Соларни стъкла и фасади

Бързите темпове, с които се развиват соларните технологии, са предпоставка за навлизане на иновативни идеи. Една от тях е разработването на фотоволтаични стъкла за генериране на енергия чрез вграждането им в стъклените фасади на сградите. Фотоволтаичните прозоречни панели, поглъщайки концентрираната светлина, редуцират ефекта на слънчевата топлина върху температурата на вътрешния въздух в помещенията. Осигуряват модерен архитектурен дизайн и енергийна независимост на сградите, водеща до намаляване на разходите за тяхната климатизация.В статията ще разкажем за новите европейски законодателни изменения за слънчевата енергия, за европейския стандарт за изграждане на интегрирани фотоволталци, за соларните стъкла, за видовете соларни панели, за приложението на вградените фотоволтаици в европейски и български сгради.

Фотоволтаичните фасади са един от най-бързо развиващите се сегменти във фотоволтаичната индустрия. Kлючовa технология за производство на активна възобновяема енергия e интегрираната в строителството фотоволтаика -Building Integrated Photovoltaics - BIPV. Тя ще бъде от съществено значение за интелигентните сгради, превръщайки ги в енергийно активни. Така в самата структура на сградата ще се произвежда електроенергия от слънчевите лъчи. Генерираната електрическа енергия би могла да се използва за захранване на най-разнообразни сградни приложения. Такива са автоматичното управление на щорите в сградата и/или на вентилационните устройства, захранването на аварийното осветление и др. Освен източник на енергия фотофасадите имат слънцезащитна и изолационна роля. Фотоволтаичните модули PV могат да се интегрират към фасадите на вече съществуващи жилищни, административни и обществени сгради или да бъдат базов елемент в новостроящи се обекти. Обикновено фотоволтаичните елементи се монтират върху южните фасади на сградите. „Топлата” фасада с PV модули отговаря на всички изисквания по отношение на статика, топлоизолация и шумоизолация. В „студените” фасади PV модулите поемат функцията на външна обвивка и климатична защита на топлите области в сградата. При тях се използва комбинацията стъкло/PVF-поливинилфлуорид. Фотоволтаиците могат да бъдат инсталирани както във фасадите, така и в покрива, парапетите, в прозорците на покривното пространство, в сенници, парапети на балкони, покривни конструкции на паркинги и др. Практическо приложение са намерили кристалните модули, тънкослойните или дори органичните фотоволтаици, в различни цветове, форми и размери. Мощността на соларните прозорци зависи от тяхната големина.

Tестоветe на мащабния европейски съвместен проект Smartflex в рамките на Седмата рамкова програма на Европейския съюз за научни изследвания и иновации са показали, че фасадите с вградени соларни модули са по-евтини от стъклените фасади.

Соларни стъкла
Първият в света фотоволтаичен полупрозрачен прозорец е разработен от Rainbow Solar Incorporated - Rsi през 2008 г. С този „прозорец на бъдещето” се спестява над 50% от енергията, необходима за отопление и охлаждане. В зависимост от размера, фотоволтаичните прозорци може да генерират от 80 до 250W и да осигуряват защита от UV и инфрачервени лъчи. Върху закалено стъкло се интегрират фотоволтаични клетки, предназначени за стъклопакети и други видове остъкляване. Тези клетки са полупроводникови устройства от поликристален силиций с печатни електрически контакти, които преобразуват светлинната енергия в електрическа. Многослойната структура съдържа няколко активни слоя един върху друг. Всеки слой е проектиран да абсорбира светлинни вълни с нарастваща дължина на вълната - намаляваща енергия. Най-горният слой преобразува слънчевата светлина, съдържаща най-голямо количество енергия. Слоят пропуска свободно останалата слънчева енергия към долните слоеве, които я абсорбират и преобразуват. Oт физиката се знае, че за да се получи електрическа енергия, енергията на фотона трябва да е по-голяма от енергията за възбуждане на електрона в проводимата зона, т.е. освобождават се електрони, които се движат свободно. Слънчевият спектър се състои именно от такива високоенергийни фотони. Те се поглъщат от фотоволтаичните клетки, които имат и по едно електрично поле. То насочва свободно движещите се електрони и се образува електрически ток. Обикновено клетките са свързани електрически последователно, така че техните напрежения да се събират на метални пластини за да може електричеството да бъде извеждано. Така се образуват модули или соларни панели PV. Последните имат защитен стъклен екран в предната част и са капсулирани със смола или колофон в задната част за предпазване на електронните елементи от външни влияния-дъжд, град, влага и др. Те реагират на различни части от спектъра на светлината.

В Германия приложение са намерили фотоволтаичните клетки с размери 100х100, 125х125 и 156х156mm, като стандартните цветове са черен - на монокристалните, и тъмносин - на поликристалните. Поликристалните силициеви клетки блестят в различни оттенъци на синьото и придават оптичен акцент, докато монокристалните имат равномерна графитено сива структура. За вграждане в стъкла се използват моно- и поликристални соларни клетки. От желанието и целите на клиентите зависи какви ще са те. Клиентите могат да избират измежду изумруден, сребърен, златист и бронзов фон. Използват се, както стандартни моно- или поликристални клетки, така и клетки с различен цвят или полупрозрачни. По-ефективни са черните-монокристални, и тъмносините-поликристални клетки, а в по-малка степен –тези с различен цветен оттенък. Цветните клетки се получават в различни етапи на обработка им. Различната степен на прозрачност се определя от разстоянията между отделните клетки, които варират от 10 до 40mm. Така се получава осветеност от 10 до 50%, съответно ниска или по-висока степен на ефективност.

В сегашно време приложение намира иновативната полимерната соларна клетка „polymer solar cell” - PSC, произвеждаща електричество чрез абсорбиране на инфрачервена светлина, която е извън видимия спектър. Така 70% от видимата светлина се пропуска през панела, а преобразуването на инфрачервената светлина в електричество се осъществява благодарение на фотоактивния полимер, от който е изградена клетката. Преносът на електрическата енергия се извършва чрез прозрачен проводник, изработен от сребърни нановлакна и наночастици от титаниев диоксид, който замества традиционните непрозрачни електроди. Прозрачните полимерни клетки са леки и гъвкави и могат да се произвеждат в големи количества на ниска цена. За момента се улавят едва 1/3 от инфрачервените лъчи, а има потенциал това да се подобри и учените се надяват да постигнат 10% ефективност през следващите пет години.

Конструкцията на един стандартен силициев PV прозорец се състои от алуминиева рамка, уплътнение, което предпазва кантовете, предно стъкло предпазващо от атмосферни влияния и за механична защита, EVA - етиленвинилацетат, капсуловащ материал, който предпазва клетките, ламиниращо фолио за задната част от PVF - поливинилфлурид или стъкло. Има различни начини за ламиниране на модулите, както и варианти за използване на изолиращо или нечупливо стъкло с различен дизайн. Едно от изискванията при вграждането на фотоволтаични модули в стъклопакети, е разстоянието от видимата част на профила до клетката да е 10mm, така че когато слънцето е встрани от фасадата, сянката на профила да не попада върху клетките. Процесът на производство на триплекс стъклата и този на вграждане на клетките в стъкла е подобен, но специфичен. Стъклата се ламинират с помощта на вакуум ламинатор, като слепващото фолио - EVA филм, се разтапя при висока температура и служи за предпазване на фотоволаичните клетки от атмосферни влияния. Обикновено се използва специално прозрачно стъкло с ниско съдържание на железен оксид. To има по-добър коефициент на пропускливост на слънчевата светлина - 92%, в сравнение с обикновеното стъкло 88–90%.

При двойните фотоволтаични стъклопакетис в края на стъклото се закрепят малки разпределителни кутии - 10mm, които отвеждат електрическия ток от конекторите, преминаващи през целия слой на клетките. Системата включва и преобразувател, който конвертира правия ток от клетките в променлив. Разпределителните кутии свързват отделните панели и посредством кабели отвеждат електрическия ток.

Фотоволтаичните прозорци могат да бъдат произведени до размер 2.74х2.74m. Те отговорят на изискванията на съвременния дизайн и са устойчиви при всякакви метеорологични условия. С тях могат да се въведат и интелигентни технологии за дома, като управление на завеси и сенници. За целта може да се използва UPS система за съхранение на енергия, както и съвременна технологична батерия с живот 55 години. Така РV-технологията, превръща целия прозорец в слънчев панел, който може да се интегрира във фасадите на сградите.

Видове соларни панели
Соларните панели са част от основния организъм на енергийно независимите сгради. Соларните панели са съвкупност от модули с фотоволтаични клетки. Те преобразуват слънчевата светлина в електричество, което захранва частично или цялостно сградата.

За сравнение на соларните клетки и модули е необходимо да се знае така наречената номинална мощност на даден елемент или модул. Номиналната мощност, която се генерира във ватове максимална мощност - Wp, е мярка за това колко електроенергия може да произведе фотоелектричният модул при оптимални условия. За да се определи и сравни номиналната мощност на слънчевите панели, изходната мощност се измерва при „Standard Test Conditions” – STC - Стандартни условия на изпитване. Тези условия предполагат осветление 1000W/m2, слънчев спектър AM1.5 - определящ вида и цвета на светлината, температура на елемента 25°C - важна, тъй като ефективността на соларната клетка намалява с нарастване на температурата.

Известни в практиката са кристалните панели, двуфазните панели с улавяне на светлина от двете страни и тънкослойните слънчеви панели, изгодни в случай на топлина и засенчване. В кристалните PV-панели, изходния материал на соларните клетки е кварцовия пясък - силициевия оксид. Той се разтопява, обединява се в блокове и се нарязва на парчета подобни на „вафли”. След това от тях силициевите клетки се нарязват на дебелина от 100 до 180 микрометра. Те превръщат светлината в електричество.

Кристалите в поликристалните клетки имат неправилна структура и син блясък. Единичните кристални клетки са черни и се състоят от един единствен кристал. Те позволяват по-добро производство на електроенергия, но са по-скъпи за производство. За защита слънчевите клетки са вградени в пластмасово фолио, покрито със защитно стъкло и с рамка от алуминий. Някои панели имат стъкло от двете страни - двоен стъклопакет, но повечето от тях имат отзад твърд лист пластмаса. Поликристалните слънчеви клетки постигат ефективност на преобразуване на слънчевата светлина в електрическа енергия - коефициент на полезно действие - кпд, до 20%. В състава на слънчевия панел тя е 18%. Монокристалните клетки сега постигат до 23% ефективност, а в монокристалните слънчеви панели тя е 19%. За да не се получат големи загуби на електрическа енергия в изходите им поради прегряване от много слънчева светлина, добре е те да бъдат вентилирани. Сега поликристалните слънчеви панели монтирани на покрив произвеждат до 265W, а монокристалните до 350W.

Последните разработки са двуфазови соларни панели, в които кристалните клетки могат да използват светлина от двете страни. Прозрачният пластмасов лист или стъкло на гърба на панела позволява непряко улавяне на отразена слънчева светлина. При ярък сетлинен фон или подходящ монтаж може да се постигне допълнително до 25% ефективност. Такива панели произвеждат до 375W, но имат по-висока цена в сравнение с конвенционалните продукти.

Тънкослойните слънчеви панели използват изключително тънък слой полупроводници, генериращи електричество. Те имат постоянна еднородна повърхност и се предлагат в различни нюанси на цвета. Редица производители предлагат панели „CIS” - мед, индий, селен и „CIGS” - мед, индий, галий, селен. В момента те достигат ефективност от около 15,5%. Повече от 17% и до 420W могат да бъдат постигнати oт панелите „CdTe” - кадмий-телур. Въпреки факта, че тяхната ефективност е все още значително по-ниска от тази на кристалните панели, те все пак могат да постигнат по-високи резултати на киловат инсталирана мощност. Причината, е че кристалните соларни панели когато са изложени на високи температури, генерират с 25% по-малко електрическа енергия. В сравнение тънкослойните панели са по-надеждни, защото намаляването на тяхната ефективност при излагане на екстремна топлина е с 2/3 по-малко. При частично засенчване и през зимата, тънкослойните панели могат по-добре да използват слаба и дифузна светлина, както и слънчева светлина под ъгъл. За разлика от кристалните панели, те не се нуждаят от ориентация директно към слънцето.