Zadania, powierzane w dzisiejszych czasach architektom i konstruktorom w zakresie stawiania nowych budynków oraz modernizacji starych, są bardzo duże. Estetyka, funkcjonalność, energooszczędność, szybkość realizacji – tego właśnie oczekują współcześni inwestorzy. Ci jeszcze bardziej postępowi chcieliby, by budynek poza powyższymi funkcjami niejako pracował na siebie, np. przetwarzał ekologiczną energię pochodzącą ze Słońca w energię elektryczną, którą można by nie tylko zasilić budynek, ale i ją dalej sprzedać. Stąd coraz liczniejsze koncepcje i realizacje, w których biorą udział moduły fotowoltaiczne bezpośrednio wbudowywane w obiekt.

 

W artykule prześledzimy, jakie możliwości dają nam instalacje BIPV (Building Integrated Photovoltaics - instalacje fotowoltaiczne bezpośrednio zintegrowane z budynkiem) i czego możemy spodziewać się na przyszłość. Czyli już nie farmy z panelami fotowoltaicznymi, przeważnie umiejscowione daleko poza miastem, lecz miasto z wbudowanymi panelami. Mrzonka? Spójrzmy: przede wszystkim, gdzie możemy najczęściej spotkać/ zastosować technologię BIPV? Odpowiedź, może nie dla wszystkich, lecz jest bardzo prosta - wszędzie, na każdym elemencie budynku: na dachach pochyłych i płaskich, w oknach, świetlikach, elewacjach - możliwości są niemal nieograniczone.

Zintegrowanie systemów fotowoltaicznych z budynkiem pozwala przede wszystkim na wykorzystanie większej powierzchni do generowania energii oraz na zredukowanie kosztów instalacji systemu, który już stanowi element budynku. Przy projektowaniu systemu trzeba uwzględnić położenie i orientację budynku, przepisy budowlane i bezpieczeństwa oraz pamiętać o kwestii jego użyteczności i kosztach.

 

W skład kompletnego systemu BIPV wchodzą:

  • moduły fotowoltaiczne (cienkowarstwowe lub krystaliczne, przejrzyste, półprzezroczyste lub nieprzezroczyste),
  • kontrolery ładowania akumulatorów (w systemach autonomicznych),
  • system magazynowania energii składający się z kilku/ kilkunastu akumulatorów,
  • urządzenia do konwersji energii z modułów PV do AC dla sieci energetycznej,
  • zapasowe zasilacze (generatory, jako opcjonalne źródło zasilania zwykle stosowane w systemach autonomicznych),
  • okablowanie i systemy bezpieczeństwa.

Systemy BIPV mogą być sprzężone z dostępną siecią zasilającą (większość przypadków) lub też być zaprojektowane jako samodzielne systemy niezależne od sieci. W przypadku tych drugich unika się chociażby strat związanych z przesyłem i dystrybucją, uzyskując oszczędności w postaci niższych rachunków.

 

W zależności od umiejscowienia instalacji fotowoltaicznej konieczne są do spełnienia różne zadania (poza tym oczywistym - wytworzeniem energii elektrycznej).

 

Zacznijmy od dachów. Wśród dostępnych na dzień dzisiejszy rozwiązań na pokrycie połaci dachowej możemy wykorzystać dachówki i gonty solarne. W miejsce typowych dachówek ceramicznych stosujemy te zintegrowane z panelem fotowoltaicznym. Wymiar i sposób mocowania jest identyczny jak w tradycyjnych dachówkach, dlatego można je stosować zarówno przy nowych konstrukcjach, jak i przy modernizacji starych dachów. Do ich mocowania używa się wkrętów lub specjalnych klamer. Poza pojedynczymi dachówkami spotkamy również bezramkowe zintegrowane moduły dachowe, o wielkościach będących wielokrotnością typowej dachówki, przez co znakomicie integrujących się z powierzchnią dachu, a dodatkowo przy odpowiednio dobranym kolorze są one praktycznie niewidoczne. Dachówki i gąsiory łączone są ze sobą za pomocą zwykłych łączników stosowanych w fotoogniwach. Znajdziemy też rozwiązania z zabezpieczeniami przed kradzieżą, przegrzaniem, z zintegrowanym systemem bezpieczeństwa - automatycznym lub ręcznym odcięciem energii w razie pożaru lub na czas konserwacji. Dachówki te wykonywane są z zastosowaniem krzemu mono- lub polikrystalicznego, z samooczyszczającą, antyrefleksyjną powierzchnią.

Możemy znaleźć i rozwiązania zintegrowanych systemów fotowoltaicznych do pokryć bitumicznych. Dostępne dachówki są produktem elastycznym, zachowującym wszystkie właściwości hydroizolacyjne standardowych dachówek bitumicznych. Układane są tak jak inne pokrycia bitumiczne, oraz pokrywane są samooczyszczającą powłoką, która zapobiega osiadaniu na nich kurzu i brudu. Są bardzo wytrzymałe i odporne na uszkodzenia mechaniczne. Moduły te wykonywane są z krzemu amorficznego.

Z kolei gonty produkowane są z krystalicznych lub z cienkowarstwowych ogniw słonecznych.

Częściowo przezroczyste materiały BIPV przepuszczają światło dzienne, co pozwala na kontrolowanie wnętrza, jednocześnie chronią od przegrzania i olśnienia - znajdują również wykorzystanie przy budowie świetlików o różnym kształcie. Znakomitym miejscem na wbudowanie fotowoltaiki są typowe hale przemysłowe, magazyny, centra logistyczne. Na olbrzymich, praktycznie niewykorzystywanych połaciach dachu mogą być zainstalowane panele zintegrowane, np. z trapezowymi płytami warstwowymi, generując darmową energię. Szklane moduły PV mogą zastąpić konwencjonalne pokrycia dachowe również w przypadku konstrukcji szkieletowych drewnianych, stalowych lub aluminiowych - wiaty przystankowe, dworce kolejowe, atria. Znajdziemy więc zastosowanie zarówno w domach mieszkalnych, obiektach przemysłowych, jak i użyteczności publicznej.

 

 

Bardzo często moduły fotowoltaiczne są wykorzystywane przy przeszkleniach elewacji. Mamy w tym miejscu do czynienia z trzema rozwiązaniami - fasady ciepłe, zimne i mieszane.

Pierwsze z nich to tzw. konstrukcje niewentylowane; 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÷80°C, co obniża ich wydajność. Dlatego do ich budowy wykorzystuje się mniej wrażliwe na temperaturę materiały cienkowarstwowe (CIS, CdTe). Ciepłe fasady mogą być nieprzezroczyste lub częściowo przezroczyste. Okablowanie najczęściej chowane jest w profilach konstrukcyjnych lub pod listwami maskującymi. Fasada taka tworzy powłokę budynku, łącząc w sobie kilka funkcji - ochrony termicznej, akustycznej i klimatycznej.

Na fasady zimne z kolei stosuje się najczęściej moduły z krzemu krystalicznego (ogniwa c-Si). Element BIPV tworzy wówczas zewnętrzną warstwę okładziny, która chroni od czynników klimatycznych, nie pełniąc przy tym funkcji nośnej ani izolacyjnej. Pustka pomiędzy okładziną a warstwą izolacji termicznej zapewnia cyrkulację powietrza korzystną dla wydajnego funkcjonowania modułów PV i zapobiega wewnętrznej kondensacji wilgoci, co korzystnie wpływa m.in. na problem korozji. 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. Okablowanie elektryczne umieszczane jest w kanałach pomiędzy elementami konstrukcji fasady - w warstwie izolacji termicznej lub w szczelinie powietrznej.

W strukturach mieszanych połączone są odpowiednio zalety systemu ciepłego i zimnego. W przypadku fasad podwójnych można je wykorzystać dodatkowo w roli systemu zacieniającego.

Należy pamiętać, że ściany są bardziej niż dachy podatne na niekorzystne efekty zewnętrzne, takie jak zacienienie od sąsiednich budynków, drzew itd. Typowe, pionowe płaszczyzny ścian nie są też idealnie ustawione względem promieni słonecznych, stąd w wielu przypadkach stosuje się konstrukcje nachylone pod kątem, tak aby powiększyć zyski energetyczne systemu. Jednocześnie tego typu rozwiązanie może funkcjonować jako system zacieniający dla okien i wejść. Osłony przeciwsłoneczne z modułami PV wykonywane są najczęściej z podwójnym szkleniem z zalaminowaną folią PVB o różnym kolorze. Stosuje się również systemy składające się z rzędów szklanych lameli ustawionych pod kątem do elewacji, zamontowanych na dodatkowej podkonstrukcji.

 

Ciekawym rozwiązaniem jest zastosowanie BIVP w detalach architektonicznych - poziomych lub pionowych, służących rozproszeniu światła słonecznego padającego na okno lub szklaną elewację w celu uniknięcia przegrzewania pomieszczeń, a zwłaszcza oślepienia osób przebywających w budynku.

Brise soleil (łamacz światła) to system zewnętrznych żaluzji, których zadaniem jest stworzenie cienia w pomieszczeniach w lecie, kiedy słońce jest wysoko (ochrona przed przegrzewaniem) oraz umożliwić dobre nasłonecznienie pomieszczeń zimą, wtedy gdy słońce jest nisko nad horyzontem i jego promienie wpadają już bez przeszkód. Możemy też znaleźć informacje o systemach zintegrowanych z okiennicami z antracytowymi ogniwami polikrystalicznymi ze specjalnym systemem składania okiennic z podwójną dźwignią umożliwiającą ruch paneli po półkolu w taki sposób, aby aktywna solarnie strona pozostawała zawsze od strony zewnętrznej.

 

Stosowanie nowoczesnego szkła oraz folii pozwala również na budowę modułów o absorpcji selektywnej, która zwiększa transmisję światła w zakresie fal przekształcanych w energię elektryczną, blokuje natomiast promieniowanie podczerwone będące nośnikiem energii cieplnej. Podobnie z izolacją akustyczną. Szklane moduły fotowoltaiczne o konstrukcjach wielowarstwowych mogą być stosowane jako przegrody izolujące od hałasu. Użycie specjalnej folii PVB do laminowania ogniw zwiększa izolację akustyczną szklanego elementu oraz zapewnia bezpieczeństwo i większą wytrzymałość mechaniczną. Folia PVB zabezpiecza przed rozsypaniem szkła i stanowi jednocześnie dobrą ochronę antywłamaniową. W zależności od potrzeb realizowane mogą być też bardziej złożone, wielowarstwowe konstrukcje. Oprócz szkła można w obudowie modułu zastosować tworzywa sztuczne. Dzięki zastąpieniu konwencjonalnego szkła materiałem akrylicznym (PMMA) ostateczny produkt jest lżejszy, przez co może osiągnąć większe rozmiary. PMMA pozwalają na redukcję końcowej masy modułu o około 60% w stosunku do elementu wykonanego ze zwykłego szkła. Ma dużą przezroczystość w zakresie światła widzialnego, jest odporne na promienie UV, łatwe w obróbce i ma właściwości termoplastyczne. Interesującym rozwiązaniem jest zastosowanie folii holograficznych specjalnie ukierunkowujących światło. Transparentna folia zalaminowana w szkle klejonym i umieszczona przed fotoogniwami skupia na nich bezpośrednie promieniowanie słoneczne, jednocześnie pozwalając na przejście przez przegrodę światła rozproszonego.

 

Wciąż poszukiwane są kolejne materiały „inteligentne”, które w sposób dynamiczny reagują, dostosowując się do zmiennych warunków i potrzeb. Takie, których właściwości dostosować można do projektu, zamiast dopasowywać projekt do statycznych cech materiału. Materiały takie pod wpływem bodźca zewnętrznego, w sposób bezpośredni i odwracalny mogą zmieniać jedną lub kilka właściwości, chociażby szkło elektrochromowe, fotochromowe lub termochromowe. Do tych nowoczesnych produktów z pewnością należą wciąż rozwijane materiały fotowoltaiczne - generowanie energii elektrycznej bezpośrednio z promieni słonecznych, ekologicznej, bez szkody dla środowiska - cóż trzeba więcej. Wszystko brzmi pięknie, daje prawie nieograniczone możliwości, jest alternatywą dla tradycyjnych technologii. Jak zwykle jest jednak małe „ale” - jedynym ograniczeniem może być niestety cena, która wciąż odstrasza potencjalnych inwestorów. Na dzień dzisiejszy systemy BIPV stanowią zaledwie 1% rynku fotowoltaicznego, czy warto zatem kruszyć kopie o te 1% rynku? Cóż – może dzisiaj to tylko jeden, a za kilka lat stanie się to aż kilkanaście procent udziału w rynku, kto wie - a wtedy...