Holenderscy badacze przez ostatnie lata zajmowali się badaniem sprawności kolorowych modułów. Czy udało im się postawić kolorowe moduły PV w lepszym świetle?

Czym są moduły BIPV?

BIPV (z ang. Building Integrated Photovoltaics) to moduły fotowoltaiczne przeznaczone do integracji z budynkiem. Stanowią alternatywę dla tradycyjnych materiałów budowlanych wykorzystywanych w pokryciach dachowych czy elewacji. Pozwalają na pełnienie więcej niż jednej funkcji, co przy planowaniu ich wykorzystania już na etapie projektowania budynku, wyraźnie obniża ogólny koszt instalacji.

Projekt Holendrów

Od 2014 r. Netherlands Organisation for Applied Scientific Research (TNO) prowadzi badania i testy innowacyjnych rozwiązań w zakresie paneli fotowoltaicznych. Wszystkie prace TNO odbywają się w ośrodku badawczym SolarBEAT, University of Technology w Eindhoven.

Jednym z ostatnich projektów, przeprowadzonym na TNO, jest wieloletni program testowania kolorowych modułów BIPV. Kilka lat temu, zanim przystąpiono do badań, sądzono, że ich sprawność energetyczna może być nawet 50% niższa niż klasycznych paneli PV.

Fasada z kolorowych modułów PV – Źródło: SolarBEAT

Wyniki testów – parametr wydajności

Prowadzący projekt – Roland Valckenborg uważa, że wydajność kolorowych modułów BIPV jest niedoceniona. Dla Valckenborga wyniki badań były bardzo miłym zaskoczeniem. Według testów, teksturowane moduły wcale nie wykazują obniżonej efektywności w porównaniu z tradycyjnymi modułami. Valckenborg twierdzi, że małe straty wynikające z dodatkowej warstwy teksturowanego szkła są porównywalne z zyskiem pochodzącym z nieco większej wydajności uzyskanej przy niskich kątach padania.

W 2017 roku, kiedy rozpoczęto testy uważano, że kolorowe panele osiągają sprawność niższą o 40 – 50%. Jednak już w 2018 roku udało się wykazać, że w przypadku szarych modułów jest to zaledwie 11%. Otrzymane wyniki zostały potwierdzone przez instytut badawczy University of Applied Sciences and Arts of Southern Switzerland (SUPSI).

Kolor modułu a odbicie światła

Produkcja kolorowych paneli PV wiąże się z akceptacją faktu, że nie całe widzialne widmo słoneczne zostanie zagospodarowane przez ogniwo na cele energetyczne. Część zostanie odbita lub pochłonięta. Klasyczne, bezbarwne panele fotowoltaiczne muszą mieć zoptymalizowane wszystkie warstwy na powierzchni ogniwa słonecznego. Taka optymalizacja ma uczynić je maksymalnie przezroczystymi, aby umożliwić przepuszczanie światła i dotarcie do ogniwa słonecznego.

Metody barwienia paneli fotowoltacznych

Obecnie istnieją dwa główne podejścia do barwienia paneli PV: technika bazująca na barwieniu opartym na pigmentach oraz metoda barwienia strukturalnego.

W pierwszej technice stosuje się barwniki i pigmenty, które głównie absorbują i częściowo odbijają określone części widma. Przykładem tego jest drukowanie kolorowych kropek na przedniej szybie fotowoltaicznej lub na kolorowej kapsułce.

Barwienie strukturalne jest związane z oddziaływaniem samego światła z powierzchniami nanostrukturalnymi lub wielowarstwowymi, cienkimi powłokami. Osadzone na szkle filtry interferencyjne wykorzystują efekt interferencyjny w celu selektywnego odbijania wąskiej części widma widzialnego.

Sposób, w jaki uzyskuje się kolor i jego wpływ na działanie modułu PV jest ściśle zależny od zastosowanej technologii barwienia oraz zachodzących zjawisk optycznych.

Valckenborg wyjaśnia, że idealnie, kolorowy panel PV powinien odbijać tylko wąskie widmo widzialne, natomiast pozostałą część transmitować. Dzięki temu możliwe będzie postrzeganie modułu kolorem odpowiadającym konkretnej odbijanej długości fali. Reszta widma światła słonecznego może być skutecznie wykorzystana do produkcji energii. W celu uniknięcia dodatkowych strat, barwna warstwa powinna być nieabsorpcyjna.

Ekspozycja zintegrowanych barwnych modułów BIPV – Źródło: SolarBEAT

Straty wydajności – z czego wynikają?

Straty wydajności kolorowych modułów PV są spowodowane głównie mniejszą ilością fotonów przesyłanych do ogniw słonecznych. To prowadzi do uzyskania niższego prądu i zmniejszenia produkcji energii elektrycznej. Barwione moduły dostępne obecnie na rynku posiadają straty mocy w przedziale 10 – 40%. Straty również silnie zależą od koloru modułu, ponieważ każdy kolor charakteryzuje się określonym spektrum odbicia.

Najlepszą osiągalną metodą pod względem wyższej wydajności jest powlekanie interferencyjne. Filtry mogą być wykonane z całkowicie nieabsorpcyjnych materiałów, a ich szczyt odbicia można ustawić tak wąsko, jak to możliwe.

Wysoka cena wadą kolorowych modułów BIPV

Valckenborg podkreśla w swoich wypowiedziach, że największą wadą barwionych paneli BIPV jest cena. Jednym z powodów, dla których kolorowe moduły są nadal znacznie droższe niż konwencjonalne panele, jest fakt, że przemysł budowlany stawia wobec nich wysokie wymagania. Jako element elewacyjny kolorowe moduły BIPV muszą spełniać surowe standardy bezpieczeństwa i być wystarczająco mocne, aby uniknąć wszelkiego rodzaju awarii.

Estetyka głównym czynnikiem zastosowania kolorowych modułów

Kolorowe moduły stanowią idealne rozwiązanie do zastosowań elewacyjnych. Chociażby dlatego, że fasady są znacznie bardziej widoczne niż dachy. Ponadto stosunek ceny do powierzchni dla elewacji wypada znacznie przystępniej niż dla dachów spadzistych. Zatem względny dodatkowy koszt koloru jest znacznie niższy w przypadku zastosowania jako fasada.

Wyniki badań zaprezentowane przez Holendrów mogą stanowić duży krok w rozwoju tego odłamu branży fotowoltaicznej. Dzięki temu architekci odczują większą motywację ku tego typu zintegrowanym rozwiązaniom.

Kolorowe panele BIPV pozwalają zachować funkcjonalność budynków, a zarazem estetykę i co najważniejsze są w stanie produkować energię elektryczną. Takie rozwiązanie ma szansę na popularyzację w najbliższym czasie w innowacyjnym budownictwie nastawionym na energooszczędność budynków i ich samowystarczalność. Wraz z rozpowszechnieniem się tej technologii tworzy się szansa na większą konkurencyjność na rynku, a co za tym idzie spadek cen omawianej technologii.

Opracowano na podstawie pv-magazine.com

Redakcja GLOBEnergia