Przekształcić coś użytecznego, praktycznego, funkcjonalnego w coś pięknego – oto powinność architektury (Karl Friedrich Schinkel)

Z końcem lat 70. XX wieku amerykański Departament Energii (DOE) rozpoczął w Massachusetts Institute of Technology (MIT) program mający na celu rozwój fotowoltaiki, który objął projektowanie i demonstracje sposobów zastosowania tej technologii w budownictwie. Firma projektowa Solar Design Associates skupiła się wówczas na „artystycznej integracji energii solarnej” w budynkach [8].

 

W rezultacie powstały pierwsze obiekty, w których system fotowoltaiczny (PV) stanowił zaplanowany element architektoniczny [2]. Początkowo standardowe elementy instalacji dodawano do istniejących konstrukcji. Dość toporne w wyglądzie, obramowane moduły PV wraz ze wspierającymi je strukturami i przewodami w pewnym sensie nadawały obiektom charakter zaawansowanej technologicznie maszyny.

 

  

Fot. 1. Instalacja fotowoltaiczna na dachu budynku mieszkalnego w Arizonie [fot. www.renewableenergyworld.com]

 

  

Fot. 2. Oekotherm, Schörfling. Okładzinę fasady tworzy 27 różnego kształtu modułów z niebieskimi ogniwami z krzemu polikrystalicznego [fot. www.ertex-solar.at] 

 

Wizualnie był to jednak efekt zupełnie przypadkowy, wypadkowa określonego rozwiązania technicznego. Nowe rozwiązania pojawiły się na początku lat 90., gdy moduły zintegrowano bezpośrednio ze strukturą budynku. Innowacyjna technologia, nazwana Building Integrated Photovoltaics, w skrócie BiPV, umożliwiła zupełnie inny sposób kształtowania solarnych budynków. Projektanci zyskali kolejne narzędzie, a architektura zaawansowanych technologii nowy image.

 

Współczesne urządzenia fotowoltaiczne nie mają już wyłącznie na celu generowania czystej energii elektrycznej. Pod postacią coraz bardziej zróżnico wanych, zaawansowanych elementów stały się wielofunkcyjnymi, innowacyjnymi materiałami budowlanymi, które w wielu wypadkach są w stanie efektywnie zastąpić konwencjonalne komponenty „skóry” budynku. Co jest szczególnie istotne dla współczesnej architektury i jej twórców to fakt, iż nowoczesne systemy BiPV wspomagające architekturę przyjazną dla środowiska oferują coraz większe możliwości kreowania nowej estetyki.

 

Integracja fotowoltaiki
Odpowiednia integracja fotowoltaiki z powłoką budynku jest dużym wyzwaniem. Powiązanie komponentów generatora PV z architekturą powoduje wzajemne oddziaływania na różnych płaszczyznach: wywiera wpływ na efektywność energetyczną, cechy funkcjonalno-użytkowe obiektu oraz jego jakość w aspekcie estetycznym. Interakcja pomiędzy solarną technologią a architekturą jest bardzo ważna dla sprawnego funkcjonowania całości. Źle zintegrowany system fotowoltaiczny będzie nie tylko przeszkadzał w sprawnym użytkowaniu budynku, ale też psuł jego obraz.

 

Jak twierdzi James Wines: bez sztuki wszystko upada, ponieważ ludzie nigdy nie zechcą nieestetycznego budynku, niezależnie od całej techniki, jaką będzie posiadał [7]. Wysoki standard instalacji BiPV powinien zatem dotyczyć zarówno parametrów technicznych, jak i kwestii wizualnych. W praktyce dążność do osiągnięcia wysokiej efektywności energetycznej nie zawsze idzie jednak w parze z jakością architektoniczną.

 

Szczególnie w pierwszych realizacjach integracja fotowoltaiki z budynkiem była często przypadkowa i pod względem estetycznym rozczarowująca. Wówczas wynikało to głównie z ograniczeń technicznych. Obecnie, gdy możliwości są w zasadzie nieograniczone, pozostaje problem wysokich kosztów, braku wiedzy i umiejętności projektantów, złej koordynacji pomiędzy specjalistami z różnych branż czy też niezrozumienia wzajemnych potrzeb (fot. 1). Z pewnością dla każdego przypadku kwestię jakości estetycznej należy rozpatrywać indywidualnie.

 

Inne działania będą optymalne w przypadku budowy nowego obiektu, inne podczas renowacji obiektu historycznego, czy dodawania systemu do istniejącej struktury w trakcie remontu lub modernizacji.

 

Atrakcyjny wygląd powłoki BiPV przyciąga wzrok, wywołuje zainteresowanie obiektem i solarną technologią. Odbiór wizualny jest jednak kwestią subiektywną, trudno zatem o jednoznaczną interpretację.

 

Różnorodność materiałów

Do niedawna rynek komercyjny oferował wąską gamę produktów solarnych dla integracji z budynkiem. Wizualny aspekt dostępnych materiałów BiPV zdeterminowany był rozwiązaniami technicznymi, przemysłowymi i ekonomicznymi. W konsekwencji wielu potencjalnych inwestorów rezygnowało z aplikacji fotowoltaiki.

 

Z biegiem lat coraz bardziej zdawano sobie sprawę ze znaczenia wyglądu poszczególnych komponentów generatora PV oraz jego roli w dalszej ewolucji i upowszechnianiu technologii. W rozwój nowych produktów BiPV, ich zróżnicowanie i optymalizację pod kątem estetycznym, zaangażowali się m.in. architekci tacy jak Kiss i Cathcart.

 

Skupili się w szczególności na materiałach szklanych, częściowo transparentnych, o różnych poziomach transmisji światła, nowych wzorach, kolorach fotoogniw, itp. Dziś firmy solarne wiedzą, że projektanci chcą mieć wybór. Obok standardowych materiałów coraz częściej na indywidualne zamówienie wytwarzają produkty specjalistyczne, spełniające nawet bardzo wysokie i niecodzienne wymagania.

 

Z różnych komponentów systemu fotowoltaicznego moduły PV są najbardziej widocznymi, podstawowymi elementami dla integracji z budynkiem. Gdy stanowią integralną część jego „skóry”, w kwestii walorów estetycznych znajdują się w samym centrum uwagi. Ich wielkość, kształt, kolor, materiał, struktura, transparentność, w różny sposób wpływają na ukształtowanie architektury.

 

Dzięki swoim właściwościom mogą nawet kształtować wygląd wnętrza. Technologie produkcji i budowa modułów są ściśle określone, możliwość wyboru poszczególnych komponentów i ich parametrów pozwala jednak uzyskać bardzo zróżnicowane rezultaty.

 

Obejmuje to elementy takie jak:

- materiał, kolor, wielkość i kształt ogniw,
- struktura i kolor układów elektrycznych,
- układ ogniw w module,
- budowa modułu – obudowa, obramowanie, materiał laminujący ogniwa,
- kształt i wielkość modułu.

 

Najczęściej stosowane moduły fotowoltaiczne zbudowane są z ogniw krystalicznych, które zależnie od struktury mają jednolite zabarwienie (krzem monokrystaliczny m-Si) lub widoczne są poszczególne kryształy w różnych kształtach i odcieniach (krzem polikrystaliczny p-Si). Materiały monokrystaliczne są zazwyczaj koloru granatowego lub czarnego, polikrystaliczne w różnych odcieniach niebieskiego (fot. 2).

 

Na rynku dostępne są również inne kolory, np. zielone, złote, czerwone, srebrne, brązowe itd., ale są to nadal produkty niszowe ze względu na wysokie koszty oraz niższe sprawności energetyczne (fot. 3). Pierwsze kolorowe ogniwa fotowoltaiczne o wysokiej efektywności od niedawna wytwarza tajwańska firma LOF™ SOLAR. Obok 15 standardowych kolorów ciekawą propozycją jest możliwość grawerowania napisów i wzorów na ogniwie oraz podział kolorystyczny w obrębie jednego elementu [4].

 

Coraz bardziej popularne w architekturze solarnej stają się technologie cienkowarstwowe wykorzystujące krzem amorficzny (a-Si) i selenek indowo-miedziowy (CIS). Wygląd tego typu modułów zależy od rodzaju materiału półprzewodnikowego oraz podłoża, na którym ogniwa są osadzane – może to być szkło, plastik, taśmy stalowe, miedziane.

 

Szklane moduły charakteryzuje ciemny kolor (brunatny a-Si, czarny CIS) oraz zdecydowanie bardziej jednorodna niż w przypadku ogniw krystalicznych powierzchnia (fot. 4). Szczególne walory estetyczne prezentują gładkie, czarne panele CIS [3]. Würth Solar jako pierwsza wprowadziła niedawno nowe kolory modułów CIS specjalnie dla integracji fasadowych – GeneCIS mogą być niebieskie, czerwone, białe, żółte i zielone [9].

 

Fot. 3. Kolorowa fasada BiPV w budynku szkoły, Blandford. Wentylowana okładzina z nieprzezroczystych modułów typu szkło-szkło ze złotymi ogniwami firmy Sunways [fot. www.vidur.es]

 

Fot. 4. Modelowy budynek mieszkalny SCHÖNER WOHNEN Haus. Czarne fasady BiPV ze szklanych modułów CIS firmy Würth Solar [fot. www.wuerth-solar.de]

 

Fot. 5. Le Losserand, Paryż. Semitransparentna szklana fasada z rozsuniętymi ogniwami, widok od wnętrza [fot. Emmanuel Saadi, www.cyberarchi.com]

 

Atrakcyjnym produktem dla zastosowań budowlanych są ogniwa częściowo transparentne (mechanicznie perforowane lub wzornikowane laserem cienkowarstwowe materiały osadzone na przezroczystym podłożu).

 

Rozszerzają one możliwości kształtowania nowoczesnej powłoki budynku – filtrując promieniowanie, zapewniają dodatkowo możliwość tworzenia zmiennych efektów optycznych za pomocą gry światła i cienia (fot. 5). Stopień transparentności materiałów BiPV można kształtować na różnym poziomie.

Rezultat uzależniony będzie od rodzaju ogniw i ich układu - zupełnie inaczej wyglądają rozsunięte ogniwa krystaliczne, a inaczej częściowo przezroczyste z natury materiały cienkowarstwowe (fot. 6).

 

W obu wypadkach na wrażenia wizualne wpływa również miejsce obserwacji oraz kierunek oświetlenia głównego.

Semitransparentne instalacje BiPV są coraz bardziej zróżnicowane i wyszukane. Firmy solarne proponują szereg możliwości, zarówno jeśli chodzi o poziom transparentności ogniw, jak i kwestie plastyczne.

 

Przykładowo Würth Solar opracowała własne technologie produkcji modułów CIS z różnymi wariacjami transparentności w zakresie 0-50% i wzorami - dostępna jest perforacja pasmowa, okrągłe otwory lub rombowe o różnej wielkości i zagęszczeniu.

 


Poprzez zmianę zagęszczenia otworów można tworzyć np. transparentne napisy, rysunki. Jak dotąd żadna z technologii PV nie umożliwia całkowitej transparentności, efekt dematerializacji, efemeryczności przegrody nie będzie więc równie silny jak w konwencjonalnych strukturach szklanych.

 

Na zewnętrzną aparycję modułu PV wpływa także kształt i wymiary ogniw. Ogniwa krystaliczne powstają z cienkich wafli krzemowych grubości 150-300 μm. Ich standardowe wymiary kształtują się w przedziale od 100x100 do 150x150 mm.

Monokrystaliczne ogniwa w kształcie okrągłych płytek najczęściej przycina się w tzw. pseudokwadraty w celu lepszego ułożenia na powierzchni modułu, polikrystaliczne mają wyjściowo kształt kwadratowy lub prostokątny. Obok standardowych rozwiązań prowadzone są prace nad innymi kształtami.

 

Trójkątne, trapezowe, sześciokątne czy ośmiokątne ogniwa to interesująca alternatywa, która wiąże się jednak ze wzrostem kosztów i spadkiem efektywności materiału BiPV - m.in. dlatego, że trudno je optymalnie ułożyć na powierzchni modułu. Wielkości i kształty ogniw cienkowarstwowych uzależnione są od rodzaju podłoża, na którym są osadzane w trakcie produkcji.

 

Zazwyczaj są to elementy prostokątne o wymiarach typowych tafli szkła.

Istotnym elementem kompozycji estetycznej jest ułożenie ogniw w module. Ze względów technicznych (energetycznych) odległości pomiędzy nimi powinny być minimalne, ale w praktyce często rozsuwane są na większą odległość, dla stworzenia efektu częściowej transparentności czy uzyskania konkretnego wyglądu materiału.

W zależności od kształtu użytych ogniw i ich układu mogą powstać rozmaite motywy. W typowych modułach z ogniwami krystalicznymi połączonymi szeregowo, dystans między nimi wynosi zazwyczaj ok. 2 mm. Same szeregi ułożone są równolegle w odległości ~2-10 mm od siebie. W przypadku materiałów cienkowarstwowych ogniwa tworzą jednolitą całość.

 

Zróżnicowane efekty wizualne zapewnia dodatkowo kolor i kompozycja kontaktów elektrycznych. W standardowych ogniwach krystalicznych układ srebrnych elektrod kontaktowych (na stronie wystawionej w kierunku słońca) tworzy widoczną kompozycję złożoną z linii prostych w określonych odstępach, najczęściej na wzór litery „H”.

Wielu projektantów uznaje standardowe szyny zbiorcze na frontowej stronie ogniwa za wizualnie „nudne”, lub wręcz nieestetyczne, dlatego naukowcy próbują je przekształcać w bardziej artystyczny sposób. Unikatowe produkty powstają m.in. dzięki współpracy czołowych producentów ogniw solarnych i firmy POWERQUANT, która opracowała specjalne wzory ogniw monokrystalicznych dla integracji z budynkiem.

 

Nowy, diagonalny wzór elektrod w kolorze miedzi i złota występuje w 4 rodzajach, inne wzory robione są na specjalne zamówienie (fot. 7). Dla projektantów udostępniono specjalny program komputerowy PQ-Designer, który w zależności od układu ogniw pozwala osiągnąć różne efekty plastyczne. Innym rozwiązaniem są ogniwa typu Back Contact, w których kontakty elektryczne umieszczone na tylnej stronie widoczne są jedynie w modułach z transparentną obudową tylną.

 

Fot. 6. SCHOTT Ibérica, Sant Adrià de Besòs. Fasada BiPV z cienkowarstwowych semitransparentnych modułów ASI THRU™, zintegrowanych ze szkłem kolorowym SCHOTT IMERA™ [fot. SCHOTT Ibérica SA]

 

Fot. 7. Moduł PQ-120D z ogniwami DIAGONAL, prod. POWERQUANT [fot. www.powerquant.com]

 

Możliwość wyboru wielkości, grubości i kształtu modułów fotowoltaicznych pozwala wykorzystać je w architekturze na wiele sposobów. Zasadniczo kształty i wymiary mogą być takie, jak w przypadku szkła budowlanego. Powierzchnia standardowych modułów krystalicznych zwykle wynosi 0,5-2,0 m2, jednak elementy specjalne mogą być też bardzo niewielkie (np. dla integracji z dachówkami) lub w formacie XL.

 

Fasadowe moduły ze szkła laminowanego produkowane przez ERTEX-SOLAR są dostępne w rekordowych rozmiarach, do 2440x5100 mm. Pod względem estetycznym dużej wielkości panele PV mają tę zaletę, iż pozwalają tworzyć bardziej homogeniczne, gładkie powierzchnie. Grubości szklanych modułów zależą od ich wielkości i przyjętej technologii konstrukcyjnej. Standardowo dla laminatów typu szkło-folia jest to ~4-5 mm, dla elementów typu szkło-szkło ~11 mm lub więcej, w zależności od ilości i rodzaju tafli szklanych w obudowie.

 

Ze względu na optymalne wykorzystanie powierzchni aktywnej (generującej energię) moduły są zazwyczaj prostokątne, wielu producentów jest jednak w stanie wykonać elementy każdego w zasadzie kształtu geometrycznego, np. trójkątne, trapezowe, okrągłe (fot. 8). Wówczas niepodłączone do układu elektrycznego kwadratowe/prostokątne fotoogniwa przycinane są w celu ich dopasowania do kształtu obudowy lub poza strefą aktywną zostawiane są puste ranty (fot. 9).

 

Moduły z ogniw cienkowarstwowych składające się z kilku warstw różnych materiałów, osadzonych na materiale nośnym, mogą być produkowane w dowolnym kształcie, ale w praktyce najczęściej wytwarzane są w formie prostokąta. Niektóre firmy oferują tzw. patchworki – podmoduły, które razem zalaminowane i pokryte jednym frontowym szkłem tworzą element o dużej powierzchni.

 

Nowe możliwości kreowania estetyki zapewniają moduły zakrzywione oraz giętkie, nadające się do użycia na powierzchniach każdego w zasadzie kształtu. Niezależnie od technologii, frontowa obudowa modułów PV (od strony wystawionej na działanie promieni słonecznych) musi być zawsze transparentna.

 

Cechuje ją gładka lub specjalnie teksturyzowana powierzchnia, która różnie odbijając światło kreuje odpowiednie efekty wizualne: jedne materiały nie odzwierciedlają obrazów, inne jedynie niewyraźnie widoczne kształty, niektóre są prawie jak lustra. Tylna warstwa obudowy modułu daje najwięcej możliwości dla kształtowania estetyki – może być kolorowa, pokryta nadrukiem, nieprzeźroczysta lub transparentna.

 

W szklanych fasadach często wykorzystywana jest do tworzenia ciekawych efektów wizualnych, widocznych z obu stron (fot. 10-12). Moduły semitransparentne czy kolorowe filtrują naturalne światło, tworząc grę światłocienia i inne efekty optyczne wewnątrz budynku (fot. 11).

 

Fot. 8. Szklana fasada BiPV w fabryce SCHEUTEN Solar, Gelsenkirchen. Ze względów estetycznych obok prostokątnych modułów Optisol® użyto moduły trapezowe i trójkątne z nieaktywnymi ogniwami [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

 

Fot. 9. Przykłady modułów PV różnych kształtów, wielkości i kolorów, prod. ERTEX SOLAR [fot. www.ertex-solar.at]

 

Fot. 10. Kolorowa kompozycja BiPV w szklanej elewacji budynku przedszkola, Drezno [fot. www.reiter-rentzsch.de]

 

Fot. 11. Szkoła podstawowa, Grass Valley. Artystyczna wizja szklanej fasady BiPV autorstwa Sary Hall [fot. www.sarahhallstudio.com]

 

Wraz z rozwojem technologii BiPV paleta produktów budowlanych poszerzyła się o nowatorskie, wielofunkcyjne materiały, będące kombinacją tradycyjnych elementów z innowacyjną koncepcją solarnej  technologii. Moduły fotowoltaiczne można bowiem wyprodukować w bezpośrednim połączeniu z konwencjonalnymi materiałami budowlanymi.

 

Początkowo integracja fotoogniw możliwa była jedynie ze szkłem, dziś jest już możliwe i z powodzeniem wykorzystywane trwałe połączenie z większością materiałów stosowanych w konstrukcji budynków. Komercyjne produkty takie jak okładziny elewacyjne, dachówki, gonty, blachy, tworzywa sztuczne, częściowo transparentne szkło fotowoltaiczne, itd., prezentują zupełnie odmienne aspekty wizualne (fot. 8, 13-14).

 

Szczególne możliwości pojawiły się wraz z rozwojem technologii ogniw cienkowarstwowych osadzanych na giętkich materiałach (metalicznych, plastikowych).

Mogą być one wykorzystane na powierzchniach każdego kształtu – prostych, zakrzywionych, wklęsłych czy wypukłych – co dla twórców współczesnej architektury jest szczególną zaletą.

 

Możliwość doboru parametrów wg potrzeb oraz różnorodność rozwiązań przyczyniają się do wzrostu zainteresowania fotowoltaiką i jej szerszego zastosowania we współczesnej architekturze, w której kompleksowe powłoki muszą odpowiadać coraz wyższym standardom. Integracja modułów fotowoltaicznych ze znanymi i sprawdzonymi materiałami budowlanymi zwiększa wiarygodność nowej generacji BiPV, które posiadają już certyfikaty trwałości i jakości.

 

Prawdopodobnie jest tylko kwestią czasu, żeby przemysł budowlany w pełni zaakceptował ogniwa fotowoltaiczne jako integralny element swoich produktów, na dużą skalę udostępniając na rynku komercyjnym wielofunkcyjne, trwałe, atrakcyjne kosztowo i zróżnicowane pod względem wizualnym materiały solarne.

 

Nieustannie powstają prototypy nowych rozwiązań (fot. 15), można więc przypuszczać, że wraz z rozwojem rynku estetyka i różnorodność będzie rosnąć, a trudności związane z powszechną akceptacją i aplikacją zmniejszą się.

 

Na posiedzeniu PV-SEC w Barcelonie (2005) Stefan Behling, kierownik projektu w Norman Foster Architects, powiedział: Ogniwa są piękne, kocham je. Ale niewielu podejmuje wyzwanie na poważnie i próbuje tworzyć realizacje, które są piękne. Ta sytuacja nie tylko kreuje biedną architekturę, ale też powoduje ryzyko wywołania sprzeciwu wobec fotowoltaiki.

 

Choć przez ostatnie dwie dekady powstało wiele interesujących projektów, także realizowanych przez najbardziej uznawanych na świecie architektów, potencjał estetyczny BiPV z pewnością nie został jeszcze wykorzystany. A przecież, wg Scheuten Solar – jednego z producentów szklanych materiałów solarnych – ekologia i estetyka są równie ważne.

 

Magdalena Muszyńska-Łanowy

 

Bibliografia
[1] Hagemann I. B., Gebäudeintegrierte Photovoltaik. Architektonische Inte gration der Photovoltaik in die Gebäudehülle, Müller, Köln 2002.
[2] Muszyńska-Łanowy M., BiPV – fotowoltaika zintegrowana z budynkiem, „Świat Szkła” 5/2010.
[3] Muszyńska-Łanowy M., Czarne fasady - fotowoltaiczne okładziny CIS, „Świat Szkła” 7-8/2010.
[4] Muszyńska-Łanowy M., Fotowoltaika w kolorze, „Świat Szkła” 4/2011.
[5] Prasad D., Snow M. (eds.), Designing with solar power. A Source Book for Building Integrated Photovoltaics (BIPV), Images Publishing, Mulgrave, Earth scan, London, Sterling 2005
[6] Reijenga T., PV in Architecture, in: Hegedus S., Luque A. (eds.), Handbook of Photovoltaics Engineering, John Wiley & Sons, New York 2002
[7] Wines J., Green Architecture, Taschen, Köln 2000
[8] http://www.solardesign.com
[9] http://www.wuerth-solar.de

 

Fot. 12. The Wind Tower, Regent College, Vancouver. Matryca ogniw PV zintegrowanych z barwionym szkłem Lux Nova. Energia fotowoltaiczna wykorzystywana jest w nocy do oświetlenia wieży za pomocą sterowanych komputerowo diod LED [fot. http://www.sarahhallstudio.com]

 

Fot. 13. Fabryka SCHEUTEN Solar, Gelsenkirchen. Fasada BiPV z trzech rodzajów szkła fotowoltaicznego – połączenie nieprzeźroczystych i częściowo transparentnych modułów [fot. M. MuszyńskaŁanowy]

 

Fot. 14. Fotowoltaiczna blacha Quick Step –Rheinzink Solar PV. Blachy cynkowo-tytanowe trwale zintegrowane ze szklanym modułem PV [fot. www.rheinzink.de]

 

Fot. 15. Prototyp szklanych paneli BiPV opracowanych przez Solarmer Energy i Joel Berman Glass Studios. Wypalane w piecu, teksturyzowane szkło laminowane połączono z transparentnymi, plastikowymi ogniwami [fot. http://www.designbuildsolar.com

 

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym 

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

więcej informacj: Świat Szkła 7-8/2011

  • Logo - alu
  • Logo aw
  • Logo - fenzi
  • Logo - glass serwis
  • Logo - lisec
  • Logo - mc diam
  • Logo - polflam
  • Logo - saint gobain
  • Logo termo
  • Logo - swiss
  • Logo - guardian
  • Logo - forel
  • vitrintec wall solutions logo

Copyright © Świat Szkła - Wszelkie prawa zastrzeżone.