Fotowoltaika – nowy element projektowania fasad

Fotowoltaika (systemy fotowoltaiczne PV) generuje czystą energię elektryczną bezpośrednio ze światła słonecznego. Produkcja odbywa się na miejscu, bez hałasu, szkodliwych odpadów i zanieczyszczeń. Modularne, proste w obsłudze urządzenia fotowoltaiczne można efektywnie wykorzystać w konstrukcji elewacji. Trwale zintegrowane z powłoką fasady budynku w postaci tzw. BiPV (ang. Building Integrated Photovoltaics) są atrakcyjną alternatywą dla konwencjonalnych rozwiązań architektoniczno-budowlanych.

Integracja fotowoltaiki polega na połączeniu komponentów systemu solarnego z powłoką budynku w taki sposób, aby stanowiły spójną całość pod względem funkcjonalnym, konstrukcyjnym i estetycznym. Technologię tę stosuje się w obiektach nowo projektowanych oraz istniejących, nawet o charakterze historycznym (np. w ramach rewitalizacji czy termomodernizacji fasad).

Fotowoltaika – technologia BiPV

Podstawowym elementem technologii BiPV jest moduł fotowoltaiczny – hermetyczny panel z ogniwami generującymi prąd, zamkniętymi w ochronnej obudowie. Aby uzyskać odpowiednią ilość energii, wystawione na działanie światła słonecznego moduły łączone są w większe struktury. Do pozostałych komponentów instalacji należą: skrzynki przyłączowe, okablowanie stałoprądowe DC, inwertery (zamieniają wygenerowany przez ogniwa prąd stały w zmienny o charakterystyce sieci), okablowanie zmiennoprądowe AC (prowadzone do instalacji elektrycznej użytkownika), regulator napięcia (dostosowuje napięcie systemu PV do wymagań instalacji fotowoltaicznej). Wyprodukowana energia odnawialna dostarczana jest do sieci poprzez falownik, ewentualnie może być magazynowana w akumulatorach.

• Czytaj też: Instalacja fotowoltaiczna a energia elektryczna. Czy energia elektryczna z fotowoltaiki się opłaca?

Fotowoltaika – materiały BiPV

W technologii BiPV moduły fotowoltaiczne funkcjonują jako integralny komponent fasady budynku. Generując energię prosto ze słońca, chronią przed warunkami atmosferycznymi, regulują przepływ energii przez przegrodę, a także tworzą oryginalną estetykę. Stają się zatem innowacyjnym i wszechstronnym tworzywem budowlanym.Na rynku dostępne są różnego typu produkty. Najtańsze są standardowe moduły PV, jednak możliwość wyboru ich parametrów jest znacznie ograniczona. Najwyższe wymagania spełnią tzw. moduły specjalne (produkowane pod kątem zastosowań budowlanych) lub wykonane na indywidualne zamówienie.Modularna struktura systemu fotowoltaicznego pozwala tworzyć zróżnicowane konfiguracje. W zależności od metody integracji, sposobu użytkowania czy możliwości finansowych można dobrać m.in.:

• materiał, wielkość, kształt, kolor i układ ogniw fotowoltaicznych,
• materiał laminujący ogniwa,
• strukturę i kolor układów elektrycznych,
• kształt, wielkość, ciężar modułu,
• rodzaj przedniej i tylnej obudowy ochronnej modułu,
• obramowanie modułu lub jego brak,
• okablowanie i system złączy elektrycznych,
• typ falownika,
• moc modułu i wielkość systemu.

Moduły fotowoltaiczne muszą mieć międzynarodowe certyfikaty jakości i bezpieczeństwa oraz spełniać standardy lokalnego prawa budowlanego. Natomiast specjalistyczne materiały BiPV wymagają zazwyczaj indywidualnych uzgodnień i aprobat technicznych.Najbardziej popularne moduły bazują na technologii krzemowych ogniw krystalicznych (monokrystaliczne m-Si, polikrystaliczne p-Si). Struktury ogniw osadzone w transparentnej folii EVA, PVB lub żywicy są obustronnie obudowane szkłem (moduły szkło-szkło) lub szkłem i materiałem polimerowym typu Tedlar, PET (laminaty szkło-folia). Ze względów montażowych mogą być obudowane aluminiową lub stalową ramą, która zwiększa mechaniczną stabilność oraz chroni krawędzie przed uszkodzeniami.

Typowy wygląd modułów to regularna siatka ciemnoniebieskich bądź czarnych ogniw i srebrnych kontaktów elektrycznych. Ogniwa w innych kolorach (np. zielone, złote, czerwone) są dostępne na rynku, ale znacznie droższe i mniej wydajne. Trwają prace nad wprowadzeniem na rynek paneli pokrytych specjalną nanopowłoką, która może nadać im całkowicie jednolity kolor, nawet biały. Materiały krystaliczne osiągają najwyższe sprawności energetyczne (11–20%), jednak w nieodpowiednich warunkach nasłonecznienia i wysokich temperaturach ich wydajność znacznie spada.

Dostępne są także rozwiązania w technologiach cienkowarstwowych. Ultracienkie warstwy materiału półprzewodnikowego w postaci krzemu amorficznego (a-Si) lub mieszaniny miedzi, indu, galu i selenu (CIGS) w trakcie produkcji osadzane są na szklanym podłożu, a następnie zalaminowywane z drugą taflą szkła. Gdy materiałem nośnym jest taśma stalowa lub plastik powstaje lekki i giętki rolowany moduł (wówczas przednią warstwą jest transparentna folia). Mimo niższej sprawności energetycznej (5–13%) materiały cienkowarstwowe są korzystne dla zastosowań budowlanych, ponieważ efektywnie funkcjonują w gorszych warunkach nasłonecznienia i wykazują mniejszą wrażliwość na wysoką temperaturę. Charakteryzuje je ciemny kolor (brunatny a-Si, czarny CIGS) oraz zdecydowanie bardziej jednorodna, niż w przypadku ogniw krystalicznych, powierzchnia.

Technologia BiPV umożliwia trwałe zintegrowanie modułów fotowoltaicznych z konwencjonalnym tworzywem budowlanym, czego rezultatem są wielofunkcyjne materiały takie jak: szkło fotowoltaiczne, solarne blachy, płyty warstwowe.Szkło fotowoltaiczne jest atrakcyjnym rozwiązaniem dla nowoczesnych konstrukcji. Ogniwa można łączyć z wieloma rodzajami szkła budowlanego: izolacyjnym, laminowanym, rozpraszającym światło, antywłamaniowym, kuloodpornym, akrylicznym, a nawet giętym. Frontowa szyba (przed ogniwami) musi zapewniać maksymalną transmisję światła, natomiast dla tylnej warstwy praktycznie nie ma ograniczeń – może być kolorowa, pokryta nadrukiem, powłoką niskoemisyjną, nieprzeźroczysta lub transparentna. Zastosowanie szkła na fasadzie wiąże się z koniecznością spełnienia przez nie wysokich wymagań pod względem bezpieczeństwa, estetyki, a także izolacyjności termicznej. Dostępne na rynku materiały BiPV osiągają wartość współczynnika przenikania ciepła (U) porównywalną do konwencjonalnego podwójnego szklenia z warstwą niskoemisyjną. W celu uzyskania lepszych właściwości termalnych zewnętrzną taflę szkła można zastąpić szklanym modułem. Ze względów bezpieczeństwa wszędzie tam, gdzie istnieje ryzyko zranienia (konstrukcje dużej powierzchni, zawieszone nad głową, balustrady, żaluzje), należy stosować klejone szkło bezpieczne. Gdy obudowa modułu jest przeźroczysta, szkło BiPV częściowo przepuszcza światło. W materiałach krystalicznych przedostaje się ono pomiędzy rozsuniętymi nieprzeźroczystymi ogniwami, tworząc charakterystyczne efekty wizualne. Ogniwa można też mechanicznie perforować. Szklane moduły cienkowarstwowe są częściowo przezroczyste z natury i zapewniają jednolity widok na wskroś. Poziom transparentności nie przekracza 30–50% z uwagi na to, iż wraz z jego wzrostem maleje powierzchnia aktywna ogniw, a więc i wydajność energetyczna całego modułu.

Semitransparentne konstrukcje BiPV są wszechstronne – wykorzystując promieniowanie słoneczne, poprawiają warunki mikroklimatu wnętrza i efektywność energetyczną budynku. Produkują elektryczność i kontrolują oświetlenie, doświetlając wnętrze światłem dziennym lub je zacieniając w zależności od potrzeb, ponadto regulują temperaturę i ruch powietrza. Tym samym jednocześnie optymalizują komfort i redukują zużycie energii konwencjonalnej w mechanicznych systemach chłodzenia, ogrzewania, wentylacji, a także oświetlenia.Nowa generacja materiałów BiPV wykorzystuje cienkowarstwowe ogniwa na taśmach stalowych i plastikowych. Rolowane laminaty fotowoltaiczne są półproduktem trwale łączonym (za pomocą specjalnych substancji klejących) z konwencjonalnym materiałem budowlanym w trakcie jego produkcji. W rezultacie niektóre firmy mają w standardowej ofercie ten sam produkt w wersji zwykłej oraz BiPV, np.: blachy ze stali nierdzewnej, aluminiowej i cynkowo-tytanowej, płyty warstwowe, panele ceramiczne, płyty betonowe, materiały tekstylne, tworzywa sztuczne (folie, płytki plastikowe, membrany).

• Czytaj też: Fotowoltaika na dachu budynku wielorodzinnego. Przykłady inwestycji, opłacalność, programy wsparcia

Laminaty pozbawione szkła w obudowie są giętkie, lekkie i nietłukące, a także wodoszczelne, odporne na uszkodzenia (można po nich nawet chodzić) oraz zapewniają skuteczną ochronę przed warunkami atmosferycznymi. Dzięki specjalnym technologiom ogniw wielozłączowych, wykorzystujących światło w szerokim zakresie fal, są bardzo wydajne w świetle rozproszonym.Z uwagi na różnorodność dostępnych materiałów fotowoltaicznych ich przedział cenowy jest bardzo szeroki. Jednak w ostatecznym rozrachunku, mimo wysokich kosztów początkowych, wielofunkcyjne wyroby BiPV mogą okazać się bardziej efektywne pod względem ekonomicznym niż tradycyjne rozwiązania.

Fotowoltaika i efektywność energetyczna 

Podstawowym celem wykorzystania fotowoltaiki jest produkcja energii ze źródeł odnawialnych. W systemach podłączonych do sieci istotna jest maksymalna roczna produkcja (kWh), gdyż wygenerowana elektryczność jest sprzedawana, a następnie odkupywana po preferencyjnych cenach i zużywana np. do oświetlania fasady (w powiązaniu z systemami w technologii LED) lub zasilania innych instalacji. Na efektywność generatora fotowoltaicznego wpływa wiele czynników, przede wszystkim: parametry elektrotechniczne urządzeń, promieniowanie słoneczne, cień, temperatura. Charakterystykę urządzeń i wielkość instalacji trzeba dopasować odpowiednio do potrzeb. Modularna budowa systemu fotowoltaicznego umożliwia różne konfiguracje. W instalacjach BiPV moc wyjściowa modułów (Wp) (określana w warunkach standardowych) ma poboczne znaczenie, bardziej istotne jest wzajemne dopasowanie urządzeń elektrycznych i konstrukcji fasady.Optymalizacja zysków światła słonecznego niezbędna dla efektywności BiPV wiąże się z koniecznością odpowiedniego ukształtowania fasady lub wyboru stosownych jej fragmentów. Ilość wygenerowanej energii zależy od typu oraz liczby użytych modułów, a także ich orientacji i nachylenia względem słońca. Dla warunków europejskich idealnym kierunkiem jest południe (orientacja w stronę równika), odchylenia w kierunku zachodnim lub wschodnim obniżą zyski energetyczne o kilka procent. Najważniejsze dla konwersji PV jest promieniowanie bezpośrednie (padające prostopadle na powierzchnię recepcyjną). Aby je skutecznie pozyskiwać, moduły należy odpowiednio nachylić – najlepiej pod kątem równym szerokości geograficznej danej lokalizacji.

Pochylenie całej ściany pozwala efektywnie wykorzystać promieniowanie słoneczne w sposób aktywny i pasywny, dlatego mimo wyższych kosztów budowy jest często stosowane. Innym rozwiązaniem jest użycie odpowiednio nachylonych mniejszych elementów, takich jak zadaszenia czy systemy przeciwsłoneczne. Struktury zakrzywione z różnym kątem nachylenia modułów są skomplikowane pod względem technicznym, ale także realizowane. Moduły PV pracują efektywnie, jeśli są jednolicie oświetlone. Nawet niewielki cień może znacząco zredukować ilość wyprodukowanej energii lub doprowadzić do uszkodzenia urządzeń. Najbardziej wrażliwe na zacienienie są materiały krystaliczne. Dla zabezpieczenia układu stosuje się diody bocznikujące, blokujące przepływ dużych prądów przez zacienione elementy. W fazie projektowania dobrze jest przeprowadzić symulacje komputerowe, które pozwolą oszacować ryzyko. W związku z tym należy zwrócić uwagę na:

• zmienność i ruch cienia w cyklu dobowym i rocznym,
• sąsiedztwo innych budynków, kominów, instalacji technicznych itp.,
• zieleń – uwzględniając zmiany związane z porami roku,
• formę i budowę fasady,
• układ elementów BiPV oraz system ich mocowania,
• zanieczyszczenia i śnieg – obramowanie modułów, elementy konstrukcyjne i mocujące mogą potęgować osadzanie się nieczystości.

Ważnym czynnikiem jest temperatura – jej wzrost jest odwrotnie proporcjonalny do sprawności ogniw. Parametry modułów optymalizowane są w warunkach testowych – 25ºC. W praktyce zaś wystawione na działanie słońca uzyskują temperaturę 50–80ºC, a w trakcie konwersji PV wytwarzają dodatkową ilość ciepła. Nagrzewając się, obniżają wydajność instalacji i powodują wzrost temperatury całej przegrody, czego rezultatem mogą być problemy związane z:

• różną rozszerzalnością termiczną materiałów BiPV i innych, znajdujących się w bezpośrednim sąsiedztwie,
• obniżeniem komfortu i energooszczędności budynku – gdy ciepło promieniujące z nagrzanych modułów pogorszy warunki we wnętrzu, może zaistnieć potrzeba zużycia dodatkowej energii w systemach klimatyzacji.

Pozytywnym aspektem jest możliwość odzysku ciepła i wykorzystania go w systemach ogrzewania, podgrzewania wody oraz w powiązaniu z pompami ciepła lub zmagazynowania w masywnych materiałach budowlanych. Najmniej czułe na wysokie temperatury są laminaty cienkowarstwowe, dlatego bez problemu integruje się je nawet z płytami warstwowymi.Dla materiałów krystalicznych najkorzystniejsze są konstrukcje, zapewniające cyrkulację powietrza z tylnej strony modułów, np. systemy fasad zimnych.Instalacja BiPV powinna być jednym z podzespołów szerszej koncepcji energetycznej budynku, wówczas najbardziej efektywnie wpływa na bilans energetyczny obiektu i komfort jego wnętrza. Odpowiednio zaprojektowana fasada fotowoltaiczna przekształca budynek w solarną elektrownię, a także kontroluje przepływ energii pomiędzy środowiskiem zewnętrznym i wewnętrznym.Najbardziej wielofunkcyjne konstrukcje semitransparentne pozwalają znacząco ograniczyć zużycie energii konwencjonalnej na potrzeby oświetlenia, ogrzewania, chłodzenia czy wentylacji budynku. Przekłada się to bezpośrednio na obniżenie kosztów eksploatacji obiektu oraz ograniczenie szkodliwych emisji do atmosfery (dla każdej kWh wyprodukowanej energii PV unika się emisji kilku ton CO₂).

Techniki integracji fotowoltaiki

Każdy element powłoki dobrze wyeksponowany na działanie światła słonecznego można wykorzystać do integracji z fotowoltaiką. Mogą to być powierzchnie całych ścian lub mniejsze fragmenty w pasach międzyokiennych, okna, systemy zacieniające, balustrady itp. Odpowiednie w tym celu będą wertykalne, nachylone, a nawet zakrzywione struktury. Wyróżniamy kilka technik integracji modułów fotowoltaicznych:

• nałożenie – może być problematyczne z uwagi na dodatkowe obciążenie oraz ingerencję w konstrukcję, funkcję i część wizualną fasady;
• zastąpienie – w budynkach istniejących pozwala np. wymienić elementy okładziny w ramach remontu fasady;
• bezpośrednia integracja – w harmonijny sposób łączy technologię solarną z architekturą i konstrukcją budynku; jest najefektywniejszym rozwiązaniem, także w kontekście wpływu na środowisko, bowiem redukuje ilość zużytych materiałów, przestrzeń, energię i koszty.

Moduły PV produkowane są w kształtach i rozmiarach porównywalnych do konwencjonalnych materiałów budowlanych, dzięki czemu większość systemów fasadowych nadaje się do integracji z nimi, nawet bez konieczności znacznych modyfikacji. Techniki mocowania mogą być bardzo różne (liniowe, punktowe, zaciskowe, za pomocą konsoli, kotew itd.). Niektóre firmy solarne i budowlane oferują ustandaryzowane systemy mocujące, a także zapewniają wsparcie techniczne na etapie projektowania, obliczeń i wykonawstwa.Popularne jest użycie modułów w roli okładziny fasady wentylowanej. Mocuje się je na podkonstrukcji z pionowych/poziomych profili jak konwencjonalne materiały. Wielowarstwowa budowa przegrody zapewnia przepływ powietrza, który chłodzi moduły, zwiększając ich wydajność i zapobiegając kondensacji wilgoci. W pustce powietrznej schowane jest okablowanie i puszki łączeniowe. Ze względu na to, że okładzina jest nieprzeźroczysta zazwyczaj stosuje się moduły typu szkło-folia z ogniwami krystalicznymi lub jednolicie czarne, szklane CIGS. Można także wykorzystać panele ceramiczne, betonowe lub płyty warstwowe zintegrowane z cienkowarstwowymi laminatami PV. Modularne rozwiązania zapewniają szybki i łatwy montaż lub demontaż poszczególnych elementów, a także możliwość kombinacji różnych materiałów (solarnych i tradycyjnych) w obrębie jednego systemu. Innym rozwiązaniem są ściany osłonowe typu wypełniającego, zawieszonego i strukturalnego. Nieprzeźroczyste moduły pełnią rolę spandreli, semitransparentne zastępują konwencjonalne przeźroczyste szkło. Jednym z najczęściej stosowanych systemów są konstrukcje słupowo-ryglowe, w których moduły PV stanowią wypełnienie aluminiowego szkieletu. W systemach strukturalnych fasada jest gładka, pozbawiona wystających elementów, mogących zacieniać ogniwa i akumulować zanieczyszczenia. Moduły klejone do profili nośnych specjalnym szczeliwem silikonowym zazwyczaj, ze względów bezpieczeństwa, zabezpiecza się dodatkowym mocowaniem mechanicznym (np. ukrytym pod listwami maskującymi). W przypadku montażu punktowego moduły przytwierdzane są co najmniej w 4 miejscach. Bezramowe panele szklane, z otworami wierconymi w celu uniknięcia uszkodzenia ogniw, produkowane są na zamówienie, wymagają też dobrego zabezpieczenia brzegów i okablowania.

Kosztowną, ale efektywną metodą jest zastosowanie semitransparentnych BiPV w zewnętrznej warstwie podwójnych fasad szklanych. Szkło z ogniwami można też zainstalować w tradycyjnych systemach okiennych. Trzeba jednak pamiętać, że jest cięższe i grubsze od konwencjonalnego materiału, choć kształty i wielkości są w zasadzie takie same.

Cienkowarstwowe laminaty na taśmach stalowych i tworzywowych pozbawione są szkła w obudowie i można je instalować na konstrukcjach każdego kształtu, także wklęsłych czy wypukłych. Brak wystających ponad powierzchnię materiału elementów jest, w powiązaniu z lekkością materiału solarnego, dużą zaletą dla lekkich konstrukcji szkieletowych. Możliwość użycia i połączenia tego samego materiału w postaci tradycyjnej oraz jako BiPV pozwala zaprojektować fasadę w jednolitej strukturze. Fotowoltaiczne płyty warstwowe układane są pionowo lub poziomo i przytwierdzane w tradycyjny sposób. Podobnie blachy solarne (mocowane np. na rąbek stojący, podwójny rąbek kątowy, listwy zatrzaskowe). Proste złącza wtykowe pozwalają scalać poszczególne elementy w większe jednostki, okablowanie elektryczne zaś prowadzone jest do wnętrza budynku przez konstrukcję.

• Czytaj też: Materiały budowlane przyszłości. Jak będą zmieniać architekturę i budownictwo?

Zewnętrzne systemy ochrony przeciwsłonecznej, np. zadaszenia nad otworami okiennymi i drzwiowymi, ekrany, systemy okiennic, żaluzji czy brise-soleil, są doskonałym miejscem do montażu fotowoltaiki. Jeśli są instalowane od strony południowej i dobrze nachylone względem słońca, optymalnie wykorzystują energię solarną dla konwersji fotowoltaicznej. Ponadto kontrolują oświetlenie wnętrza, a także chronią od przegrzania i oślepienia. Zacienianie pomieszczeń latem redukuje obciążenie związane z koniecznością ich chłodzenia, z kolei zimą systemy BiPV pozwalają promieniom słonecznym przedostawać się do środka, ogrzewając i doświetlając wnętrze. Znani producenci mają w ofercie standardowe systemy umożliwiające wymienne użycie materiałów konwencjonalnych i modułów fotowoltaicznych. Statyczne struktury są na stałe przytwierdzone do fasady w układzie wertykalnym lub horyzontalnym. Bardziej skuteczne, ale dużo droższe są systemy mobilne. Obracane osiowo elementy, sterowane automatycznie przy użyciu centralnego systemu lub indywidualnie, śledzą ruch słońca. Zazwyczaj zasilane są energią elektryczną, ale ruch można też generować za pomocą systemów termohydraulicznych.

W każdym przypadku niezbędne jest wzajemne dopasowanie konstrukcji fasady i elementów instalacji elektrycznej. Wszystkie komponenty systemu BiPV oraz ich eksploatacja w celu zabezpieczenia zdrowia i życia użytkowników muszą być zgodne z wymogami bezpieczeństwa. Połączenia elektryczne modułów w systemach zintegrowanych bywają bardzo złożone z uwagi na różnorodną orientację elementów, warunki cienia, temperatury, a nawet różną moc wyjściową poszczególnych paneli. Ważne jest zabezpieczenie okablowania od wilgoci i promieni UV oraz możliwość jego ukrycia z uwagi na bezpieczeństwo i estetykę. W fasadach wentylowanych w tym celu wykorzystuje się pustkę powietrzną, a w systemach słupowo-ryglowych profile konstrukcyjne. Z kolei inwertory to urządzenia wymagające okresowej kontroli i konserwacji. Powinny znajdować się w miejscu dobrze wentylowanym, chronionym, ale jednocześnie zapewniającym dobry dostęp. Wybór ich typu wpływa na miejsce usytuowania, a także konieczność zapewnienia odpowiedniej ilości miejsca i budowy przegrody. Inwertory centralne umieszcza się zazwyczaj w osobnym pomieszczeniu technicznym, strumieniowe – obsługujące poszczególne sznury modułów – lokowane są w ich pobliżu, natomiast indywidualne montowane są na tylnej stronie modułu.

Fotowoltaika - podsumowanie

Integracja fotowoltaiki wpływa na budowę oraz wygląd obiektu i jednocześnie stwarza specyficzne (nie zawsze optymalne) warunki dla funkcjonowania urządzeń elektrycznych. Podczas jej instalacji istotne jest osiągnięcie konsensusu pomiędzy wymogami solarnej technologii, architekturą i konstrukcją budynku oraz potrzebami użytkowników. Jak zatem widać synergia działań specjalistów różnych branż jest niezbędna na każdym etapie inwestycji.