika w architekturze okladka

 

20140808Przegrody przeciwpozarowe

 

konstrukcje szklane

 

20140533 Konstrukcje przeszklone 2

 

katalog 2018 a

 

banner konferencja 04 2019

 RODO

 LiSEC SS Konfig 480x120

 

 GP19-480x105px

 

 GLASS 480X120

 

* Energooszczędność, komfort i efekty specjalne
Data dodania: 13.03.12

 

Szkło z elementami fotowoltaicznymi

Nowe strategie projektowania architektury są próbą znalezienia równowagi między potrzebami rozwijającej się cywilizacji, postępem technologii a ochroną środowiska. W nowoczesnych budynkach szczególną rolę odgrywają zewnętrzne przegrody. W ich odpowiednim ukształtowaniu wykorzystuje się szereg zaawansowanych technologii.

 

Jedną z nich jest fotowoltaika (PV) – innowacyjna technologia solarna. Jest to jedyna technologia odnawialnych źródeł energii, której urządzenia można wyprodukować w postaci elementów trwale zintegrowanych z konwencjonalnym materiałem budowlanym [1].

 

Rezultatem jest innowacyjny, wielofunkcyjny produkt, jak np. szkło fotowoltaiczne.

 

Fot. 1. Szklane moduły dla zastosowań budowlanych, prod. VIDURSOLAR. (fot. http://www.vidursolar.com

 

Zasady
O fotowoltaice napisano, iż jest to prawdziwie elegancka metoda generowania energii elektrycznej na miejscu, bezpośrednio ze Słońca, bez szkody dla środowiska. Podstawowym urządzeniem jest ogniwo fotowoltaiczne. Ogniwa połączone ze sobą w hermetycznej obudowie tworzą moduł PV, który stanowi bazowy element dla zastosowań budowlanych. Większa ilość modułów wraz z elementami instalacji elektrycznej tworzy kompletny system fotowoltaiczny.

 

Technologia jest stosunkowo nowa – pierwsze praktyczne zastosowanie miało miejsce w latach 60. XX wieku, gdy NASA wykorzystała ogniwa w sztucznych satelitach. W latach 80. stwierdzono, iż to na budynkach powinno się umieszczać fotowoltaikę.

 


Pierwsze realizacje polegające na nakładaniu niewielkich paneli na dachy istniejących obiektów były zarówno mało efektywne, jak i mało efektowne. Zupełnie nowe możliwości pojawiły się, gdy moduły zintegrowano bezpośrednio ze strukturą budynku. Innowacyjną technologię nazwano Building Integrated Photovoltaics – BiPV.

 

Wkrótce integracja poszła jeszcze dalej. W roku 1991 firma FLACHGLAS osadziła ogniwa w transparentnej żywicy, pomiędzy dwiema warstwami szkła izolacyjnego [6], które wykorzystano w fasadzie budynku w Aachen. Od tej pory rynek materiałów BiPV znacznie się rozwinął i dziś mamy do dyspozycji szeroką gamę rozwiązań.

 

Fot. 2. Szklana fasada fotowoltaiczna na budynku WSPiA, Rzeszów. (fot. http://www.wspia.eu)

 

Technika
W wyniku integracji z budynkiem moduł fotowoltaiczny staje się innowacyjnym materiałem budowlanym. Jego największą zaletą jest wielofunkcyjność. Jako integralny komponent powłoki nie tylko generuje energię elektryczną, ale też przejmuje dodatkowe funkcje: zabezpiecza strefę wewnętrzną, chroni przed warunkami atmosferycznymi, reguluje przepływ energii przez przegrodę, kształtuje jej estetykę.

 

Szkło fotowoltaiczne można zastosować w zasadzie w każdym miejscu powłoki, pod warunkiem, że będzie odpowiednio wystawione na działanie promieniowania słonecznego. Zwykłe rozwiązania polegają na użyciu najtańszych, masowo wytwarzanych, standardowych modułów ze szklaną obudową, jednak dla zastosowań architektonicznych produkowane są materiały o znacznie bardziej wyspecjalizowanych właściwościach (fot. 1). Na zamówienie można też dobierać poszczególne komponenty i parametry.

 

Jak dotąd najbardziej popularne są moduły z ogniwami krzemowymi. Monokrystaliczne (m-Si) lub polikrystaliczne (p-Si) ogniwa są zalaminowane pomiędzy szkłem i specjalną folią (tzw. laminaty typu szkło-folia) lub dwiema taflami szkła (tzw. laminaty/moduły typu szkło-szkło). Technologie krystaliczne charakteryzują się najwyższymi sprawnościami energetycznymi (m-Si - 19%, p-Si - 15%).

 

Wadą dla zastosowań budowlanych jest wrażliwość na wysoką temperaturę. Wraz z jej wzrostem maleje wydajność, dlatego moduły wymagają chłodzenia. Najkorzystniejszym rozwiązaniem są w tym wypadku struktury wielowarstwowe, wentylowane – tzw. „zimne” fasady.

 

Dużą zaletą technologii BiPV jest możliwość integracji ogniw z różnymi rodzajami szkła budowlanego [6]. Dla zapewnienia lepszych właściwości termalnych ogniwa integruje się z szybami zespolonymi, a tam, gdzie istnieje ryzyko zranienia – ze szkłem bezpiecznym.

 

Jednym z najnowszych przykładów zastosowania laminowanego szkła bezpiecznego z ogniwami fotowoltaicznymi jest budynek WSPiA w Rzeszowie (fot. 2). Można wykorzystać także szkło rozpraszające światło, antywłamaniowe, kuloodporne itd., nawet gięte, organiczne.

 

Alternatywą dla materiałów krystalicznych są moduły cienkowarstwowe z ogniwami z krzemu amorficznego (a-Si) i selenku indowo-miedziowego (CIS, CIGS). Bazowym materiałem jest zwykłe szkło okienne, na którym osadzany jest bardzo cienki materiał półprzewodnikowy. Po zalaminowaniu z drugą taflą szkła powstaje hermetyczny moduł.

 

Mimo niższej sprawności energetycznej (a-Si – 7%, CIS – 11%) materiały cienkowarstwowe są atrakcyjne dla zastosowań architektonicznych, m.in. ze względu na niezawodność w gorszych warunkach oświetlenia i mniejszą wrażliwość na wysokie temperatury. Coraz większą popularność zyskują w ostatnich latach moduły CIS z charakterystyczną, czarną, jednolitą powierzchnią (fot. 3).

 

Najbardziej atrakcyjnym i wielofunkcyjnym materiałem jest częściowo transparentne szkło BiPV [6]. Jak dotąd żadna z technologii nie pozwala na całkowitą przezroczystość materiału. Transparentność rzędu 10-30% (max. 50%) można uzyskać w różny sposób.

 

Nieprzeźroczyste ogniwa c-Si rozstawia się na większą odległość od siebie (fot. 4). Światło przedostaje się pomiędzy nimi, co powoduje charakterystyczne efekty wizualne – dynamiczne kontrasty światła i cienia.

 

Dodatkowo ogniwa można perforować. Taki materiał zastosował w jednym z budynków Frank O’Gehry, który wspólnie z producentem ogniw zaprojektował perforację z odpowiednio rozmieszczonymi okrągłymi otworami średnicy 2 mm.

 

Inny rezultat osiągnie się stosując częściowo transparentne z natury materiały cienkowarstwowe. Po nałożeniu materiału półprzewodnikowego na szklane podłoże laserem można go usunąć w niektórych miejscach. Najczęściej powstają naprzemienne pasy przeźroczyste i nieprzeźroczyste, możliwe są także różnego kształtu otwory np. okrągłe, kwadratowe, rombowe.

 

Fot. 3. Czarna fasada z modułów CIS – Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik, Berlin Adlershof. (fot. http://www.woche-der-umwelt.de)

 

Ekologia

Szkło fotowoltaiczne może odgrywać istotną rolę w spełnianiu różnych postulatów architektury proekologicznej. Holistyczne podejście do projektowania budynku i jego komponentów wymaga oceny całego cyklu życia: od wydobycia surowców, przez projektowanie, produkcję elementów, użytkowanie, aż po demontaż i zagospodarowanie odpadów.

 

Ekologicznej oceny cyklu życia technologii PV dokonano wielokrotnie – najnowsze wyniki badań jasno wskazują, iż większych zagrożeń dla środowiska nie ma. Z pewnością jednak, jeśli fotowoltaika ma stać się przemysłem globalnym, dotychczasowe standardy trzeba będzie podwyższyć.

 

Odpowiednie użycie szkła fotowoltaicznego może pozytywnie wpływać zarówno na bilans energetyczny budynku, jak i komfort jego użytkowników. Wykorzystując odnawialne, darmowe, w skali ludzkiej niewyczerpalne promieniowanie słoneczne, generuje ono czystą elektryczność, którą można wykorzystać na miejscu lub sprzedać do sieci energetycznej.

 

Efektem ubocznym procesu konwersji fotowoltaicznej jest powstanie niewielkich ilości ciepła, które także można odzyskać i użyć do konkretnych celów. Częściowo transparentne materiały dodatkowo przepuszczają pewną ilość światła i ciepła. Szklana fasada BiPV w budynku SMA w Niestetal jest jednym z wielu przykładów efektywnego połączenia pasywnej i aktywnej metody pozyskiwania energii słonecznej (fot. 4).

 

Zorientowana idealnie w kierunku południowym, nachylona pod odpowiednim kątem, produkuje zieloną energię i reguluje warunki mikroklimatu we wnętrzu.

 

Dla osiągnięcia optymalnych rezultatów system fotowoltaiczny powinien być podzespołem bardziej złożonej koncepcji energetycznej. W praktyce odpowiednie rozwiązania pozwoliły niejednokrotnie uzyskać standard budynku niskoenergetycznego, zeroenergetycznego, zrealizowano nawet obiekty o dodatnim  bilansie energetycznym [4, 5].

 

W centrum badawczo-rozwojowym Suntech, pierwszym zeroenergetycznym budynku w Chinach, jednym z elementów systemu energetycznego jest semitransparentna szklana fasada BiPV o powierzchni 20 000 m2.

 

System o mocy 1 MW generuje rocznie ponad 1 mln kWh energii, co pozwala ograniczyć emisje CO2 o ponad 600 ton w skali roku.

 

Szkło fotowoltaiczne wykorzystywane jest nawet w obiektach historycznych w ramach termomodernizacji czy rewitalizacji. W Francji, na bazie ruin XI-wiecznego, kamiennego kościoła powstał intrygujący budynek, w którym dla poprawy warunków klimatu we wnętrzu wykonano częściowo transparentną, podwójną szklaną fasadę BiPV ze szkłem izolacyjnym [5].

 

Korzystnym rozwiązaniem jest połączenie ogniw ze szklanymi systemami zacieniającymi. Ustawione idealnie względem Słońca elementy zapewniają wysokie zyski energetyczne. Jednocześnie regulują oświetlenie wnętrza światłem dziennym i chronią od przegrzania.

 

Optymalizują zatem komfort użytkownika i pozwalają ograniczyć zużycie energii konwencjonalnej na potrzeby ogrzewania, oświetlenia, chłodzenia i wentylacji. Najbardziej efektywne są systemy ruchome podążające za Słońcem. Dodatkowo można  zastosować folie holograficzne, które selekcjonują promieniowanie i tworzą ciekawe, dynamiczne efekty wizualne – zmieniające się tęczowe kolory (fot. 5).

 

 

Fot. 4. Semitransparentna fasada BiPV – SMA Solar Technologie AG, Niestetal (fot. Magdalena Muszyńska-Łanowy)

 

Fot. 5. Szklane lamele przeciwsłoneczne z ogniwami PV i folią holograficzną – SCHEUTEN SOLAR, Gelsenkirchen (fot. Magdalena Muszyńska-Łanowy)

 

Estetyka
Estetyka technologii BiPV jest szczególnie ważna. Dla architekta często bardziej niż kwestie funkcjonalne czy techniczne. Zastosowanie szkła fotowoltaicznego wpływa na odbiór wizualny budynku, jego ukształtowanie przestrzenne i plastyczne [2].

 

Instalacje fasadowe są najbardziej widoczne, stanowią więc szczególne wyzwanie dla projektantów. Odpowiednie ustawienie względem Słońca wiąże się z wyeksponowaniem elementów BiPV, co objawia się np. wydłużeniem lub nachyleniem fasady od strony południowej.

 

Przestrzenny charakter elewacji zależy też od sposobu umieszczenia szklanych modułów PV – w płaszczyźnie ściany, w pewnym oddaleniu, równolegle lub pod innym kątem. W niektórych wypadkach zatracony zostaje tradycyjny podział na elewacje i dach, budynek pokrywa wówczas jedna wielofunkcyjna skóra [2].

 

Wygląd całości zależy od odpowiedniej kompozycji modułów i doboru poszczególnych ich komponentów. Producenci zdali sobie sprawę ze znaczenia wyglądu materiałów fotowoltaicznych, dlatego dziś, obok standardowych rozwiązań na zamówienie, wytwarzane są materiały spełniające rozmaite wymagania projektantów. Mają oni do dyspozycji elementy różnej budowy, wielkości, kształtu, koloru.

 

Kolor jest jednym z najważniejszych elementów kształtujących wizualny aspekt materiału. Konkretne efekty determinuje przede wszystkim rodzaj ogniw. Ze względów ekonomicznych dominują kolory standardowe – ciemnoniebieski i czarny, ale dostępne są też inne, choć stosuje się je rzadziej ze względu na wysokie ceny i gorsze sprawności energetyczne. Niedawno na rynku pojawiły się pierwsze wysokoefektywne kolorowe ogniwa tajwańskiej firmy LOFTM Solar [3]. Innym sposobem jest zastosowanie kolorowego szkła w tylnej obudowie modułu (za ogniwami). Oferuje ona nieograniczone możliwości plastyczne, dzięki czemu powstają nawet wyjątkowo artystyczne realizacje z użyciem szkła barwionego, ornamentowego, z nadrukami, napisami itd.

 

Interesującym przykładem połączenia technologii medialnej i fotowoltaicznej jest szklana ściana osłonowa kompleksu rozrywkowego w Pekinie (fot. 6, 7).

 

Nieregularnie rozmieszczone ogniwa PV generują energię, która wykorzystywana jest do oświetlenia największego na świecie ekranu z kolorowymi diodami LED.

 

Niskiej rozdzielczości ekran prezentuje prostą grafikę artystyczną, jak np. dobowy cykl klimatyczny, występy na żywo i instalacje wideo. Zmienne zagęszczenie ogniw zwiększa efektywność energetyczną budynku zapewniając dostęp światła dziennego i redukują zyski ciepła z energii solarnej [8].

 

Fot. 6. GreenPIX – Zero Energy Media Wall, Pekin. Medialna fasada oferuje niezliczone możliwości dla artystycznych instalacji (fot. http://www.greenpix.org/)

 

Fot. 7. Szklana ściana osłonowa BiPV – Zero Energy Media Wall, Pekin. Ze wsparciem SCHUECO i SUNWAYS projektanci Simone Giostra & Partners wraz z Arup rozwinęli nową technologię laminowania ogniw polikrystalicznych ze szkłem, nadzorowali także produkcję pierwszych szklanych paneli przez chińską firmę SUNTECH (fot. http://www.greenpix.org/)

 

Przyszłość
Jakie będą rozwiązania w przyszłości? Trudno sobie nawet wyobrazić biorąc pod uwagę wyjątkowo szybki postęp technologii PV/BiPV. Testowane są m.in. materiały organiczne i nanokrystaliczne. KONARKA TECHNOLOGIES produkuje ogniwa organiczne na plastikowym podłożu. Technologia do niedawna wykorzystywana jedynie przez wojsko, obecnie jest poddawana eksperymentom architektonicznym (fot. 8).

 

W zakładzie w New Bedford zrealizowano pierwszą na świecie semitransparentną ścianę osłonową z ogniwami OPV. Lekkie, elastyczne, przejrzyste i kolorowe ogniwa wydają się obiecującym rozwiązaniem dla szklanych ścian osłonowych, m. in. ze względu na zdolność funkcjonowania w słabym i zmiennym oświetleniu oraz dobrą izolacyjność termiczną. Problemem jest niska sprawność energetyczna oraz podatność materiału na degradację.

 

Przedmiotem intensywnych badań są fotoelektrochemiczne ogniwa uczulone barwnikiem, które powstały w wyniku inspiracji procesem fotosyntezy. Ich wynalazca, Michael Grätzel z Politechniki w Lozannie, w 2010 r. otrzymał niezwykle ważną dla naukowca nagrodę Millenium Technology Price (fot. 9).

 

Ogniwa DSSC (ang. Dye-sensitised Solar Cells) składają się zazwyczaj z dwóch płyt szkła przewodzącego, pomiędzy którymi znajdują się nanowarstwy półprzewodnika pokrytego światłoczułym barwnikiem.

 

Do tej pory miały one zbyt niską dla praktycznych zastosowań wydajność sięgającą zaledwie kilku procent. Jesienią tego roku naukowcy ogłosili w magazynie „Science”, iż w wyniku użycia nowej kompozycji barwników (ruten i jodynę zastąpiono kobaltem i porfiryną) uzyskali ogniwo o zielonkawym odcieniu, którego sprawność energetyczna przekroczyła 12% [7].

 

Możliwości estetyczne technologii DSSC pokazała m.in. firma SONY prezentując na targach w Tokio prototypy kolorowych ogniw z motywem roślinnym uzyskanym techniką sitodruku (fot. 10).

 

Ogólnie, badania idą w kierunku zwiększenia wydajności ogniw, mniejszego zużycia materiału, ograniczenia toksycznych substancji i obniżenia kosztów. Kluczem do szerszego zastosowania w architekturze jest z pewnością uzyskanie większej niż dotychczas transparentności materiału BiPV.

 

Jednym z rozwiązań może być zastosowanie w modułach tanich, cienkowarstwowych folii z holograficznymi elementami optycznymi HOE (fot. 11).

 

Zalaminowane ze szklanym podłożem ukierunkowują światło, dzięki czemu ilość materiału ogniw w module można zredukować o 1/3. PRISM SOLAR TECHNOLOGIES opatentowała tego typu panele z paskami ogniw krzemowych. Wydajne w różnych warunkach oświetlenia moduły polecane są szczególnie dla gorzej nasłonecznionej strefy północnej [10].

 

Na tegorocznych targach Intersolar uwagę przyciągnął intrygujący panel solarny dla szklanych fasad, wyglądający niczym plaster miodu (fot. 12). Ogniwa krzemowe umieszczono wewnątrz sześciokątnych komórek z trwałego akrylu. Heksagonalny kształt służy do koncentrowania promieni słonecznych, co pozwala ograniczyć ilość materiału ogniw nawet o połowę, zapewnia też większą o ~40% przepuszczalność światła widzialnego [11].

 

NEW ENERGY TECHNOLOGIES opracowała nowy sposób rozpylania na szkle ultracienkich ogniw grubości 1/1000 ludzkiego włosa. Opatentowana metoda pozwoliła wyeliminować metalowe elektrody, które blokują widoczność i przejście światła (fot. 13). Zastąpiono je przyjaznym dla środowiska transparentnym związkiem [9].

 

Fot. 8. KONARKA Power Plastic® – MTA Transit Shelter, San Francisco. Lekkie, giętkie materiały BiPV z ogniwami organicznymi (OPV) (fot. www.konarka.com/)

 

Fot. 9. Michael Grätzel Dye-sensitised Solar Cell (DSSC). Fotoelektrochemiczne ogniwo uczulone barwnikiem (fot. www.greengadgetguide.wordpress.com)

 

Fot. 10. Hana Akari – prototypy kolorowych ogniw DSSC w lampkach solarnych, prod. SONY (fot. http://www.sony.net/)

 

Fot. 11. Holographic Planar Concentrator (HPC), prod. PRISM SOLAR TECHNOLOGIES. Szklany moduł z paskami ogniw krzemowych i koncentrującą światło folią holograficzną (fot. www.prismsolar.com) 

 

Podsumowanie
Czy szkło fotowoltaiczne stanie się powszechnym elementem architektury? Jedynie czas pokaże. Z pewnością jednak budynki przyszłości będą musiały opierać się na odnawialnych źródłach energii. 30 lat temu w magazynie „Science” napisano: jeżeli istnieje technologia marzeń, jest nią fotowoltaika.

 

Jednocześnie najbardziej wyszukana technologia solarna i najprostsze, najbardziej przyjazne środowisku źródło elektryczności dotychczas wymyślone. Dziś technologia BiPV jest już na tyle rozwinięta i sprawdzona, aby jej zastosowanie mogło przyczyniać się do tego, iż szklane budynki będą bardziej przyjazne dla środowiska i użytkowników, a także bardziej efektowne.

 

Zakładając, iż wraz z postępem technologii rozwijane będą nowe materiały a ich ceny będą malały, jest duża szansa na to, że to, co dziś wydaje nam się luksusowe i awangardowe, stanie się normą w niedalekiej przyszłości.

 

dr inż. arch. Magdalena Muszyńska-Łanowy
Politechnika Wrocławska

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

 

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

 

Bibliografia:
[1] Muszyńska-Łanowy M., BiPV - Fotowoltaika zintegrowana z budynkiem, „Świat Szkła” 5/2010
[2] Muszyńska-Łanowy M., Ekologia dla oczu – estetyka powłoki BiPV. Część 2, „Świat Szkła” 9/2011
[3] Muszyńska-Łanowy M., Fotowoltaika w kolorze, „Świat Szkła” 4/2011
[4] Muszyńska-Łanowy M., Szklane fasady fotowoltaiczne – energooszczędność i komfort. Część 1, „Świat Szkła” 11/2010
[5] Muszyńska-Łanowy M., Szklane fasady fotowoltaiczne – energooszczędność i komfort. Część 2, „Świat Szkła” 1/2011
[6] Muszyńska-Łanowy M., Szkło fotowoltaiczne, „Świat Szkła” 6/2010
[7] www.epfl.ch
[8] www.greenpix.org
[9] www.newenerytechnologiesinc.com
[10] www.prismsolar.com
[11] www.solaror.com

 

więcej informacj: Świat Szkła 1/2012

 

Czytaj także --

Czytaj także

 

 

01 chik
01 chik