Energia słoneczna uznawana jest w wielu krajach za najbardziej obiecujące źródło energii odnawialnej. W rezultacie w ostatnich latach na budynkach pojawia się coraz więcej modułów fotowoltaicznych. Pomimo rozwoju specjalistycznej technologii BIPV (ang. Building Integrated Photovoltaics) wizualny aspekt instalacji solarnych jest wciąż mało satysfakcjonujący. Generujące energię elektryczną urządzenia często nie współistnieją dobrze z kontekstem architektoniczno- budowlanym. Umiejętna integracja paneli fotowoltaicznych powinna brać pod uwagę nie tylko kwestie techniczne, ale też funkcjonalne i estetyczne.
Architektoniczna integracja fotowoltaiki jest w znacznym stopniu ograniczona estetyką dostępnych urządzeń. Co prawda, rynek materiałów solarnych oferuje z roku na rok coraz większy wybór produktów zróżnicowanych pod kątem wielkości, kształtu, koloru czy efektywności energetycznej, ale niewiele z nich jest projektowanych specjalnie dla integracji z budynkiem. Nie zawsze też wykorzystywane są odpowiednie elementy – źle dobrane do projektu architektonicznego materiały PV/BIPV negatywnie wpływają na efektywność i wygląd instalacji fotowoltaicznej oraz całego budynku. Może to być skutkiem braku wiedzy i umiejętności projektantów lub wykonawców, trzeba jednak podkreślić, że istotną rolę odgrywa tu kwestia kosztów. W porównaniu do wykonywanego na zamówienie, odpowiednio skonfigurowanego szkła BIPV standardowe moduły PV są tańsze i łatwiej dostępne. Niestety dają znacznie mniej możliwości, jeśli chodzi o wybór i dopasowanie parametrów.
W przypadku integracji z powłoką budynku kolor oraz struktura użytych materiałów mają ogromne znaczenie dla wizualnego aspektu całości. Charakterystyczna estetyka instalacji solarnych raczej nie wzbudza powszechnej akceptacji w środowisku architektów. Typowy wygląd paneli fotowoltaicznych to mniej lub bardziej widoczna, regularna siatka ciemnoniebieskich bądź czarnych ogniw i srebrnych kontaktów elektrycznych (fot. 1). Ponieważ moduły PV uważane są w pierwszej kolejności za urządzenia techniczne służące do konwersji energii, w większości zbudowane są tak, aby optymalnie wykorzystać promieniowanie słoneczne. Dlatego ze względów praktycznych najczęściej stosuje się ogniwa w kolorach ciemnych (dobrze pochłaniających światło).
Dla wielofunkcyjnych systemów BIPV, szczególnie w przypadku integracji z fasadami, kwestie estetyczne bywają czasami ważniejsze niż maksymalizacja zysków energetycznych. Pojawiają się więc także, choć zdecydowanie rzadko, realizacje z użyciem ogniw w innych, jaśniejszych kolorach, takich jak: zielony, fioletowy, szary czy złoty (fot. 2). Zmiana koloru ogniw (krystalicznych), uzyskiwana poprzez nałożenie dodatkowej warstwy antyrefleksyjnej, wiąże się z obniżeniem sprawności energetycznej oraz wysokimi kosztami. Częściej dla uzyskania innego efektu wizualnego wykorzystuje się zatem tylną warstwę obudowy modułu, można ją bowiem dowolnie kształtować – użyć kolorowego materiału, pokryć sitodrukiem itd. Rezultat widoczny jest od wnętrza budynku lub z zewnątrz w wolnej przestrzeni pomiędzy rozstawionymi ogniwami.
Ciemne i zimne kolory konwencjonalnych modułów fotowoltaicznych w wielu wypadkach zbyt mocno rzucają się w oczy, tym bardziej, gdy funkcjonują one w sąsiedztwie innych materiałów, takich jak cegła, kamień, beton czy drewno. Między innymi dlatego tak duży jest wciąż opór przed wprowadzaniem fotowoltaiki do obiektów historycznych. Szczególnie „krzykliwy” wygląd cechuje niebiesko-srebrne panele z ogniwami polikrystalicznymi, w których wyraźnie widoczna struktura kryształów z bliska wręcz migocze w słońcu (fot. 3). W wielu wypadkach dla integracji z budynkiem pożądane są bardziej homogeniczne i neutralne odcienie materiałów. Stąd też – z punktu widzenia estetyki – architekci preferują raczej materiały cienkowarstwowe, bardziej jednolite, najlepiej w kolorze szarym lub czarnym, takie jak ogniwa z selenku indowo-miedziowego (CIS). Ich użycie pozwala w pewnym sensie ukryć instalację solarną – z większej odległości generujące energię panele wyglądają w zasadzie tak samo, jak kolorowe szkło budowlane (fot. 4).
Fot. 3. Typowe moduły PV z ogniwami z krzemu polikrystalicznego na fasadzie budynku przemysłowego, Gelsenkirchen (fot. M. Muszyńska-Łanowy)
Fot. 4. Okładzina elewacyjna z czarnych moduł.w cienkowarstwowych CIS, Berlin Adlershof (fot. M. Muszyńska-Łanowy)
Wg różnych badań, m.in. prowadzonych przez EPFLLESO1 architekci potrzebują większej wolności projektowej. Chcą mieć szerszy niż dotychczas wybór, jeśli chodzi o kolorystykę, strukturę i teksturę (a także poziom transparentności) modułów fotowoltaicznych [5]. Rezultaty postępu technologicznego w dziedzinie materiałów PV/BIPV są doprawdy zaskakujące. Odczuwający niedosyt i sceptyczni wobec technologii fotowoltaicznej projektanci powinni dziś zacierać ręce – pod koniec października 2014 r. w szwajcarskim centrum badawczo-rozwojowym CSEM (Centre Suisse d’Electrique et de Microtechnique) zaprezentowano pierwsze na świecie białe panele solarne (fot. 5, 6).
Fot. 5. Ekipa CSEM z Neuch.tel prezentuje pierwszy na świecie biały panel solarny (fot. CSEM, www.csem.ch)
Fot. 6. Dyrektor generalny CSEM Mario El-Khoury i dr Laure-Emmanuelle Perret-Aebi (fot. CSEM, www.csem.ch)
Innowacyjna technologia
O nowatorskiej technologii badacze mówią śmiało: to nie innowacja, to prawdziwa rewolucja. Choć moduły fotowoltaiczne w kolorach innych niż ciemnoniebieski i czarny istniały od lat, kolor biały wydawał się dotąd nieosiągalny. Ekipa CSEM z prof. Christophem Ballifem na czele potrzebowała dwóch lat pracy w laboratorium, aby dokonać tego, co uznawano za niemożliwe. Dyrektor generalny Mario El-Khoury przyznał, iż jemu samemu trudno było w to wszystko uwierzyć: na wieść o tym, że udało się wyprodukować białe moduły fotowoltaiczne, w dodatku efektywne energetycznie roześmiał się, myśląc że to żart [6].
Badacze z Centrum Fotowoltaiki CSEM od lat działają na polu BIPV i BAPV (Building Applied PV) opracowując nowej generacji elementy fotowoltaiczne, specjalnie dla integracji architektonicznej. Ich celem jest, m.in., zapewnienie projektantom wielofunkcyjnych i estetycznie zadowalających produktów, zróżnicowanych pod względem kolorystycznym, wygodnych w użytkowaniu, niezawodnych a przy tym o niewygórowanych cenach. Architekci od dawna zwracali uwagę na niedostatek materiałów fotowoltaicznych w jasnych kolorach, które mogłyby się lepiej integrować ze strukturą budynku, w sposób bardziej dyskretny. Ich potrzeby wydawały się być jednak sprzeczne z zasadami fotowoltaiki. Zdecydowana większość modułów (ogniw) solarnych ma ciemny kolor z uwagi na konieczność maksymalizacji absorpcji promieniowania słonecznego, co przekłada się bezpośrednio na wzrost sprawności energetycznej systemu PV. Ponieważ jasne kolory odbijają większość światła, pomysł stworzenia białych paneli, o których mówili architekci, z początku rozśmieszył badaczy CSEM [6]. Koncepcja ta okazała się jednak całkiem sensowna i co najważniejsze – możliwa do zrealizowania.
Wg słów dr Laure-Emmanuelle Perret-Aebi cały sekret tkwi w opracowanej przez CSEM innowacyjnej technologii. Jednym z jej elementów są ciemnoniebieskie ogniwa z krzemu monokrystalicznego o dużej czułości na promieniowanie podczerwone. Nowością jest nałożenie na nie warstwy białego polimeru o szczególnych właściwościach selektywnych. Ta nanopowłoka przepuszcza promieniowanie podczerwone, które docierając do ogniw PV ulega konwersji w energię elektryczną, natomiast odbija całe spektrum widzialne w postaci światła rozproszonego. W ten sposób na bazie standardowych ogniw krystalicznych możliwe jest wyprodukowanie modułów w różnych kolorach, nawet tak jasnych jak biały. Nanotechnologiczną warstwę można zintegrować z już istniejącymi modułami lub dodać w trakcie produkcji nowych elementów. Co jest ważną zaletą dla zastosowań architektonicznych – nie ma znaczenia kształt modułu. Może on być płaski lub zakrzywiony. Być może w przyszłości, jak przewiduje dr Perret-Aebi, będzie można kupić sobie swój własny rulon kolorowej nanopowłoki, aby zintegrować ją ze standardowym modułem fotowoltaicznym [4, 6].
Już na początku sprawność energetyczna modułów osiągnęła wysoki poziom 10%. Jest to co prawda o kilka procent mniej w porównaniu do wydajności konwencjonalnych materiałów (~18 % dla c-Si), jednak, jak przekonują szwajcarscy badacze, niższą efektywność zrekompensuje wszechstronność i wielofunkcyjność materiałów BIPV. Nowatorski produkt powinien zostać skomercjalizowany w 2015 r. Projekt został już przekazany do szwajcarskiego partnera przemysłowego CSEM. Obiecująco wygląda kwestia kosztów produkcji solarnych paneli – wg aktualnych informacji przewiduje się 150-200 franków szwajcarskich za metr kwadratowy w porównaniu do 100-150 za klasyczne niebieskie moduły PV [4, 5, 6].
Nowa estetyka
Nanotechnologiczna skóra paneli CSEM może mieć dowolny kolor (fot. 7, 8) a nawet rysunek czy logo (fot. 10). Prezentując innowacyjną technologię skupiono się głównie na białych modułach, ponieważ uzyskanie tego koloru w przypadku materiałów fotowoltaicznych wydawało się dotąd niewykonalne. Wizualny aspekt modułów jest rzeczywiście zadziwiający, całkowicie odmienny od tego, co istniało do tej pory. Gładkie, jednolite panele bez widocznego podziału na ogniwa czy kontakty elektryczne są eleganckie i minimalistyczne (fot. 9). Wyglądają jak duża kartka białego papieru pod szklaną pokrywą ochronną [7].
Fot. 7. Prof. Christophe Ballif i dr Laure-Emmanuelle Perret-Aebi pokazują przykłady kolorystyki innowacyjnych moduł.w fotowoltaicznych (fot. CSEM, www.csem.ch)
Fot. 8. Kolorowe panele solarne CSEM (fot. CSEM, www.csem.ch)
Fot. 9. Prof. Christophe Ballif z białym modułem fotowoltaicznym (fot. CSEM, www.csem.ch)
Fot. 10. Białe panele solarne CSEM (fot. CSEM, www.detail.de)
Panele CSEM zaprojektowano specjalnie dla zastosowań architektonicznych, z myślą o tym, by stanowiły integralny komponent skóry budynku. Dzięki temu duża ilość niewykorzystanych powierzchni, szczególnie fasad, które do tej pory pozostawały nieaktywne, będzie mogła w sposób dyskretny generować czystą energię elektryczną. Homogeniczny wygląd paneli i możliwość nadania im pożądanego koloru to cechy szczególnie korzystne dla zastosowań w środowisku miejskim, w sąsiedztwie innych obiektów, a także w przypadku budynków zabytkowych. Naturalnie, aby funkcjonować jak prawdziwy materiał budowlany panele BIPV muszą być trwałe, bezpieczne, spełniać wszelkie wymagane normy i standardy. Wg dr Laure-Emmanuelle Perret-Aebi technologia, która została specjalnie zaprojektowana by ułatwić integrację z budynkiem, umożliwia dostosowanie do przepisów danego kraju [4].
Biały jest cool
Slogan white is cool to gra słów odnosząca się nie tylko do specyficznego wyglądu minimalistycznych i eleganckich paneli (fot. 10). Bardzo ważną zaletą białych materiałów jest fakt, iż odbijając światło widzialne w trakcie funkcjonowania nie nagrzewają się one tak mocno, jak ciemne. Dzięki temu, jak twierdzą badacze CSEM, moduły będą mogły pracować w temperaturach średnio 20-30oC niższych niż konwencjonalne ciemnoniebieskie czy czarne. Współczesna architektura kładzie coraz większy nacisk na energooszczędność i samowystarczalność. Białe panele solarne wydają się być szczególnie interesujące i obiecujące dla zastosowań w budynkach. Tego rodzaju materiały będą bowiem mogły znacząco przyczynić się do zwiększenia efektywności energetycznej nie tylko poprzez generowanie czystej elektryczności, ale i dzięki temu, że nie będą nadmiernie nagrzewać wnętrza. Pozwoli to zredukować zapotrzebowanie na energię zużywaną przez systemy klimatyzacji (nawet o 30%), a to z kolei przekłada się na ograniczenie emisji szkodliwego dwutlenku węgla do atmosfery oraz wielomilionowe oszczędności w skali roku. Biały (kolor elegancji i świeżości), jest bardzo powszechny w architekturze, np. w krajach śródziemnomorskich. CSEM przewiduje skupienie się na rynku BIPV Stanów Zjednoczonych, gdzie w wielu miastach w celu odbicia promieni słonecznych i uniknięcia magazynowania ciepła maluje się na biało duże powierzchnie dachów. Dzięki innowacyjnym panelom solarnym być może w przyszłości te wielkie powierzchnie będą też jednocześnie generowały energię [4, 5, 6].
Podsumowanie
Panele CSEM są proste, adaptowalne, niedrogie i estetyczne. Głównym celem dla innowacyjnej technologii jest światowy rynek BIPV, ale w perspektywie długoterminowej przewidywane jest również wykorzystanie materiałów w produktach konsumpcyjnych, elektronice (komputery przenośne) oraz w przemyśle motoryzacyjnym [4] .
BIPV zajmują wciąż niszową pozycję na rynku fotowoltaiki. Od pewnego czasu analitycy przewidywali, iż w najbliższym czasie dojdzie do gwałtownej „eksplozji” w tym sektorze dzięki produktom nowej generacji, których właściwości pozwolą na wykorzystanie ich w zupełnie nowy, niewyobrażalny dotąd sposób. Czyżby nadchodził właśnie koniec dominacji niebiesko-srebrnych modułów? Jeśli tak, projektanci odetchną z ulgą.
[1] Muszyńska-Łanowy M., Ekologia dla oczu. Estetyka powłoki BIPV. Cz.1, „Świat Szkła” 7-8/2011
[2] Muszyńska-Łanowy M., Ekologia dla oczu. Estetyka powłoki BIPV. Cz.2, „Świat Szkła” 9/2011
[3] Muszyńska-Łanowy M., Fotowoltaika w kolorze, „Świat Szkła” 4/2011
[4] www.csem.ch
[5] www.epfl.ch
[6] www.rts.ch
[7] http://www.solarserver.com
