Kolor jest światłem, światło jest ciepłem, ciepło jest energią, energia jest życiem, życie jest kolorem (Friedrich Ernst von Garnier)
Kolor jest jednym z najważniejszych elementów determinujących wizualny aspekt instalacji fotowoltaicznej (PV). W przypadku systemów zintegrowanych z budynkiem (tzw. BiPV, ang. Building Integrated Photovoltaics) odgrywa szczególną rolę w kształtowaniu estetyki jego powłoki. Typowa, powszechnie kojarzona z solarną technologią kolorystyka to połączenie ciemnoniebieskich ogniw ze srebrnym kolorem kontaktów elektrycznych i obramowania modułów (fot. 1).
Fot. 1. Przykład typowej instalacji solarnej na dachu budynku mieszkalnego. Standardowe, obramowane moduły typu szkło-folia z ciemnoniebieskimi ogniwami krystalicznymi na białym tle [fot. http://www.sunset-solar.de]
Nie zawsze spotyka się ona z akceptacją architektów czy potencjalnych inwestorów. Pomijając subiektywną kwestię gustu i ograniczenia kreatywności projektantów, niebiesko-srebrne panele często są po prostu zbyt widoczne, „krzykliwe” wręcz, co może być niepożądane w wypadku ich integracji z niektórymi obiektami, np. o charakterze historycznym.
Przez lata, ze względów technicznych i ekonomicznych, paleta kolorystyczna materiałów BiPV była bardzo ograniczona. Postęp technologiczny ostatniej dekady oraz rosnące zainteresowanie estetyką urządzeń fotowoltaicznych pozwoliły znacznie poszerzyć komercyjny asortyment. Choć w praktyce nadal dominują standardowe rozwiązania, różnorodność dostępnych materiałów i możliwości ich łączenia pozwalają dziś osiągać coraz bardziej zróżnicowane pod względem kolorystycznym rezultaty. Barwy wprowadzane są do architektury dla zwrócenia uwagi, nadania nowej jakości estetycznej, czy też zmiany zimnego, technicznego charakteru nowoczesnego budynku-maszyny na bardziej „przyjazny”, wkomponowany w naturalne otoczenie.
Kolor instalacji PV/BiPV uzależniony jest przede wszystkim od budowy modułów fotowoltaicznych: rodzaju użytych ogniw, obudowy ochronnej, obramowania, oraz kompozycji poszczególnych elementów.
Ogniwa fotowoltaiczne
Wybór materiału półprzewodnikowego implikuje konkretne efekty wizualne. W praktyce najczęściej wykorzystywane są ogniwa z krzemu krystalicznego.
Materiały monokrystaliczne (m-Si), standardowo granatowe lub czarne, mają dość jednolite zabarwienie.
Ogniwa polikrystaliczne (p-Si) występujące w różnych odcieniach niebieskiego charakteryzuje widoczna struktura kryształów, która tworzy efekt świetlistych, „migoczących” kolorów zmieniających się wraz z oświetleniem i kierunkiem patrzenia (fot. 2).
Fot. 2. Standardowe, ciemnoniebieskie ogniwa z krzemu krystalicznego. Od lewej: ogniwo monokrystaliczne i polikrystaliczne [fot. M. Muszyńska-Łanowy]
Surowa płytka krzemowa, z której powstaje ogniwo ma kolor szaro-metaliczny. Końcowy rezultat uzależniony jest od rodzaju i grubości powłoki antyrefleksyjnej nakładanej na przednią stronę ogniwa w celu redukcji strat energii następujących w wyniku odbicia promieni słonecznych. Wpływ na ostateczny kolor odbierany przez obserwatora może mieć też rodzaj obudowy ochronnej modułu i szorstkość jej powierzchni, folia laminująca, a także rodzaj i kąt padania światła oraz punkt patrzenia.
Od połowy lat 90. ub. w. obok standardowych odcieni niebieskiego i czarnego dostępne są także inne kolory ogniw, np. szary, zielony, czerwony, złoty, brązowy. Ich użycie daje projektantom znacznie większe możliwości kształtowania estetyki, wiąże się jednak z wyższymi kosztami materiału oraz mniejszą efektywnością energetyczną generatora PV, ponieważ nałożenie dodatkowej warstwy antyrefleksyjnej obniża sprawność ogniw (tab. 1).
Tabela 1. Porównanie sprawności ogniw z krzemu polikrystalicznego w zależności od koloru – na przykładzie ogniw SUNWAYS
Nie wszystkie kolory mają praktyczny sens – ogólnie im ciemniejszy kolor ogniw tym lepsza absorpcja światła słonecznego. Trzeba jednak zauważyć, że w przypadku instalacji BiPV czynniki estetyczne bywają czasami ważniejsze niż maksymalizacja zysków energetycznych.
Na rosnące zapotrzebowanie w stosunku do estetyki i różnorodności materiałów fotowoltaicznych odpowiada coraz więcej firm oferując specjalistyczne produkty spełniające różnorodne wymagania. SUNWAYS wytwarza na zamówienie pod konkretny projekt ogniwa w kolorze srebrnym, złotym, brązowym i szmaragdowym (tab. 1, fot. 3).
Fot. 3. Paul-Horn Arena, Tübingen – detal okładziny BiPV i widok budynku od strony południowej. Kolorowe moduły PV typu szkło-folia wyprodukowano na specjalne zamówienie. Szmaragdowe ogniwa SUNWAYS zalaminowano pomiędzy szkłem bezpiecznym o grub. 8 mm i białą folią Tedlar [fot. http://www.allmannsattlerwappner.de ]
Te ostatnie zastosowano m.in. w budynku hali sportowej Paul-Horn Arena w Tübingen, gdzie zrealizowano największą na świecie elewację BiPV z kolorowymi ogniwami. Wentylowaną fasadę o powierzchni 525 m2 pokryto okładziną ze specjalnie wyprodukowanych, bezramowych laminatów typu szkło-folia. Szmaragdowozielony kolor ogniw wyraźnie odcina się od białego tła uzyskanego poprzez użycie w tylnej obudowie modułu białej folii plastikowej. Dla osiągnięcia efektu szerokiego, jednolitego białego obramowania dodatkowo pokryto ścieżki lutowania na krawędziach. Kolorowa fasada BiPV dobrze wpisuje się w otoczenie, symbolizuje przejście z miasta na otwartą przestrzeń terenów zielonych (fot. 3).
Nie pozwól, by markotne niebieskie ogniwa zniszczyły estetyczne piękno budynku – reklamuje się tajwańska firma LOFTM SOLAR, która od niedawna wytwarza pierwsze kolorowe ogniwa fotowoltaiczne o wysokiej efektywności (fot. 4).
Fot. 4. Paleta kolorystyczna ogniw C-CellTM, prod. LOFTM SOLAR. W standardowej ofercie dostępne są dwie grupy ogniw: classic (6 kolorów ogniw polikrystalicznych i 5 monokrystalicznych) oraz marble (wyłącznie ogniwa polikrystaliczne w 4 kolorach). Istnieje też możliwość grawerowania (custom engraving) lub podziału kolorystycznego w obrębie jednego ogniwa (diagonal cut i middle cut dostępne są we wszystkich kolorach) [fot. http://www.lofsolar.com]
C-CellTM osiągają parametry bliskie wydajności typowych niebieskich ogniw - opatentowana nanotechnologia pozwoliła osiągnąć ponad 15% sprawność, co potwierdził niedawno Fraunhofer ISE (Institute for Solar Energy). Nanomateriały wykorzystują oprócz światła widzialnego także promieniowanie podczerwone, dzięki czemu zyski energii rosną o 30%. Dobrze funkcjonują w świetle rozproszonym, co jest szczególnie korzystne dla zastosowań architektonicznych. Ogniwa występują w wersji mono- i polikrystalicznej w dwóch podstawowych seriach: classic oraz marble (fot. 5).
Fot. 5. Ajax Operations Center, Ontario. „Szklany żagiel solarny” z kolorowymi ogniwami C-CellTM to kombinacja sztuki i zaawansowanej technologii. Specjalnie koloryzowane ogniwa polikrystaliczne typu metallic gold o sprawności 14,1% zalaminowano pomiędzy dwiema warstwami szkła hartowanego (6+6 mm) [fot. http://www.lofsolar.com]
Aktualnie dostępnych jest 15 standardowych kolorów, m.in. zielony, fioletowy, czerwony, złoty, szary. Interesująca jest możliwość grawerowania (custom engraving) oraz podziału kolorystycznego w obrębie jednego ogniwa – skośnie (diagonal cut) lub na pół (middle cut). Wyłączność na dystrybucję tajwańskich ogniw w Europie posiada francuska ENERGIE +, która na bazie C-CellTM wytwarza kolorowe panele o nazwie E+ COLOR (fot. 15).
Produkty dostępne są na rynku od 2010 roku, ich cena kształtuje się w granicy 23-25 tys. euro za 20 m2 instalacji. Dla integracji z budynkiem coraz częściej wykorzystuje się moduły z ogniwami cienkowarstwowymi.
W przypadku tych technologii kolory zależą od zastosowanych materiałów półprzewodnikowych oraz podłoża, na którym są one osadzane. I tak ogniwa z krzemu amorficznego (a-Si) na szklanym podłożu mają kolor brunatny (fot. 6), z kolei osadzone na taśmach stalowych materiały Uni-Solar® są ciemnoniebieskie z purpurowo-fioletowymi odblaskami na obrzeżach. Wyjątkowo charakterystyczne pod względem kolorystycznym są różowo-fioletowe ogniwa FLEXCELL® na podłożu plastikowym (fot. 7).
Fot. 6. Dachowa instalacja BiPV ze szklanych modułów z krzemu amorficznego (a-Si). Bezramowe panele ASIOPAK®, zaprojektowane specjalnie dla integracji z budynkami, składają się z cienkowarstwowych ogniw ASI® na szklanym podłożu, zalaminowanych folią PVB z tylną obudową ze szkła hartowanego [fot. http://www.solengy.com]
Fot. 7. FLEXCELL® - cienkowarstwowe ogniwa na podłożu plastikowym, prod. VHF-Technologies [fot. http://www.flexcell.com]
Standardowe, szklane moduły z tellurku kadmu (CdTe) mają kolor czarno-zielony, z selenku indowo-miedziowego (CIS) - czarny. Estetyka gładkich, jednolitych modułów CIS uznawana jest za szczególnie atrakcyjną dla zastosowań architektonicznych [2], czarne panele zyskują więc ostatnio na popularności (fot. 8).
Fot. 8. Fabryka Honda Soltec, Kumamoto - fasadowa instalacja fotowoltaiczna z czarnych modułów CIGS [fot. http://world.honda.com]
Od niedawna ODERSUN produkuje moduły z ogniwami CIS na podłożu z taśm miedzianych (opatentowana technologia CISCuT - ang. Copper Indium Disulphide on Copper Tape). W zależności od potrzeb mogą one mieć rozmaite kolory, wzory, możliwe są nawet nadruki na frontowej lub tylnej obudowie.
Niezależnie od technologii dodatkowe efekty wizualne zapewnia kolor kontaktów elektrycznych na ogniwach. W standardowych materiałach krystalicznych są one srebrne (miedziane), ale mogą też mieć kolor materiału ogniwa. Przez długi czas nie przykładano do nich specjalnej wagi, obecnie jednak wraz ze wzrostem znaczenia estetyki systemów fotowoltaicznych opracowywane są już różne rozwiązania.
Najbardziej powszechne, metaliczne siatki kontaktów układające się w literę „H” często nie podobają się architektom (fot. 2), stąd prace nad nowymi układami idą m.in. w kierunku ich umieszczenia na spodniej, niewidocznej stronie ogniwa (tzw. backcontact cell). W ogniwach cienkowarstwowych elektrody tworzą serie cienkich metalicznych linii, mogą być też transparentne – w efekcie w przypadku osadzenia ogniwa na podłożu przepuszczającym światło tj. szkle czy PMMA uzyskuje się mniej lub bardziej transparentny produkt końcowy.
Interesujące możliwości kształtowania efektów kolorystycznych pojawiły się wraz z innowacyjnymi technologiami ogniw organicznych oraz nanokrystalicznych. Prototypy materiałów PV/BiPV oraz pierwsze eksperymentalne realizacje z ich wykorzystaniem już powstały. Przykładowo KONARKA TECHNOLOGIES wraz z ARCH ALUMINIUM & GLASS testują aktualnie możliwości kolorystyczne szkła fotowoltaicznego z organicznymi ogniwami Konarka Power Plastic® [3].
W nanokrystalicznych ogniwach uczulonych barwnikiem DSC (ang. Dye-sensitised Solar Cells) światło słoneczne ulega przekształceniu przy pomocy molekuł barwnika. Organiczne barwniki mogą być produkowane w szerokiej gamie kolorystycznej, co daje projektantom wyjątkową swobodę w kreowaniu wzorów (fot. 9).
Fot. 9. Prototyp kolorowego modułu DSC (Dyesensitised Solar Cells), prod. FRAUNHOFER ISE [fot. FRAUNHOFER ISE, http://www.sciencedaily.com]
Materiał laminujący
Dla ochrony przed zniszczeniem, korozją i wpływem warunków atmosferycznych ogniwa fotowoltaiczne są zakapsułowane w hermetycznej strukturze typu „sandwicz”. Poszczególne warstwy zalaminowane są pomiędzy ochronną obudową przy pomocy silnych spoiw, takich jak płynne żywice czy termoplastyczne materiały EVA, PVB. W laminatach typu szkło-szkło i szkło-folia zazwyczaj stosuje się folię EVA, która po zalaminowaniu jest przezroczysta. Dodanie barwników pozwala uzyskać inny kolor, np. niebieski lub czarny, ale takie materiały mogą być użyte tylko z tyłu ogniw, aby nie ograniczyć przepuszczalności światła.
Obudowa modułu
Frontowa warstwa obudowy ochronnej modułu PV (tzn. znajdująca się przed ogniwami) musi być transparentna, aby przepuszczać maksymalną ilość promieniowania słonecznego dla konwersji fotowoltaicznej.
W zależności od technologii tworzy ją gładkie białe szkło, szkło ornamentowe lub tworzywo sztuczne [3]. Nowe rozwiązania frontowej obudowy szklanej o różnej strukturze, kolorystyce i refleksyjności testowano w latach 2001-2004 w ramach niemiecko-włoskiego projektu badawczego PVACCEPT.
Firma SUNWAYS opracowała wówczas m.in. prototyp matowego modułu fotowoltaicznego dla budynków zabytkowych [8].
Fot. 10. Żłobek El Blauet, Sant Celoni – semitransparentna szklana elewacja BiPV z modułów fotowoltaicznych typu szkło-szkło w 4 kolorach [fot. http://www.etsav.upc.edu]
Nieograniczone możliwości plastyczne oferuje tylna strona modułu (zwrócona do wewnątrz budynku) – może być nieprzeźroczysta, częściowo lub całkowicie transparentna, neutralna kolorystycznie, kolorowa, z wzorami czy nadrukiem. W zależnosci od miejsca i sposobu integracji z powłoką budynku będzie zauważalna lub nie. Pewne fragmenty tylnej obudowy mogą być widoczne od strony frontowej dookoła powierzchni aktywnej ogniw lub pomiędzy nimi (fot. 3, 11).
W modułach typu szkło-folia tylna obudowa z tworzywa sztucznego (np. folia Tedlar) jest zwykle nieprzeźroczysta. Standardowe panele najczęściej produkowane są z użyciem folii w kolorze białym lub antracytowym. Białe materiały najmniej się nagrzewają, co jest korzystne dla wydajności energetycznej modułów PV, wystepują też jako przeświecające.
Na rynku dostępne są również inne kolory, np. niebieski, szary, zielony, czarny. Zupełnie różne rezultaty można osiągnąć przez zastosowanie folii Tedlar w tym samym kolorze co ogniwa (fot. 11, 12) lub przy zestawieniu kontrastowym, np. połączeniu czarnych ogniw z białą folią (fot. 1, 11), czy pozostawieniu szerokiego kolorowego rantu dookoła powierzchni aktywnej (fot. 3).
Fot. 11. Moduły PV typu szkło-folia z czarnymi ogniwami monokrystalicznymi na białym i antracytowym tle. Kolor tylnej obudowy modułu oraz obramowania można dobrać na zasadzie kontrastu lub podobieństwa do ogniw [fot. M. MuszyńskaŁanowy]
Fot. 12. Protechno Card, Paderborn - wentylowana fasada BiPV z laminatami typu szkło-folia.
Nieprzeźroczyste moduły mają granatowo-czarny kolor dzięki połączeniu ciemnych ogniw monokrystalicznych i tylnej folii Tedlar w czarnym kolorze [fot. http://www.solarintegration.de]
W modułach typu szkło-szkło opcje kolorystyczne dla tylnej obudowy są bardzo różne: można użyć szkło barwione w masie, lakierowane, ornamentowe, z kolorowym wzorem, nadrukiem itd. Ważne jest, aby barwnienie szkła było przeprowadzone w taki sposób, by nie spowodowało niepożądanych reakcji chemicznych z ogniwami i materiałem laminującym.
Najprostszą metodą jest zastosowanie barwnych folii, jednak takie materiały bywają mało solidne i nietrwałe. W szklanych systemach przeciwsłonecznych szkło często pokrywane jest sitodrukiem.
Producenci oferują standardowo punktowe rastry w różnych gęstościach.
Tylną obudowę modułu może tworzyć transparentny materiał (plastik, szkło). W szklanych fasadach pozwala to tworzyć ciekawe efekty plastyczne, widoczne z obu stron. Przykładem może być kolorowa elewacja BiPV w katalońskim Sant Celoni, o demonstracyjno-edukacyjnym charakterze. Zintegrowane z pochyloną fasadą moduły szklane w 4 różnych kolorach tworzą półprzezroczysty filtr. Atrakcyjna gra światła i projekcja kolorowych cieni widoczna na ścianach wewnętrznych wzbudza zainteresowanie użytkowników w każdym wieku (fot. 10).
Obramowanie
Dla celów montażowych moduły mogą być obudowane ramą aluminiową lub stalową. Zwiększa ona mechaniczną stabilność elementu, chroni krawędzie przed uszkodzeniami. Zazwyczaj wykonana jest z aluminium w kolorze naturalnym lub innym, np. czarnym (fot. 11). Obramowanie nie jest konieczne i w przypadku bezpośredniej integracji ze strukturą budynku moduły są jej najczęściej pozbawione, wówczas są produkowane podobnie jak normalne tafle szklane. Takie instalacje są bardziej homogeniczne pod względem kolorystycznym.
Kompozycje kolorystyczne
Poprzez odpowiedni dobór kolorów poszczególnych komponentów modułu PV efekty plastyczne można kształtować na wiele sposobów – np. kolorystycznie skoordynować ogniwa z obramowaniem, tylną folią Tedlar lub przeciwnie, na zasadzie kontrastu.
Ciekawe rezultaty można uzyskać poprzez zestawienie modułów w różnych kolorach, jak np. w budynku Centrum Kultury w hiszpańskim Alcobendas (fot. 13). Możliwe jest zastosowanie różnokolorowych ogniw w jednym module, co pozwala tworzyć obrazy, reklamy, napisy. Z elektrotechnicznego punktu widzenia nie jest to łatwe, ponieważ mieszanie kolorów ogniw powoduje zróżnicowanie parametrów elektrotechnicznych - ogniwa o różnej sprawności połączone w szereg będą miały sprawność najsłabszego z nich.
Fot. 13. Casa de Cultura Carlos Muńoz Ruiz, Alcobendas. Martifer Aluminios i Martifer Solar zrealizowały instalację BiPV o wyjątkowych walorach artystycznych. Fasadę budynku wykonano z kolorowych szklanych laminatów fotowoltaicznych pokrytych sitodrukiem. Równomiernie rozłożone w odstępach ogniwa krystaliczne pozwoliły uzyskać 55% transparentność materiału [fot. http://www.construarea.com]
Jedną z najbardziej znanych realizacji tego typu jest budynek należący do producenta ogniw Q-CELLS. Instalacja BiPV z charakterystycznym logo firmy w postaci litery „Q” zastępuje konwencjonalne pokrycie jednej z fasad (fot. 14). Dla uzyskania zamierzonego efektu wizualnego użyto ogniwa z krzemu polikrystalicznego w dwóch kolorach: niebieskim i szarym.
Fot. 14. Fotowoltaiczne logo firmy Q-Cells, Thalheim. Okładzinę elewacji tworzą jedno- i dwukolorowe moduły typu szkło-folia (szkło ESG 6 mm + EVA + Tedlar) z ogniwami z krzemu krystalicznego. Dla uzyskania wyraźnej litery „Q” niezbędny był podział kolorystyczny ogniw w obrębie jednego elementu.
Niebieskie ogniwa mają zwykłą sprawność 15%, szare osiągają niższą wartość 11%. Połączenie fotoogniw o różnej wydajności jest skomplikowane, dlatego w mieszanych kolorystycznie panelach specjalnie dobierano je, wybierając niebieskie ogniwa o gorszej sprawności [fot. http://aktien-blog.com/]
Aby podkreślić kontrast między kolorami, niebieskie ogniwa pokryto dodatkowo specjalną warstwą, dzięki której uzyskano bardziej jednorodną powierzchnię. Tylko wprawne oko dostrzeże, że są to ogniwa polikrystaliczne a nie materiał monokrystaliczny. Szare ogniwa mają natomiast widoczną, typową polikrystaliczną strukturę.
Dodatkowo, dla ujednolicenia koloru ciemnoniebieskiej płaszczyzny w modułach zastosowano tylną folię (Tedlar) w kolorze antracytowym, elektrody pokryto czarną folią.
Połączenie modułów PV z konwencjonalnymi materiałami budowlanymi silnie wpływa na kolorystykę budynku. Odpowiednia kompozycja sąsiadujących ze sobą materiałów sprawia, że generator fotowoltaiczny jest mniej lub bardziej widoczny.
Przykładowo, w najbardziej powszechnych instalacjach dachowych, szczególnie tych polegających na nakładaniu standardowych elementów PV, niebieskie ogniwa krystaliczne silnie odcinają się od ceglastego koloru tradycyjnej dachówki (fot. 1). Dla odmiany nowoczesne panele E+ COLOR pozwalają uzyskać odpowiedni kolor dla lepszej integracji z pokryciem dachu, dzięki czemu instalacja PV nie będzie się tak rzucać w oczy (fot. 15).
Fot. 15. Kolorystyczna integracja modułów fotowoltaicznych z pokryciem dachu – panele E+ COLOR (prod. ENERGIE +) z ogniwami C-CellTM (prod. LOFTM SOLAR) [fot. ENERGIE +, http://www.panneaux-couleurs.com]
Aktualną tendencją jest dostosowywanie nowych materiałów solarnych do znanych, konwencjonalnych rozwiązań budowlanych. Neutralny odcień jest często wymagany w procesie integracji modułów z fasadami. W rezultacie niektóre systemy BiPV są prawie niezauważalne – z pewnej odległości szklane moduły a-Si, CIS są w zasadzie nie do odróżnienia od czarnego szkła budowlanego.
Nowoczesne, kolorowe materiały fotowoltaiczne mogą być interesującym, innowacyjnym narzędziem dla projektantów. Atrakcyjne rozwiązania wzbudzają zainteresowanie, wzmacniają akceptację dla nowej technologii, inspirują innych. Z pewnością potencjał technologii BiPV nie został jeszcze w pełni wykorzystany. Wraz z rosnącym zainteresowaniem i potrzebami rynku producenci przewidują dalsze poszerzanie oferty kolorystycznej standardowych produktów.
Magdalena Muszyńska-Łanowy
Literatura:
[1] HAGEMANN I. B., Gebäudeintegrierte Photovoltaik. Architektonische Inte gration der Photovoltaik in die Gebäudehülle, Müller, Köln 2002.
[2] MUSZYŃSKA-ŁANOWY M., Czarne fasady – fotowoltaiczne okładziny CIS, „Świat Szkła” 7-8/2010, s. 10-14.
[3] MUSZYŃSKA-ŁANOWY M., Szkło fotowoltaiczne, „Świat Szkła” 6/2010, s. 34-39.
[4] 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.
[5] http://www.construarea.com
[6] http://www.lofsolar.com
[7] http://www.panneaux-couleurs.com
[8] http://www.pvaccept.de
[9] http://www.sunways.eu
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym
inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
więcej informacj: Świat Szkła 4/2011
