Szkło było pierwszym materiałem budowlanym, z którym trwale zintegrowano ogniwa fotowoltaiczne (PV). Z początkiem lat 90. XX wieku firma FLACHGLAS opracowała innowacyjny produkt, osadzając ogniwa w transparentnej żywicy, pomiędzy dwiema warstwami szkła izolacyjnego.

Joachim Benemann, jeden z pierwszych propagatorów nowej technologii, opisał to w następujący sposób: ideą było, [iż] skoro szkło staje się tak bardzo zaawansowanym i innowacyjnym estetycznie materiałem budowlanym o wielu specjalistycznych właściwościach, takich jak odbicie promieniowania słonecznego, izolacja cieplna, dźwiękowa i kuloodporna, dlaczego nie miałoby być użyte jako skóra budynku produkująca równocześnie energię elektryczną? Stwierdziliśmy zatem – zamknijmy ogniwa w szkle i zróbmy to w estetyczny wizualnie sposób, aby sprostać wymaganiom architektów i zwiększyć zainteresowanie nową technologią [4, s. 157].

Wkrótce architekci przekonali się, że nowe szkło fotowoltaiczne jest komercyjnym produktem, który można użyć jak zwykły materiał budowlany. W 1991 na południowej ścianie budynku w Aachen zrealizowano fasadową instalację BiPV (ang. Building Integrated Photovoltaics) – po raz pierwszy szklana ściana zaczęła produkować energię.

Fot. 1. Ertex Solar, Amstetten. Indywidualnie wyprodukowane moduły PV z izolacyjnego, laminowanego szkła bezpiecznego VSG-ISO [www.ertex-solar.at/cms]

Na rynku fotowoltaiki otworzyły się nowe możliwości. Rozpoczęto badania i wdrażanie innowacyjnych materiałów solarnych, projektowanych specjalnie dla bezpośredniej integracji z budynkiem. Pierwsza linia produkcyjna wyspecjalizowanych szklanych modułów fotowoltaicznych ruszyła w 1993.

W Stanach Zjednoczonych Departament Energii (U.S. Department of Energy DOE) rozpoczął program wspierający rozwój systemów BiPV, w ramach którego rozwinięto linię prefabrykowanych komponentów o nazwie PowerWall™. Działania naukowców, firm solarnych i budowlanych, a także rosnące zainteresowanie technologią spowodowały, że rynek komercyjnych materiałów BiPV szybko się rozwinął. Dziś inwestorzy i projektanci mają do dyspozycji szeroką gamę produktów.

Materiały

Najprostszym i najtańszym rozwiązaniem jest wykorzystanie masowo wytwarzanych standardowych modułów fotowoltaicznych ze szklaną obudową, bowiem ich kształty i rozmiary mogą być takie same, jak w przypadku zwykłych tafli szkła. Niezależnie od wybranej technologii fotoogniw (krzem krystaliczny c-Si, krzem amorficzny a-Si, selenek indowo-miedziowy CIS, tellurek kadmu CdTe) efektem końcowym jest zaawansowany technologicznie materiał budowlany, który może zastąpić tradycyjne szkło.

Zwykłe moduły typu szkło-szkło, w których obustronną obudowę ogniw tworzy pojedyncze szkło (TVG, ESG), mogą być wykorzystane tylko tam, gdzie nie ma specjalnych wymogów co do kwestii bezpieczeństwa oraz właściwości termalnych szklanej konstrukcji. W nowoczesnych szklanych powłokach elementy BiPV powinny mieć bardziej wyspecjalizowane właściwości, ponieważ poza generowaniem energii elektrycznej, spełniają dodatkowe funkcje – chronią wnętrze, regulują przepływ energii, kształtują estetykę przegrody.

Dlatego producenci poszerzają ofertę o nowoczesne produkty optymalizowane specjalnie dla celów architektonicznych. Szkło fotowoltaiczne dla zastosowań budowlanych produkowane jest w większości przypadków na zamówienie – standaryzowane elementy odpowiednio połączone ze sobą tworzą w rezultacie wielofunkcyjny materiał, o parametrach dostosowanych do konkretnych potrzeb.

Dobierane są odpowiednie ogniwa, kształt i wymiary modułu oraz rodzaje szkła w jego obudowie ochronnej. Postęp technologiczny, zarówno w dziedzinie fotowoltaiki jak i materiałów szklanych, pozwala na realizację niejednokrotnie dość wyszukanych rozwiązań.

W systemach zintegrowanych z budynkiem, szczególnie ważną kwestią jest odpowiedni dobór fotoogniw, co wiąże się nie tylko z wyborem materiału półprzewodnikowego, ale i kształtem poszczególnych elementów, ich wymiarem, ułożeniem, kolorem. Wszystko razem wpływa na efektywność energetyczną szkła fotowoltaicznego, jego walory funkcjonalne i estetyczne. Firmy wytwarzające materiały BiPV wykorzystują elementy różnych producentów, co daje projektantom dużą swobodę twórczą. Ten sam system szklanej fasady połączony z ogniwami innego typu będzie dla architekta zupełnie nowym narzędziem (fot. 1).

Zaletą technologii BiPV jest możliwość integracji fotoogniw z wieloma rodzajami szkła budowlanego. Szczególne korzyści wynikają z zastosowania szkła wielofunkcyjnego, np. izolacyjnego, laminowanego, rozpraszającego światło, antywłamaniowego itd. Różnorodność właściwości dostępnych produktów otwiera szerokie spektrum możliwości kształtowania nowoczesnej szklanej struktury.

Ze względu na konieczność maksymalnego wykorzystania promieniowania słonecznego przez ogniwa fotowoltaiczne, frontowa warstwa szklanego elementu BiPV musi w każdym wypadku spełniać warunki optymalnej transmisji światła. Dla ograniczenia osadzania się brudu, który powoduje obniżenie efektywności energetycznej, materiał powinien być równy, płaski i gładki, najlepiej samoczyszczący. Najczęściej stosowane jest szkło białe o niskiej zawartości tlenku żelaza, charakteryzujące się dużą przepuszczalnością światła.

Fot. 2. SGG ALBARINO P® – extra-białe szkło ornamentowe dla modułów PV, prod. Saint-Gobain Glass [www.saint-gobain-glass.com]

Straty związane z odbiciem światła od przedniej szyby można ograniczyć za pomocą specjalnej powłoki antyrefleksyjnej. Jednocześnie taka powłoka zmniejsza ilość odblasków od zewnętrznej powierzchni, co jest ważne w przypadku usytuowania szklanych elementów przy ciągach komunikacyjnych [5].

Materiały o absorpcji selektywnej, np. SGG PV-Lite® produkowane przez SAINT-GOBAIN GLASS, zwiększają transmisję światła w zakresie fal przekształcanych w energię elektryczną, redukują natomiast transmisję w zakresie podczerwonym, chroniąc zarówno moduły, jak i wnętrze budynku od nadmiernego nagrzewania. Opracowane specjalnie dla modułów PV teksturyzowane szkło ornamentowe SGG ALBARINO® pozwala zwiększyć ich efektywność energetyczną o około 3% w skali roku (fot. 2).

Interesującym rozwiązaniem jest zastosowanie folii holograficznych HOE (holograficzne elementy optyczne) specjalnie ukierunkowujących światło. Badania prowadzone przez Helmuta F.O. Müllera na Uniwersytecie w Dortmundzie wykazały, że są one skuteczne w zarządzaniu światłem oraz w optymalizacji zysków z energii solarnej dla konwersji fotowoltaicznej. Transparentna folia Holo-Volt® zalaminowana w szkle klejonym i umieszczona przed fotoogniwami skupia na nich bezpośrednie promieniowanie słoneczne, jednocześnie pozwalając na przejście przez przegrodę światła rozproszonego. Połączenie holografii i fotowoltaiki można zobaczyć m.in. w elewacji fabryki Scheuten Solar w Gelsenkirchen (fot. 3). Przeciwsłoneczny system BiPV skutecznie chroni wnętrze budynku przed olśnieniem i przegrzaniem, dodatkowo zapewniając charakterystyczne efekty wizualne w postaci zmieniających się tęczowych kolorów.

Fot. 3. Scheuten Solar, Gelsenkirchen. Szklany system przeciwsłoneczny BiPV z folią holograficzną Holo-Volt® [fot. Magdalena Muszyńska-Łanowy]

Innego rodzaju powłoki, tj. niskoemisyjne, ceramiczne, kolorowe folie, nadruki itp., można stosować jedynie na wewnętrznej stronie szklanego systemu BiPV, tzn. z tyłu fotoogniw. Generalnie, co do tylnej warstwy modułów nie ma praktycznie żadnych ograniczeń materiałowych, bowiem w przeciwieństwie do frontowej, nie musi być ona transparentna. Zarówno dla celów estetycznych jak funkcjonalnych, szkło można więc różnie kształtować za pomocą koloru (fot. 4), nadruku itd.

Fot. 4. SCHOTT Ibérica, Sant Adrià de Besòs. Fasada BiPV z szyb zespolonych – połączenie semitransparentnych modułów ASI THRUTM ze szkłem kolorowym SCHOTT IMERATM [fot. SCHOTT Ibérica SA, www.etsav.upc.edu/unitats/cisol]

Użycie szkła fotowoltaicznego w powłoce budynku wiąże się z koniecznością spełnienia przez nie wysokich wymagań pod względem bezpieczeństwa. Zintegrowane z ogniwami szkło bezpieczne stosowane jest w elewacjach o dużych powierzchniach, konstrukcjach zawieszonych nad głową (dachy, atria) oraz wszędzie tam, gdzie istnieje ryzyko zranienia (zadaszenia, balustrady, żaluzje). Dostępne są różne rozwiązania, np. wykorzystanie szkła laminowanego VSG w tylnej obudowie szklanego modułu (fot. 1, 5).

Folia PVB zabezpieczająca przed rozsypaniem szkła stanowi jednocześnie dobrą ochronę antywłamaniową. W zależności od potrzeb realizowane są też bardziej złożone, wielowarstwowe konstrukcje. Innym sposobem jest użycie w obudowie modułu tworzywa sztucznego. Dzięki zastąpieniu konwencjonalnego szkła materiałem akrylicznym (PMMA) ostateczny produkt jest lżejszy, przez co może osiągnąć większe rozmiary. SUNOVATION oferuje moduły PV wykonane z użyciem transparentnego Plexiglas® lub Makrolon®, które pozwalają na redukcję końcowej wagi modułu o 60 % w stosunku do elementu wykonanego ze zwykłego szkła [9].

Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych w szybach zespolonych (fot. 4) powoduje, że materiał BiPV zyskuje lepsze właściwości termalne, dzięki czemu staje się atrakcyjniejszym produktem budowlanym. Budowa takiego elementu różni się od konwencjonalnego rozwiązania jedynie tym, iż zewnętrzną taflę szkła zastępuje szklany moduł PV. Tak jak w konwencjonalnych systemach, zestaw szyb połączony jest na obwodzie ramką dystansową z elastycznym uszczelnieniem, przestrzeń międzyszybowa wypełniona jest specjalnym gazem.

Teoretycznie, ogniwa solarne mogą być umieszczane zarówno w zewnętrznej, jak i wewnętrznej warstwie szklenia. Z reguły jednak moduły PV tworzą warstwę zewnętrzną, ze względu na bezpośrednie wystawienie ogniw na działanie promieniowania słonecznego. Wewnętrzną warstwę tworzy wówczas pojedyncza szyba float lub szkło wielowarstwowe, bezpieczne. Dla polepszenia parametrów termicznych na tylnym szkle można dodatkowo zastosować warstwę niskoemisyjną, a gdy efekt transparentności nie jest pożądany zabarwić je lub pokryć sitodrukiem.

Fot. 5. Scheuten Solar, Gelsenkirchen. Trzy rodzaje szkła fotowoltaicznego w roli nieprzezroczystej okładziny elewacyjnej, częściowo transparentnych okien oraz nachylonej struktury BiPV [fot. Magdalena Muszyńska-Łanowy]

W każdym wypadku przeprowadzenie okablowania elektrycznego do tyłu uszczelnionej jednostki musi być wykonane z dużą starannością, bowiem jakakolwiek penetracja do przestrzeni międzyszybowej może się przyczynić do zamglenia szyb, obniżenia wartości izolacyjnej lub krótkiego spięcia [3]. Zastąpienie wewnętrznego szklenia modułem PV również jest możliwe, jednak powoduje zbyt duże straty wskutek odbicia i absorpcji światła od zewnętrznej szyby.

Fot. 6. Katamaran solarny. Moduły Sunovation® z PLEXIGLAS® tworzą zakrzywione, częściowo transparentne zadaszenie [fot. Sunovation, www.solarpeace.ch/solarpeace/Images]

Szkło budowlane, kojarzone głównie z płaskimi powierzchniami, może mieć zupełnie inne oblicze - w procesie gięcia nadawana jest nowa jakość funkcjonalna i estetyczna, która pozwala architektom na projektowanie bardziej zróżnicowanych form. Szkło gięte odpowiednie dla integracji z ogniwami fotowoltaicznymi oferuje m.in. włoska firma CURVET. Dla uzyskania efektu zakrzywienia można też wykorzystać szkło organiczne, którego giętkość pozwala na uzyskanie każdego w zasadzie kształtu (fot. 6).

Transparentność

Szkło fotowoltaiczne jest nieprzezierne lub częściowo transparentne – jak dotąd żadna z technologii nie pozwala na całkowitą przezroczystość materiału.

Elementy nieprzezroczyste wykorzystywane w architekturze w roli pokrycia dachowego, okładzin fasad zimnych, czy w systemach ciepło-zimnych jako spandrele, mogą mieć różną budowę. W przypadku zastosowania konwencjonalnych materiałów krystalicznych (c-Si) nieprzezroczyste ogniwa ułożone blisko siebie nie pozwalają na większe prześwity światła pomiędzy nimi.

Dodatkowo, tylna warstwa obudowy ochronnej modułu może być wykonana z materiału nieprzezroczystego, np. szkła barwionego w masie, pokrytego kolorową emalią, nadrukiem lub specjalną folią. Jako nietransparentne, produkowane są też różnego rodzaju moduły z ogniwami cienkowarstwowymi, np. ASI Opak Schott Solar, CIS Würth Solar. Wizualnie cechuje je homogeniczna, ciemna powierzchnia (fot. 7).

Fot. 7. Heuchemer GmbH & Co. KG, Miehlen im Taurus. Czarna okładzina elewacyjna ze standardowych szklanych modułów CIS [fot. Sulfurcell, www.sulfurcell.de/41+M52087573ab0.html]

Najbardziej atrakcyjnym produktem jest częściowo transparentne szkło BiPV. Zastosowanie tego rodzaju materiału ma szczególny sens w przypadku szklanych konstrukcji. Ogniwa solarne zintegrowane z przepuszczającym światło materiałem tworzą prawdziwie wielofunkcyjny i interesujący wizualnie komponent budynku lub innego rodzaju strukturę. Efekt końcowy – dotyczy to zarówno kwestii estetycznych, jak i parametrów funkcjonalno-technicznych – zależy od rodzaju użytych ogniw, sposobu ich umieszczenia w module oraz rodzaju podłoża.

Aktualne technologie pozwalają uzyskać transparentność za pomocą metod takich jak:

    * zwiększenie rozstawu pomiędzy ogniwami solarnymi (c-Si),
    * perforacja ogniw,
    * zastosowanie częściowo transparentnych materiałów cienkowarstwowych (a-Si, CIS, CdTe).

Transparentność szkła fotowoltaicznego kształtowana jest zazwyczaj w granicach 5-30%, maksymalnie do 50%. Należy pamiętać, że wraz z jej wzrostem maleje powierzchnia aktywna ogniw, co wiąże się bezpośrednio ze stratami efektywności energetycznej całej instalacji BiPV.

Fot. 8. Scheuten Solar, Gelsenkirchen. Zagęszczenie ogniw (c-Si) w szklanej fasadzie zmienia się w zależności od kąta padania promieni słonecznych zwiększając lub ograniczając dostęp światła do wnętrza [fot. Magdalena Muszyńska-Łanowy]

W modułach zbudowanych z ogniw z krzemu krystalicznego (jak dotąd najbardziej popularnych), efekt częściowej transparentności uzyskuje się układając poszczególne ogniwa w większych odstępach (fot. 8). Ponieważ z natury są one nieprzezroczyste, światło przedostaje się przez przestrzenie pomiędzy nimi tworząc charakterystyczne efekty wizualne – szachownicę światła i cienia (fot. 9). Dla zwiększenia efektu transparentności ogniwa mogą być mechanicznie perforowane.

Fot. 9. SMA, Niestetal. Nachylona szklana fasada BiPV – widok od strony wnętrza [fot. Magdalena Muszyńska-Łanowy]

Inny efekt osiągnie się stosując szklane moduły cienkowarstwowe. W tym wypadku w trakcie produkcji ogniwa osadzane są bezpośrednio na transparentnym podłożu. Promienie przedostają się przez małe otwory wzornikowane laserem, przy czym spektrum światła pozostaje niezmienione. Poziom jego transmisji zależy od wielkości i zagęszczenia otworów, natomiast sam efekt częściowej transparentności odbierany przez obserwatora, tzw. widzenie na wskroś, zależy dodatkowo od jego usytuowania i kierunku głównego oświetlenia (fot. 10).

Fot. 10. MSK Fukuoka, Nagano. Szklenie BiPV o różnym poziomie transparentności – moduły MSK Solar Design LineTM typu See ThruTM [fot. MSK, www.pvdatabase.org/projects_view_details.php?ID=225]

Firmy solarne oferują szereg rozwiązań materiałowych, zarówno jeśli chodzi o poziom transparentności, jak i kwestie plastyczne. Różne wzory modułów z ogniwami CIS oferuje Würth Solar. Japońska MSK, KANEKA Corporation i architekci Taiyo Kogyo wspólnie opracowali specjalną linię częściowo transparentnych szklanych materiałów dla integracji z budynkiem o nazwie MSK Solar Design Line^TM.

W porównaniu do konwencjonalnych modułów fotowoltaicznych charakteryzują się one wyższym standardem technicznym i estetycznym (fot. 10). Cienkowarstwowe moduły ASI THRUTM wytwarzane przez SCHOTT Solar często wykorzystywane są przez inne firmy z przemysłu budowlanego jako półprodukt w realizacji bardziej złożonych elementów BiPV (fot. 4, 11).

Fot. 11. VOLTARLUX® - różne wzory szkła laminowanego z ogniwami a-Si (materiały reklamowe Glaswerke Arnold GmbH&Co KG)

Testowane są także inne technologie wykorzystujące m.in. ogniwa organiczne oraz nanokrystaliczne. Należy się więc spodziewać, iż wkrótce nowego rodzaju materiały BiPV staną się kolejną, komercyjnie dostępną opcją dla inwestorów i projektantów. Prototypy elementów i pierwsze realizacje są aktualnie w fazie eksperymentalno-badawczej.

KONARKA TECHNOLOGIES wraz z ARCH ALUMINIUM&GLASS pracują nad rozwinięciem linii semitransparentnych paneli szklanych dla integracji z budynkiem o nazwie Active Solar Glass® (ASG). Innowacyjne szkło fotowoltaiczne z dwustronnymi, wysoce efektywnymi ogniwami plastikowymi miałoby zapewnić niespotykaną dotąd transparentność i możliwości kolorystyczne [6]. W 2009 na Florydzie ruszył pilotażowy projekt pierwszej ściany kurtynowej z wykorzystaniem tego materiału (fot. 12).

Fot. 12. Arch Aluminium & Glass, Tamarac. Transparentne i nieprzezroczyste panele szklane z ogniwami Konarka Power Plastic® testowane jako integralny komponent okien i ścian kurtynowych (www.archithings.com/search/solar+technology)

We współczesnej architekturze nowoczesne szkło budowlane znajduje coraz szersze zastosowanie. BiPV stanowią interesującą alternatywę dla konwencjonalnych materiałów – dzięki nim szklana powłoka zyskuje zdolność generowania energii elektrycznej, optymalizuje komfort wnętrza poprzez kontrolę oświetlenia, widoczności i przepływu energii cieplnej, nabierając przy tym nowych wartości estetycznych. Materiały BiPV, ze względu na swój modularny charakter, kształty, wymiary i strukturę porównywalną do zwykłego szkła budowlanego, mogą być użyte w większości standardowych systemów konstrukcyjnych.

Należy jednak pamiętać, iż szkło fotowoltaiczne jest zazwyczaj grubsze i cięższe od konwencjonalnego, do tego dochodzą wymogi związane ze sprawnym funkcjonowaniem systemu solarnego oraz kwestie bezpieczeństwa. Połączenie tradycyjnych i nowoczesnych, zaawansowanych technologicznie elementów w jedną sprawnie funkcjonującą całość pozwala nie tylko spełniać wiele różnych zadań, ale i oszczędzić koszty, materiały oraz energię. Ze wszystkich budowlanych produktów BiPV, szkło zintegrowane z ogniwami fotowoltaicznymi jest jak dotąd najbardziej wielofunkcyjnym materiałem.

Magdalena Muszyńska-Łanowy

Bibliografia:

[1] HAGEMANN I.B., Gebäudeintegrierte Photovoltaik. Architektonische Integration der Photovoltaik in die Gebäudehülle, Müller, Köln 2002.

[2] KISS AND CATHCART ARCHITECTS, Transparent Building-Integrated PV Modules, National Renewable Energy Laboratory, DOE/GO/10262-T1, Golden 1998.

[3] KISS G., KINKEAD J., Optimal Building-Integrated Photovoltaic Applications, National Renewable Energy Laboratory, NREL/TP-472-20339, Golden 1995.

[4] PERLIN J., From space to earth: the story of solar electricity, Harvard University Press, Cambridge, London 2002.

[5] PRASAD D., SNOW M. (eds.), Designing with solar power. A Source Book for Building Integrated Photovoltaics (BIPV), Images Publishing, Mulgrave, Earthscan, London, Sterling 2005.

[6] www.archaluminum.net

[7] www.saint-gobain-glass.com

[8] www.schott.com

[9] www.sunovation.de

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 6/2010

inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne