Zastosowanie modułów fotowoltaicznych (PV) w roli zewnętrznej okładziny budynku jest rozwiązaniem sprawdzonym i wielokrotnie przetestowanym. 



Nowoczesne materiały można instalować w miejscu konwencjonalnego szkła na powłokach różnego typu – pionowych, pochylonych lub zakrzywionych elewacjach, a także w postaci pokrycia dachowego. 



Szklana okładzina BiPV (ang. Building Integrated Photovoltaics) jako integralny element struktury stanowi zaawansowaną technologicznie skórę budynku, która chroni od warunków zewnętrznych, kreuje nowoczesną estetykę, a dodatkowo generuje czystą energię elektryczną.

 

BIPV 

Rys. 1. Schemat konstrukcji wentylowanej fasady z okładziną BiPV

 

Technologia CIS
Moduły fotowoltaiczne z ogniwami z krzemu krystalicznego (c-Si) należą jak dotąd do najczęściej sprzedawanych. Dla bezpośredniej integracji z budynkiem mają jednak pewne wady, takie jak wysoka wrażliwość na wysokie temperatury oraz zacienienie. Ze względów estetycznych nie zawsze spotykają się też z akceptacją projektantów i inwestorów.



Interesującą alternatywę stanowią moduły cienkowarstwowe z ogniwami z krzemu amorficznego a-Si, selenku indowo-miedziowego CIS (CIGS) lub tellurku kadmu CdTe. W ostatnich latach na rynku materiałów BiPV coraz większą popularność zyskują szklane moduły CIS. Ich charakterystyczna ciemna i jednolita powierzchnia, znacznie bardziej jednorodna niż w przypadku materiałów krystalicznych oraz duża elastyczność pod względem kształtów i wymiarów sprawiają, że moduły te uznawane są za szczególnie atrakcyjne dla zastosowań architektonicznych.



Bazowym materiałem jest zwykłe szkło okienne float (2-3 mm), na którym rozpylany jest materiał półprzewodnikowy, około 50 razy cieńszy od ludzkiego włosa (grubość ogniw cienkowarstwowych jest zredukowana do 1% w porównaniu do krzemu krystalicznego). Szklane podłoże dla wyjątkowo cienkich ogniw stanowi jednocześnie tylną warstwę ich ochronnej obudowy. Po zalaminowaniu folią lub żywicą z drugą taflą szkła hartowanego (4-5 mm) powstaje hermetyczna „kapsuła” – moduł PV.



Wydajność energetyczna komercyjnych ogniw CIS kształtuje się na poziomie 7-11%. Mimo niższej sprawności w porównaniu do krzemu krystalicznego (11-19%) w skali roku moduły CIS zapewniają wysokie zyski energii. Są zdecydowanie bardziej efektywne i niezawodne w gorszych warunkach oświetlenia, tzn. w pochmurne dni a nawet przy częściowym zacienieniu, a także mniej wrażliwe na wysokie temperatury. Cechy te stanowią ważną zaletę dla bezpośredniej integracji z budynkiem, w szczególności aplikacji fasadowych.

 

Pozytywne aspekty ekologiczne technologii cienkowarstwowej to przede wszystkim niskoenergochłonne procesy produkcyjne oraz mniejsze zużycie materiału półprzewodnikowego. Wielu producentów należy do stowarzyszenia PV Cycle, które zobowiązuje do przyjmowania zwrotów modułów i ich recyklingu.



Szklane panele CIS przeznaczone do integracji z budynkami wytwarza m.in. SULFURCELL. Producent oferuje standardowe moduły z obramowaniem (fot. 1), bezramowe laminaty oraz specjalne materiały dla pokrycia dachu.



Firma WÜRTH SOLAR wprowadziła na rynek moduły o nazwie GeneCIS (fot. 2). Instalowane na fasadach mogą zapewnić roczne zyski energii na poziomie 50-60 kWh/m2 (na dachach 70-90 kWh/m2). Wysoka jakość estetyczna, duże możliwości wyboru wzorów i parametrów technicznych zwracają uwagę projektantów.

Na rynku masowo produkowanych modułów cienkowarstwowych rekordową sprawność energetyczną – 12% - osiągnęły moduły CIGS wytwarzane przez Q-Cells. Jak dotąd bezkonkurencyjne pod względem wydajności nowoczesne materiały o nazwie Q.SMART przystosowane są do szerokiej gamy aplikacji architektonicznych (fot. 3).

 

 Fot. 1. Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik, Berlin Adlershof. Czarna, zakrzywiona ściana solarna o powierzchni 640 m2 (80 x 8 m) składa się z 732 standardowych modułów CIS typu SCG-HV-F.
Moduły posiadają obramowanie z czarnego anodyzowanego aluminium ze specjalnymi otworami do odprowadzenia wody [fot. SULFURCELL,
www.sulfurcell.com]

 

Fot. 2. Wieża solarna, Heilbronn. Na fasadach zainstalowano 160 szklanych modułów CIS o łącznej mocy 8 kWp [fot. WÜRTH SOLAR, www.wuerth-solar.de]

 

Fot. 3. Q.SMART UF 70-90 – szklany moduł CIGS do zastosowań architektonicznych, prod. Q-Cells. Najbardziej wydajny energetycznie wśród masowo produkowanych modułów cienkowarstwowych. Wymiary 1190 x 630 x 7,3 mm, waga 13,2 kg [fot. Q-Cells, www.q-cells.com]

 

 

Wentylowane fasady
Wystawione na działanie promieniowania słonecznego ogniwa fotowoltaiczne silnie się nagrzewają. Moduły zintegrowane z konstrukcją pracują w szczególnie wysokich temperaturach – w lecie może to być +50÷80oC (zdecydowanie więcej niż standardowo przyjęte dla warunków testowych +25oC).



Sprawność fotoogniw jest funkcją odwrotną temperatury – wraz z jej wzrostem maleje wydajność energetyczna. Co prawda materiały cienkowarstwowe CIS nie reagują tak silnie na wysokie temperatury jak krystaliczne, najkorzystniejszym rozwiązaniem są jednak tzw. zimne fasady, w których cyrkulacja powietrza umożliwia chłodzenie tylnej strony modułów.



W wielowarstwowej, wentylowanej strukturze mocowane do podkonstrukcji elementy okładziny BiPV generują energię elektryczną, jednocześnie tworząc ochronną i dekoracyjną skórę, która musi unieść siłę własnego ciężaru, być odporna na odkształcenia, parcie wiatru, itd.



Podkonstrukcję dla modułów PV tworzy regularna siatka profili przymocowanych do konstrukcji nośnej. Pozwala ona na regulowanie odległości między ścianą nośną a okładziną, umożliwiając zastosowanie w tej przestrzeni izolacji termicznej o żądanej grubości, przy jednoczesnym zachowaniu szczeliny powietrznej dla wentylacji (rys. 1). Cyrkulacja powietrza chłodzi moduły i zapobiega wewnętrznej kondensacji wilgoci, co korzystnie wpływa m.in. na problem korozji.



Jak dotychczas nie zostało naukowo stwierdzone, jaki przekrój szczeliny powietrznej jest optymalny, nieznane są też skutki ewentualnych turbulencji powietrza [2].



Wolna przestrzeń pomiędzy modułami a konstrukcją nośną pozwala na swobodne rozmieszczenie instalacji elektrycznej. Kable umieszczone w specjalnych korytkach ochronnych mogą zostać poprowadzone zarówno w szczelinie powietrznej, jak i w warstwie izolacji termicznej. W systemach profilowych (np. konstrukcjach słupowo-ryglowych) chowane są wewnątrz profili.



Tradycyjny, wertykalny układ elewacji nie oferuje idealnych warunków dla generacji energii elektrycznej z promieniowania słonecznego. Nachylenie modułów za pomocą specjalnej podkonstrukcji może polepszyć zyski energetyczne systemu BiPV, chociaż nie zawsze będzie korzystne ze względów architektoniczno-konstrukcyjnych, zmienia bowiem płaszczyznę i strukturę fasady.


Z drugiej strony, moduły mogą wówczas funkcjonować jako system zacieniający dla okien i wejść. Alternatywą może być też pochylenie pod odpowiednim kątem całej struktury fasady (fot. 9). Tego rodzaju rozwiązania stosowane są w wielu budynkach w najbardziej widocznej, reprezentacyjnej strefie wejściowej.

 

Fot. 4. Kaseta solarna SCG-CC, prod. SULFURCELL. System mocowania szklanych modułów CIS na fasadach wentylowanych [fot. SULFURCELL]  

 


Układ elementów
Modularność systemu fotowoltaicznego jest dużą zaletą dla integracji architektonicznej. Umożliwia szybki i łatwy montaż, a także demontaż w razie potrzeby naprawy czy wymiany poszczególnych elementów. Struktury modularne pozwalają ograniczyć koszty instalacji i ułatwiają przeprowadzenie niezbędnego dla funkcjonowania systemu okablowania.



Układ i odległości pomiędzy poszczególnymi panelami okładziny BiPV można kształtować w zasadzie dowolnie. Priorytetem będzie oczywiście kwestia ustawienia względem Słońca, a także ekonomiczność i funkcjonalność instalacji, polegająca na optymalnym powiązaniu funkcji osłony i generatora energii. Ze względów ekonomicznych korzystniejsze jest wstępne łączenie poszczególnych modułów PV w panele większego formatu, co ułatwia montaż, ogranicza ilość punktów mocujących i redukuje okablowanie.



Poszczególne elementy okładziny mogą tworzyć wodoszczelną skórę lub stanowić tylko zewnętrzną, dodatkową warstwę dobrze zaizolowanej powłoki. W rozwiązaniach fasad wentylowanych systemy z otwartymi fugami uznaje się za szczególnie korzystne. Szczeliny między elementami okładziny zwiększają cyrkulację powietrza, dzięki czemu wilgoć i para wodna są lepiej kontrolowane, lepsze jest również chłodzenie modułów.



W razie konieczności demontaż pojedynczego elementu jest ułatwiony i nie ma problemu ze zniszczeniem sąsiednich. Dla uzyskania szczelnej powłoki, fugi pomiędzy elementami PV można zamknąć specjalnymi masami uszczelniającymi lub listwami. Alternatywnym rozwiązaniem jest konstrukcja fasady z prefabrykowanych systemów profilowych, takich jak powszechne systemy słupowo-ryglowe, gdzie chwycone ze wszystkich 4 stron moduły stanowią wypełnienie lekkiego szkieletu.



Szklane moduły CIS można łączyć ze sobą lub zestawiać z innymi, konwencjonalnymi materiałami w różnych kompozycjach (fot. 6). W miejscach, gdzie spotykają się materiały o różnych właściwościach, innej tolerancji na obciążenie i reakcji na warunki atmosferyczne ważne jest odpowiednie zaprojektowanie połączeń.

 

Fot. 5. Zamek San Giogio, La Spezia. Solarna tablica informacyjna z sześcioma prototypowymi modułami CIS z nadrukiem na frontowej szybie, opracowana przez WÜRTH SOLAR w ramach projektu PVACCEPT. Tablicę umieszczono w odległości 10 cm od zabytkowego muru na specjalnej podkonstrukcji mocowanej w niewielu punktach dla minimalnej ingerencji w historyczną konstrukcję [fot. www.pvaccept.de]

 


Fot. 6. Demonstracyjna fasada z modułami CIS w otoczeniu paneli aluminiowych, Widderstall. Instalacja testowana w ramach programu BiPV-CIS [fot. ZSW]



Techniki mocowania
Praktycznie wszystkie systemy szklanych przegród są odpowiednie dla okładzin CIS. Między innymi w tym celu standardowe moduły produkowane są w odpowiednim kształcie i rozmiarze porównywalnym do typowych tafli szkła. Specjalne zmiany w konstrukcji oraz dodatkowe nakłady finansowe nie zawsze są więc konieczne, tym bardziej że wiele firm solarnych, a nawet niektóre budowlane, oferuje już własne standaryzowane systemy mocujące dla wentylowanych fasad BiPV (np. SOLARCENTURY, ZYTECH SOLAR, WYSS ALUHIT, ONYX SOLAR).



Techniki mogą być różne: liniowe, punktowe, itd. W przypadku mocowania punktowego moduł musi być przytwierdzony co najmniej w czterech miejscach. W razie wiercenia otworów wykorzystuje się materiały produkowane na zamówienie ze specjalnym nieaktywnym rantem dla uniknięcia uszkodzenia ogniw. 



Moduły CIS można też zawieszać tak samo jak konwencjonalne panele czy kasety w lekkich ścianach osłonowych (fot. 4), z użyciem zatrzasków, zacisków, zaczepów, kotew, itd.



Niewidoczne od strony zewnętrznej mocowanie poprzez klejenie jest także możliwe, ale ze względów bezpieczeństwa okładziny elewacyjne muszą mieć dodatkowe zabezpieczenie mechaniczne, ukryte pod listwami maskującymi.



Estetyka
Zgodnie ze słynnym stwierdzeniem "less is more" minimalistyczna estetyka gładkich, czarnych modułów z selenku indowo-miedziowego uznawana jest za szczególnie atrakcyjną. Widoczne z pewnej odległości, innowacyjne materiały produkujące elektryczność są w zasadzie nie do odróżnienia od zwykłego, czarnego szkła budowlanego.



Od kilku lat technologia cienkowarstwowa CIS jest silnie rozwijana pod kątem szerszych zastosowań architektonicznych. Coraz większy nacisk kładziony jest na zapewnienie wysokiej jakości modułów pod względem estetycznym. Producenci i naukowcy podejmują próby kształtowania materiałów o bardziej zróżnicowanym wyglądzie, powstają prototypy systemów fasadowych, które mają umożliwić lepszą integrację z budynkiem. W przypadku instalacji BiPV uzyskanie zadowalających rezultatów często okazuje się niezwykle trudne, szczególnie gdy ostentacyjnie rzucający się w oczy system solarny tworzy dysonans z otoczeniem.



W ramach niemiecko-włoskiego projektu badawczego PVACCEPT (2001-2004) opracowano prototypy materiałów dla integracji z budynkami istniejącymi. Instalacja innowacyjnych modułów w przestrzeni publicznej udowodniła, że nowoczesne technologie mogą dobrze integrować się z otoczeniem i wcale nie muszą pozostawać w sprzeczności z obiektami o charakterze historycznym (fot. 5).



Międzynarodowa grupa specjalistów biorąca udział w programie BiPV-CIS (2004-2007) pracowała nad modyfikacją wizualnego aspektu modułów CIS, próbując określić potencjał technologii i potrzeby dla szerszej integracji architektonicznej. Przetestowano m.in. nowe rozwiązania frontowej obudowy szklanej o różnej strukturze, kolorystyce i refleksyjności (fot. 6-7).

 

Fot. 7. Instalacja testowa szklanych modułów CIS, program BiPV-CIS. Aspekt wizualny uzależniony jest od koloru, struktury i refleksyjności frontowej szyby modułu oraz optycznych efektów wynikających z wzajemnych oddziaływań absorbera i szkła [fot. http://bipv-cis.info]

 


Fot. 8. SchapfenMühle, Ulm. Fasadowa instalacja BiPV z modułów CIS – widok od strony południowej [fot. www.bipvcn.com]



Przykłady realizacji
SchapfenMühle, Ulm
Punktem wyjściowym koncepcji projektowej było wyeksponowanie obiektu zlokalizowanego przy wjeździe do miasta Ulm. Prostopadłościenna „wieża” o wysokości 114,6 m jest trzecim co do wysokości budynkiem w mieście i najwyższym na świecie funkcjonującym silosem. Pomimo typowo przemysłowej, technicznej funkcji aspekty formalne odgrywały w tym wypadku bardzo ważną rolę, wiele wysiłku włożono więc w zapewnienie wysokiej jakości architektonicznej. Widoczny z daleka, ekstremalnie smukły i wysoki budynek przyciąga wzrok. Dodatkową „atrakcją” architektoniczną jest zintegrowany z fasadą system fotowoltaiczny (fot. 8).



Okładzina BiPV składająca się z ponad 1300 modułów pokrywa większą część elewacji południowej i wąski pas wschodniej. Zastosowano bezramowe, szklane moduły cienkowarstwowe CIS produkowane przez WÜRTH SOLAR, które zawieszono na metalowej konstrukcji słupowo-ryglowej. Duże wymagania techniczne dla tak wysokiej instalacji wymagały pewnych modyfikacji materiału, w tym polepszenia parametrów wytrzymałościowych szkła.



Technologię CIS wybrano ze względu na formalne i użyteczne właściwości – jednolita, czarna, matowa powierzchnia szklanej okładziny jest funkcjonalna i estetyczna. Optycznie dobrze integruje się z prostą formą i metalowymi panelami w pozostałych fragmentach fasady.



Imponująca, 102 m wysokości instalacja BiPV jest najwyższą na świecie realizacją z cienkowarstwowych materiałów CIS. Wg producenta modułów budynek ten jest dowodem na to, że tradycja, rzemiosło i technologie przyszłości mogą znakomicie funkcjonować pod jednym dachem. System o łącznej mocy 98 kWp generuje rocznie 70 000 kWh czystej elektryczności (równolegle dostarczana jest ona do trzech faz lokalnej sieci energetycznej), co pozwala uniknąć emisji 50 000 kg CO2.



Technium OpTIC (Opto-electronics Technology and Incubation Centre), St Asaph
Centrum technologiczno-inkubacyjne Technium OpTIC jest jednym z najnowocześniejszych obiektów tego typu w Europie. Proekologiczny budynek wzbudza duże zainteresowanie, w szczególności jego południowa fasada BiPV o charakterystycznej geometrii i kolorze (fot. 9).



Ściana solarna jest dominującym elementem architektonicznym. Nachylona pod kątem 70o struktura pokryta została cienkowarstwowymi modułami CIS.

Gładka i jednolita szklana okładzina wygląda niczym spływająca z dachu do ziemi czarna fala. Uzyskanie odpowiednich materiałów doprowadziło do poszukiwań na skalę światową (z rynku wycofywali się kolejni producenci).



Dostarczone ostatecznie przez firmę SHELL moduły wymagały zmiany koncepcji fasady. Architekci wraz z wykonawcami zaprojektowali dla wentylowanej przegrody specjalną podkonstrukcję (fot. 10). Charakterystyczny, zakrzywiony kształt fasady wymagał specjalnej podkonstrukcji i precyzyjnych połączeń. Płaskie, szklane moduły CIS nie są giętkie, dla uzyskania odpowiedniego efektu umieszczono je pod różnym kątem na specjalnych wspornikach mocowanych do wodoodpornej warstwy. Cyrkulacja powietrza za panelami chłodzi je i utrzymuje w optymalnej temperaturze.



Fasada BiPV o powierzchni 1200 m2 i mocy 85 kW jest jedną z największych w Europie instalacji CIS, pierwszą tego typu w Wielkiej Brytanii. System fotowoltaiczny pokrywa około 5% zapotrzebowania energetycznego budynku, redukując szkodliwe emisje CO2 o 30 ton rocznie. Budynek uhonorowano m.in. główną nagrodą w kategorii budownictwa zrównoważonego (Sustainability Awards 2005), a także RICS Wales Sustainability Award jako stylowy przykład nowoczesnej architektury i model energooszczędności.



Sulfurcell Solartechnik, Berlin
Eleganckie fasady nowej siedziby firmy SULFURCELL to kolejny przykład na to, że solarna instalacja BiPV może być jednocześnie estetyczna, funkcjonalna i ekonomiczna (fot. 11). W pilotażowym projekcie SULFURCELL pierwszy raz zastosowała opracowany przez siebie system solarnych kaset SCG-CC (fot. 4).



Architekci KREHL.GIRKE i wykonawca GOLDBECK-BAU opracowali specjalną strukturę wentylowanej fasady. Szklane moduły CIS zawieszono na podkonstrukcji na wzór konwencjonalnych paneli okładzinowych. Wentylowane od tyłu kasety wyposażono w specjalne kanały odwadniające. Kontrola wody opadowej pozwala utrzymać suchą izolację termiczną, cyrkulacja powietrza chłodzi moduły.



Specjalna technologia klejenia bezramowych modułów CIS pozwoliła uzyskać od strony zewnętrznej efekt dość jednolitej szklanej płaszczyzny (fot. 11).

Dla osiągnięcia odpowiedniego efektu estetycznego na wszystkich ścianach budynku administracyjnego umieszczono moduły CIS, jednak nie wszystkie z nich są aktywne. Małe grupy paneli PV nieregularnie rozmieszczono na elewacjach hali produkcyjnej. Błyszczący, czarny wygląd modułów CIS kontrastuje z typowo industrialnym pokryciem z szarej blachy falistej.

Elektryczność generowana przez instalację fasadową składającą się z 900 modułów fotowoltaicznych pokrywa 1/3 zapotrzebowania na energię budynku administracyjnego. Pozostałą część zapewnia system solarny umieszczony na dachu hali produkcyjnej, dzięki czemu administracja jest w 100 % niezależna energetycznie.

 

Magdalena Muszyńska-Łanowy

 

Bibliografia
[1] GEYER D., Thin Film Applications for BIPV, International Workshop on BIPV, Nice 2008
[2] HAGEMANN I.B., Gebäudeintegrierte Photovoltaik. Architektonische Inte gration der Photovoltaik in die Gebäudehülle, Müller, Köln 2002
[3] 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
[4] http://bipv-cis.info
[5] www.detail.de
[6] www.epia.org
[7] www.pvaccept.de
[8] www.q-cells.com
[9] www.sulfurcell.com
[10] www.wuerth-solar.de

 

  

Fot. 9. Technium OpTIC, St Asaph – widok południowej fasady BiPV. Woda deszczowa spływa po gładkich szklanych modułach CIS do sadzawki u podstawy ściany, zasilając podziemne zbiorniki [fot. NREL, www.nrel.gov]

 


Fot. 10. Technium OpTIC, St Asaph – w trakcie budowy. 2400 modułów CIS o wymiarach 1400 x 350 mm połączono w fabryce w 400 większych paneli. Do ich tylnej strony zamocowano wytłaczane profile Unirac. Sekcję zakrzywioną wykonano z zimnogiętych, odpowiednio ukształtowanych profili. Gotowe podsystemy przetransportowano na plac budowy i zamocowano za pomocą specjalnych klipsów [fot. NREL, www.nrel.gov ]

 

Fot. 11. Fabryka Sulfurcell, Berlin – detal okładziny BiPV z modułami CIS. Błyszczące czarne moduły szklane kontrastują z brązowym kolorem drewnianych paneli [fot. Sulfurcell]

 

 

Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym

 

patrz też:

- Arkada słoneczna budynku „Solar Fabrik” we Freiburgu , Janusz Marchwiński,  Świat Szkła 5/2007


- Technologia fotowoltaiczna na dachach budynków - spojrzenie architektoniczne , Janusz Marchwiński, Świat Szkła 6/2006 

 

-  Kolektory słoneczne w architekturze budynków niemieszkalnych , Janusz  Marchwiński , Świat Szkła 1/2005

 

 

inne artykuły tego autora:

 

- Fotowoltaiczne systemy przeciwsłoneczne , Magdalena Muszyńska-Łanowy , Świat Szkła 3/2011 

 

- Szklane fasady fotowoltaiczne - energooszczędność i komfort Część 1 , Magdalena Muszyńska-Łanowy, Świat Szkła 11/2010

 

- Czarne fasady - fotowoltaiczne okładziny CIS, Magdalena Muszyńska-Łanowy, Świat Szkła 7-8/2010

 

- Szkło fotowoltaiczne, Magdalena Muszyńska-Łanowy, Świat Szkła 6/2010

 

- BiPV - fotowoltaika zintegrowana z budynkiem , Magdalena Muszyńska-Łanowy, Świat Szkła 5/2010

 

 

 więcej informacji: Świat Szkła 7-8/2010

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne

 

 

  • 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.