ANALIZA WYBRANYCH PARAMETRÓW ELEKTRYCZNYCH DACHÓWEK FOTOWOLTAICZNYCH

INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI I ELEKTRONIKI PRZEMYSŁOWEJ ZAKŁAD ELEKTROTECHNIKI TEORETYCZNEJ I STOSOWANEJ

ANALIZA WYBRANYCH PARAMETRÓW ELEKTRYCZNYCH

DACHÓWEK FOTOWOLTAICZNYCH

Dariusz KURZ

Rozprawa doktorska

Promotor:

Prof. dr hab. inż. Ryszard NAWROWSKI

Promotor pomocniczy:

Dr inż. Grzegorz TRZMIEL

Słowa kluczowe:

konwersja fotowoltaiczna, ogniwo słoneczne, BIPV, dachówka fotowoltaiczna, temperatura ogniw PV, uzysk energii, sprawność konwersji fotowoltaicznej, opór cieplny

Poznań, 2019

2

Spis treści

STRESZCZENIE ... 4

ZESTAWIENIE WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ ... 6

1. Wprowadzenie ... 8

2. Cel, zakres i teza pracy ... 10

3. Fotowoltaika – informacje, stan aktualny i perspektywy rozwoju ... 11

3.1. Światło słoneczne i jego właściwości ... 11

3.2. Efekt fotowoltaiczny ... 12

3.3. Technologie produkcji i rodzaje ogniw PV ... 16

3.4. Fotowoltaika zintegrowana z budynkiem (BIPV)... 22

3.4.1. Wprowadzenie – rodzaje elementów ... 22

3.4.2. Zalety, wady, tendencje rozwojowe BIPV ... 25

3.4.3. Porównanie tradycyjnych paneli i dachówek PV ... 29

4. Aktualny stan wiedzy ... 32

5. Modelowanie i symulacja parametrów ogniw PV ... 36

5.1. Charakterystyka nieoświetlonego ogniwa PV ... 36

5.2. Charakterystyka oświetlonego ogniwa PV ... 38

5.3. Jedno- i dwudiodowy schemat zastępczy ogniwa PV... 46

5.4. Stanowisko pomiarowe dachówki fotowoltaicznej ... 50

5.5. Wpływ irradiancji na wartość generowanej mocy z ogniw PV ... 55

5.6. Wpływ temperatury ogniw PV na wartość generowanej z nich mocy elektrycznej ... 57

5.7. Opór cieplny dachówki fotowoltaicznej ... 64

5.8. Model RC dachówki fotowoltaicznej... 65

5.9. Model PET dachówki fotowoltaicznej ... 69

5.10. Wpływ konstrukcji dachowej na temperaturę ogniw (dachówek) PV ... 76

6. Metodologia badań dachówek fotowoltaicznych zintegrowanych z konstrukcją dachową ... 82

6.1. Wprowadzenie, założenia badawcze (pomiarowe) ... 82

6.2. Opis stanowiska badawczego ... 85

6.3. Aparatura pomiarowa ... 87

6.4. Teoria błędów pomiarowych... 93

6.4.1. Definicja pomiaru ... 93

6.4.2. Analiza błędów pomiarowych ... 94

3

6.5. Obróbka statystyczna danych pomiarowych ... 96

7. Modelowanie dachówek fotowoltaicznych zintegrowanych z dachem ... 99

7.1. Opór cieplny dachu z wbudowaną dachówką PV ... 99

7.2. Zmiana temperatury ogniw PV dachówki fotowoltaicznej wbudowanej w różne struktury dachowe ... 106

7.2. Zależność mocy wyjściowej i sprawności dachówek PV od rodzaju struktury dachowej ... 114

7.3. Modelowanie instalacji PV zintegrowanej z dachem (pod względem ilości generowanej energii elektrycznej) w funkcji temperatury ogniw ... 126

8. Statystyczna analiza istotności parametrów dachówek fotowoltaicznych ... 132

9. Analiza ekonomiczna kosztów wytwarzania energii elektrycznej z instalacji fotowoltaicznych ... 136

10. Uwagi końcowe i wnioski ... 139

SPIS BIBLIOGRAFICZNY ... 143

SPIS TABEL ... 159

SPIS RYSUNKÓW ... 161

4

STRESZCZENIE

Praca dotyczy zagadnień z tematyki energetyki słonecznej, elektrotechniki oraz elektrotermii.

Autor rozprawy podjął ważny a niedostatecznie rozpoznany temat zmian temperatury ogniw PV dachówek fotowoltaicznych zintegrowanych z dachem. Sformułowano tezę badawczą, wskazującą na zależność parametrów elektrycznych dachówek PV od rodzaju konstrukcji dachowej, a dokładniej od jej oporu cieplnego. W celu weryfikacji postawionego założenia wykonano szereg działań, do których należało:

 wyznaczenie parametrów technicznych i materiałowych używanej w badaniach dachówki fotowoltaicznej oraz jej oporu cieplnego i pojemności cieplnej,

 zaprojektowanie i wykonanie stanowisk pomiarowych, na których przebadano w ciągu kilku lat parametry dachówek PV w naturalnych warunkach środowiskowych,

 wyznaczenie oporu cieplnego trzech struktur konstrukcji dachowych, rozpatrywanych w przedmiotowych badaniach oraz opracowanie ilościowego rozdziału mocy cieplnych w układzie dachówki PV wbudowanej w różne konstrukcje dachowe,

 opracowanie modeli: rezystancyjno – pojemnościowego (RC) oraz foto – elektro – termicznego (PET), służących do wyznaczenia stałej czasowej dachówki PV,

 wskazanie różnic przy sposobie wyznaczania temperatury ogniw PV będących częścią składową tradycyjnych paneli i dachówek fotowoltaicznych,

 wyznaczenie uniwersalnych współczynników dla równania modelu PET dachówki PV, uwzględniającego ilość mocy cieplnej zakumulowanej w przestrzeni dachowej, mającej bezpośredni wpływ na temperaturę ogniw PV,

 wykonanie modelu symulacyjnego w środowisku Matlab/Simulink w celu wyznaczenia temperatury ogniw PV dachówki fotowoltaicznej oraz uzysków energii elektrycznej z uwzględnieniem rodzaju struktury konstrukcji dachowej, z którą zostały zintegrowane,

 porównanie wyników uzysków mocy elektrycznych oraz sprawności, dla trzech instalacji fotowoltaicznych zintegrowanych z różnymi konstrukcjami dachowymi, otrzymane na drodze pomiarów i symulacji komputerowych,

 wykazanie analizy istotności i korelacji wybranych parametrów dachówki PV,

 wykonanie analizy porównawczej jednostkowych kosztów wytworzenia energii

elektrycznej z instalacji fotowoltaicznej opartej na tradycyjnych panelach i dachówkach

fotowoltaicznych.

5

SUMMARY

The study concerns with solar energy issues, electrical engineering and electrothermics.

The author of the dissertation has touched upon an important but at the same time slightly neglected subject of changes in the temperature of PV cells of photovoltaic roof tiles integrated with the roof. A research thesis, which indicates a relationship between electric parameters of PV roof tiles and the type of the roof construction, and to be more precise, its thermal resistance, has been formulated. In order to verify this assumption, a number of actions have been taken, and these include:

 the determination of technical and material parameters of the PV roof tile used in the research, as well as its thermal resistance and thermal capacity,

 the design and provision of measuring stations, on which the parameters of the PV roof tiles were tested within several years in natural environmental conditions,

 the determination of the thermal resistance of three structures of roof constructions considered in the research in question and the analysis of the quantitative distribution of thermal powers in the PV roof tile system integrated into various roof constructions,

 the development of the resistive – capacitive (RC) model and photo – electro – thermal model (PET), both of which are used for the purpose of determination of the time constant of the PV roof tile,

 the indication of differences in the method of determination of the temperature of PV cells which are components of traditional panels and PV roof tiles,

 the determination of universal coefficients for the PET model equation of the PV roof tile, which takes into account the amount of thermal power accumulated in the roof space, having a direct effect on the temperature of the PV cells,

 the preparation of the simulation model in the Matlab/Simulink environment for the purpose of determination of the temperature of PV cells of a photovoltaic roof tile and the energy outputs, taking into account the type of the structure of the roof construction with which they were integrated,

 the comparison of results of electric power outputs and efficiency for three photovoltaic installations integrated with different roof constructions, obtained through measurements and computer simulations,

 the demonstration of the significance analysis and correlation of selected parameters of the PV roof tile,

 the performance of comparative analysis of unit costs of electricity production from

the photovoltaic installation based on traditional panels and photovoltaic roof tiles.

6

ZESTAWIENIE WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ

s - współczynnik absorpcji promieniowania słonecznego dachówki PV [-]

 - współczynnik doskonałości diody [-]





- -

odchylenie standardowe od średniej,

stała Stefana-Boltzmana [-]

[W/(m

K

)]

 - emisyjność dachówki PV [-]



- współczynnik temperaturowy zmian prądu ogniwa [A/K],



- współczynnik temperaturowy zmian prądu zwarcia ogniwa [mA/°C]

[%/°C]



- współczynnik temperaturowy zmian napięcia jałowego ogniwa [V/°C]

[%/°C]



- współczynnik temperaturowy zmian mocy ogniwa [%/°C]



- gęstość materiału [kg/m

]

 - Sprawność konwersji fotowoltaicznej [%]



- stała czasowa dachówki PV wyznaczona według modelu RC [s]



- stała czasowa dachówki PV wyznaczona według modelu PET [s]

 - kąt nachylenia dachu [°]

 - kąt azymutu odbiornika [°]

- wartość średnia

A

- pole powierzchni warstwy [m

]

A

- pole powierzchni dachówki PV [m

]

C

- pojemność cieplna materiału o założonej powierzchni [J/K],

C

- pojemność cieplna materiału [J/ m

K]

C

- całkowita pojemność cieplna dachówki fotowoltaicznej [J/m

K]

c

- ciepło właściwe materiału [J/kgK]

d

- grubość warstwy niejednorodnej cieplnie [m]

d

- grubość warstwy materiału w komponencie [m]

d

- stopa dyskonta w roku przeprowadzania inwestycji ^[-]

E - gęstość mocy promieniowania słonecznego [W/m

]

E

- bariera energetyczna potencjału [V]

E

- ilość energii elektrycznej wyprodukowanej w danym roku ^[kWh]

FF - współczynnik wypełnienia [-]

h

- współczynnik konwekcyjnej wymiany ciepła [W/m

K]

I

- prąd nasycenia diody [A]

I

- składowa dyfuzyjna prądu nasycenia diody [A]

I

- składowa rekombinacyjna prądu nasycenia diody [A]

I - prądy wyjściowy ogniwa PV [A]

I

- prąd związany z występowaniem efektu fotowoltaicznego wewnętrznego

[A]

I

- prąd w punkcie mocy maksymalnej [A]

I

- prąd zwarcia [A]

k - obliczeniowy współczynnik przewodzenia ciepła (przewodność cieplna)

[W/mK]

k

- współczynnik temperaturowy zmiany wartość rezystancji bocznikowej [-]

k

- współczynnik temperaturowy zmiany wartość rezystancji szeregowej [-]

k

- stała Boltzmanna [J/K]

k

- zdyskontowany jednostkowy koszt wytwarzania energii elektrycznej

[zł/kWh]

KI

- nakłady inwestycyjne ^[zł]

KU

- koszty utrzymania i remontów w danym roku [ ^[zł]

KP - koszt paliwa zużytego na wytworzenie jednostki energii elektrycznej w danym roku

[zł]

7

m - masa [kg]

N

- liczba ogniw PV w panelu [szt.]

P

- moc maksymalna [W]

P

- moc elektryczna generowana przez dachówkę PV [W]

p - poziom ufności [-]

p

- współczynnik określający rozkład normalny zmiennej zależnej [-]

q - ładunek elektryczny (1,602·10

) [C]

Q

- moc cieplna rozproszona w dachówce [W]

Q

- moc promieniowania słonecznego docierająca do powierzchni

dachówki PV [W]

Q

- radiacyjne straty mocy cieplnej [W]

Q

- konwekcyjne straty mocy cieplnej [W]

Q

- moc cieplną przekazaną w stronę otoczenia od dachówki PV [W]

Q

- moc cieplna przekazaną w stronę dachu z tylnej części dachówki PV [W]

Q

- moc cieplna, która przeniknie przez izolację (strukturę) dachu do

wnętrza budynku (poddasza) [W]

Q

- moc cieplna zakumulowana w przestrzeni powietrznej dachu [W]

R

- rezystancja bocznikowa ogniwa PV [Ω]

R

- rezystancja szeregowa ogniwa PV [Ω]

R

(R

) - opór przejmowania ciepła na wewnętrznej powierzchni [m

K/W]

R

(R

) - opór przejmowania ciepła na zewnętrznej powierzchni [m

K/W]

R

- opór cieplny materiału o założonej powierzchni [K/W]

R

- opór cieplny materiału [m

K/W]

R

- całkowita wartość oporu cieplnego dachówki PV [m

K/W]

R

- opór cieplny warstwy powietrza [m

K/W]

R

- opór cieplny konstrukcji (struktury) dachowej [m

K/W]

R

- całkowity opór cieplny dachu [m

K/W]

r

- współczynniki wyrażający ilość mocy cieplnej przepływającej przez tylną część dachówki PV do przestrzeni dachowej

[-]

r

- współczynnik wyrażający ilość mocy cieplnej zakumulowanej w przestrzeni dachowej (nie przepływającej przez strukturę dachu do wnętrza budynku)

[-]

r

- współczynnik korelacji zmiennych zależnych Spearmana [-]

T - temperatura bezwzględna złącza [K]

T

- temperatura ogniw PV [K], [°C]

T

- temperatura otoczenia [K], [°C]

T

- temperatura powietrza w przestrzeni dachowej [°C]

T

- temperatury powierzchni dachówki [°C]

T

- temperatura odniesienia w warunkach STC [K]

U - napięcie ogniwa PV [V]

U

- napięcie termiczne (U

= 0,026 V, dla T = 300 K) [V]

U

- napięcia obwodu otwartego (w stanie jałowym) [V]

U

- napięcie w punkcie mocy maksymalnej [V]

U

- współczynnik przenikania ciepła przegrody [W/m

K]

U

- współczynnik przenikania ciepła dachu [W/m

K]

u

- niepewność standardowa pomiaru [-]

v - prędkość wiatru [m/s]

8

1. Wprowadzenie

Przedstawiona rozprawa doktorska dotyczy problematyki efektywności konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną w zależności od zmian temperatury ogniw PV dachówek fotowoltaicznych zintegrowanych z konstrukcją dachową.

Obserwuje się wzrost zainteresowania instalacjami fotowoltaicznymi na przestrzeni ostatnich lat, zarówno w ujęciu światowym jak również krajowym, pomimo mało sprzyjającej polskiej polityki i zachęt dla prosumentów (indywidualnych odbiorców i wytwórców) energii elektrycznej. Także wymagania prawne nakładane przez Unię Europejską na kraje członkowskie, a więc w tym także i Polskę, wymuszają zwiększanie udziału generacji energii z Odnawialnych Źródeł Energii (OZE) w krajowym całkowitym bilansie energetycznym.

Zgodnie z Dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady UE 2018/2001 z dnia 11 grudnia 2018 r. w sprawie promowania i stosowania energii ze źródeł odnawialnych, przywołującej komunikat Komisji z dnia 22 stycznia 2014 r. pt. „Ramy polityczne na okres 2020 – 2030 dotyczące klimatu i energii” udział energii odnawialnej w zużyciu energii w Unii w 2030 roku powinien wynieść co najmniej 27%. Ponadto, w świetle „Sprawozdania z postępów w dziedzinie energii odnawialnej” z dnia 23 czerwca 2016 r. mówiącym o rozwoju technologicznym oraz redukcji kosztów inwestycyjnych w energię odnawialną oraz celach zawartych w porozumieniu paryskim Parlament Europejski podjął decyzję o zwiększeniu wymaganego udziału energii odnawialnej do poziomu co najmniej 32% w 2030 roku [31].

Wszystkie państwa członkowskie powinny wprowadzić odpowiednie mechanizmy zachęt dla inwestorów w celu osiągnięcia zamierzonych celów.

Instalacje fotowoltaiczne można podzielić na dwie zasadnicze grupy. Jedną z nich stanowią duże farmy fotowoltaiczne o mocach znamionowych od kilkudziesięciu kilowatów do nawet kilkuset megawatów, z których generowana energia elektryczna w obecnych krajowych przepisach prawnych podlega odsprzedaży do systemu energetycznego według mechanizmu aukcyjnego. Drugą grupę stanowią małe instalacje fotowoltaiczne o mocach od kilku do 50 kilowatów, budowane przez prywatnych inwestorów nazywanych prosumentami. Instalacje prosumenckie podlegają zasadzie opustów, co oznacza, że z wytworzonej 1 kWh energii inwestor może wykorzystać 80% (przy instalacjach do mocy 10 kW) lub 70% (w przypadku instalacji od 10 do 40 kW) [158].

Efektywność konwersji fotowoltaicznej zależy głównie od orientacji przestrzennej

fotoodbiornika, jego parametrów oraz ilości mocy promieniowania słonecznego docierającego

do niego. Parametry elektryczne odbiornika fotowoltaicznego zależą od jego konstrukcji

9 i wymiarów, parametrów materiałowych warstw składowych i zastosowanego procesu wytwórczego. Istotne znaczenie odgrywa także temperatura ogniw PV [47, 69, 104].

Tradycyjne panele fotowoltaiczne montowane są zawsze na konstrukcji wsporczej nad powierzchnią gruntu bądź dachu, dzięki czemu naturalne ruchy wiatru ochładzają ich powierzchnię, poprawiając tym samym sprawność konwersji fotowoltaicznej. Istnieje wiele prac dotyczących badań wpływu chłodzenia paneli PV lub wysokości ich montażu nad dachem na efektywność generowania energii [40, 117, 141]. Montaż paneli PV w dachu powoduje wzrost temperatury ogniw PV, co przekłada się na niższą sprawność generacji energii, na co wskazują autorzy pracy [56].

Dachówki fotowoltaiczne łączą w sobie ogniwa PV z pokryciem dachowym. Ten rodzaj elementów fotowoltaicznych pozwala na optymalne wykorzystanie energii Słońca ze względu na ich właściwą ekspozycję i kąt nachylenia dachu budynku. Obecnie na rynku dostępne są różne rodzaje dachówek fotowoltaicznych – przypominające tradycyjne panele PV oszklone i w metalowych ramach, moduły elastyczne lub ogniwa PV zintegrowane z dachówkami ceramicznymi. Wymiary dachówek PV są tak dobrane, aby można było je wkomponować pomiędzy tradycyjne pokrycia dachowe – dachówki ceramiczne lub pokrycia bitumiczne.

Zazwyczaj wysokość dachówek PV wynosi ok. 40 cm, natomiast szerokość od kilkunastu centymetrów do nawet kilku metrów, zastępując kilkanaście dachówek ceramicznych czy rząd papy asfaltowej wierzchniego krycia. Im mniejszy element, tym łatwiej można wypełnić cały dach elementami fotowoltaicznymi, co jednak podnosi koszty instalacji fotowoltaicznej w porównaniu z większymi dachówkami [60, 170].

Zastąpienie paneli fotowoltaicznych dachówkami PV wpływa pozytywnie na aspekty

architektoniczne obiektu, jednak niesie za sobą pewne negatywne skutki energetyczne,

objawiające się niższą sprawnością generacji energii elektrycznej, co stanowi swoisty

kompromis inwestora pomiędzy aspektami ekonomicznymi a wizualnymi inwestycji. Istotne

jest, aby można było dokładniej oszacować ilość energii generowanej przez dachówki

fotowoltaiczne zintegrowane z dachami o różnych strukturach, co będzie determinowało czas

zwrotu inwestycji.

10

2. Cel, zakres i teza pracy

Celem pracy jest wykonanie badań wybranych parametrów elektrycznych i termicznych dachówek fotowoltaicznych oraz opracowanie modelu elektryczno – termicznego ogniw PV uwzględniającego strukturę dachu.

Zakres prac obejmuje:

 sformułowanie zależności pomiędzy rodzajem konstrukcji dachowej (jej oporem cieplnym) a temperaturą ogniw PV, wchodzących w skład dachówek fotowoltaicznych wbudowanych w dach,

 zaprojektowanie i wykonanie stanowiska pomiarowego służącego do przeprowadzenia badań wybranych parametrów dachówek fotowoltaicznych (takich jak: prąd, napięcie, generowana moc, temperatura) pozwalających na archiwizację danych pomiarowych z systemów fotowoltaicznych zintegrowanych z różnymi strukturami dachowymi oraz panujących warunków środowiskowych,

 opracowanie modelu matematycznego oraz symulacyjnego predykcji temperatury ogniw PV dachówek fotowoltaicznych, uwzględniającego strukturę dachu (jego opór cieplny),

 wyznaczenie stałych czasowych badanej dachówki fotowoltaicznej,

 wykonanie badań eksperymentalnych wybranych parametrów dachówek fotowoltaicznych wbudowanych w różne dachy,

 przeprowadzenie analizy porównawczej wybranych parametrów dachówek PV uzyskanych na drodze analitycznej, symulacyjnej oraz pomiarowej.

Teza pracy brzmi następująco:

Parametry elektryczne dachówek fotowoltaicznych (tj. napięcie, moc oraz sprawność

konwersji fotowoltaicznej) są zależne od oporu cieplnego konstrukcji dachowej,

wpływającego na temperaturę ogniw PV.

11

3. Fotowoltaika – informacje, stan aktualny i perspektywy rozwoju

3.1. Światło słoneczne i jego właściwości

Słońce jest najsilniejszym źródłem światła docierającego do Ziemi. Promieniuje ono energię powstałą w wyniku reakcji termojądrowych zachodzących w jego wnętrzu. Słońce emituje promieniowanie we wszystkich zakresach fal elektrochromatycznych, najwięcej w obszarze promieniowania widzialnego – 49%, podczerwonego – 44% a nadfioletowego tylko 7% energii. Widmo promieniowania słonecznego na powierzchni atmosfery ziemskiej oznaczonej jako AM0 przypomina rozkład widmowy ciała doskonale czarnego o temperaturze 5777 K, co przedstawiono na rys. 3.1 [199]. Masa optyczna atmosfery AM (ang. Air Mass) określa drogę optyczną, jaką musi przebyć promień słoneczny przechodzący przez atmosferę w stosunku do możliwej najkrótszej drogi, czyli gdy Słońce znajduje się w zenicie, co można wyrazić równaniem [139]:

z

AM cos 

 1 (3.1)

gdzie: 

– kąt odchylenia promieni słonecznych w płaszczyźnie pionowej (od zenitu) [°].

Rys. 3.1. Rozkłady widmowe promieniowania słonecznego dla AM0, AM1, AM2

z przedstawieniem interpretacji graficznej definicji optycznej masy atmosfery

[139]

12 Przyjęto, że współczynnik AM0 dotyczy promieniowania słonecznego w kosmosie, poza atmosferą ziemską, natomiast AM1 oznacza, że Słońce znajduje się w zenicie, czyli 

= 0°.

Stosowany natomiast w większości przypadków symulacji ogniw fotowoltaicznych współczynnik AM1,5 dotyczy promieniowania słonecznego, gdy 

= 48° [139].

Promieniowanie słoneczne można scharakteryzować za pomocą trzech najistotniejszych wielkości z punktu widzenia energetyki słonecznej:

 gęstość mocy promieniowania słonecznego: E [W/m

],

 nasłonecznienie: H [J/m

],

 usłonecznienie: h [godzina].

Usłonecznienie h jest wielkością definiującą liczbę godzin docierania bezpośredniego promieniowania słonecznego do powierzchni Ziemi w określonym czasie. Nasłonecznienie H jest energią promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni fotoodbiornika w ciągu określonego czasu. Promieniowanie słoneczne E oznacza całkowitą wartość promieniowania docierającego do dowolnie usytuowanego odbiornika, na które składa się promieniowanie bezpośrednie E

, rozproszone (dyfuzyjne) E

oraz odbite E

[139, 69].

Ilość energii słonecznej docierającej do określonego obszaru zależy od położenia geograficznego (związanego głównie z szerokością geograficzną) oraz lokalnych warunków meteorologicznych i ukształtowania terenu. Polska leży w strefie klimatu umiarkowanego kontynentalnego i rozciąga się pomiędzy 49 a 54,5 stopniem szerokości geograficznej północnej [139].

3.2. Efekt fotowoltaiczny

Konwersja energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną zachodzi

w ogniwach fotowoltaicznych w wyniku wewnętrznego efektu fotowoltaicznego. Efekt ten

zachodzi we wszystkich półprzewodnikach (jednorodnych i niejednorodnych), jednak dla

każdego z nich z różną intensywnością i przy innym zakresie długości fali padającego

promieniowania. Pierwiastki dążą do zapełniania powłoki walencyjnej do pełnego oktetu

(ośmiu elektronów), poprzez łączenie się z innymi pierwiastkami lub formułując kryształy

z własnych atomów. Najpopularniejsze obecnie ogniwa PV wytwarzane są z krzemu

monokrystalicznego. Pierwiastki z IV grupy, do których należy także krzem, mają tylko

4 elektrony na zewnętrznej orbicie (powłoce walencyjnej), a dopełnieniem do pełnych

8 elektronów są wspólne elektrony wiązań kowalencyjnych między atomami krzemu w sieci

13 krystalicznej. Dzięki temu, każdy atom otacza osiem elektronów, więc brak jest elektronów swobodnych, przez co idealny kryształ krzemu jest izolatorem. Aby zaczął on przewodzić prąd, należy dostarczyć do elektronu walencyjnego minimalną wartość energii E

(ang.

Energy Gap), niezbędną do jego przejścia na wyższy poziom energetyczny. Do grupy półprzewodników zalicza się pierwiastki, których bariera potencjału nie przekracza 5 eV (E

< 5 eV, gdzie 1 eV = 1,60219 · 10

J – jest to energia uzyskiwana przez elektron po zmianie swojego potencjału o 1 V). W miejscu wybitego elektronu z powłoki walencyjnej pozostaje tzw. dziura o ładunku dodatnim, równym co do wartości ładunkowi elektronu, poruszająca się pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego w kierunku przeciwnym do ruchu elektronu (czyli w kierunku anody). Po ustaniu działania zewnętrznego pola elektrycznego, następuje rekombinacja dziury i elektronu, a atom wraca do stanu niewzbudzonego, oddając przy tym zaabsorbowaną energię (rys. 3.2). Z uwagi na trudności w uzyskiwaniu takich samoistnych półprzewodników, stosuje się ich domieszkowanie innymi atomami pierwiastków (np. w stosunku 1 atom domieszki na 1 milion atomów krzemu) w celu wytworzenia półprzewodników niesamoistnych, aby utrudnić proces rekombinacji dziur i elektronów. Stosuje się domieszki typu p – akceptorowego (ang. positive), gdzie liczba dziur jest większa niż liczba elektronów oraz domieszki typu n – donorowego (ang. negative), gdzie występuje większa liczba elektronów niż dziur. Akceptorami dla atomów krzemu są atomy boru, glinu, galu, indu lub talu, natomiast wśród donorów wyróżnia się takie pierwiastki jak fosfor, antymon, arsen lub bizmut [38, 57, 69, 139, 156, 160].

Rys. 3.2. Model energetyczny pasmowy półprzewodnika samoistnego [38, 69, 139]

14 Model energetyczny pasmowy półprzewodnika przedstawia stany energetyczne elektronów w krysztale, które mają charakter pasm o szerokości kilku elektronowoltów.

Półprzewodniki niesamoistne typu n i typu p mają inne modele pasmowe (pokazane na rys. 3.3) niż półprzewodniki samoistne (bez domieszek – rys. 3.2).

Każdy pięciowartościowy atom domieszki w półprzewodniku typu n posiada pięć elektronów walencyjnych, z których cztery są związane z sąsiednimi atomami krzemu, a piąty przechodzi do pasma przewodnictwa. W półprzewodniku typu n elektrony są nośnikami większościowymi (gdyż ich liczba w paśmie przewodnictwa jest znacznie większa od liczby dziur), a dziury – mniejszościowymi. Z kolei w półprzewodniku typu p (domieszkowanym atomami z trzema elektronami walencyjnymi związanymi z atomami krzemu) do uzupełnienia wiązania pobierany jest elektron z głębszych poziomów walencyjnych, przez co powstaje dziura. Poziom akceptorowy znajduje się w sąsiedztwie pasma walencyjnego.

W półprzewodniku typu p dziury są nośnikami większościowymi, a elektrony – mniejszościowymi. W stanie równowagi termicznej w każdym półprzewodniku, niezależnie od koncentracji domieszki, spełniony jest warunek neutralności, czyli wypadkowy ładunek elektryczny w każdym obszarze półprzewodnika jest równy zeru. Każde zaburzenie warunku neutralności powoduje powstanie pola elektrycznego, przywracające stan równowagi elektrycznej [38, 57, 139].

Rys. 3.3. Modele energetyczne pasmowe półprzewodników niesamoistnych [38, 139]: a) typu

n – z donorami, b) typu p – z akceptorami

15 Złącze p-n powstaje poprzez połączenie półprzewodnika typu p z półprzewodnikiem typu n, a w miejscu ich styku dochodzi do przepływu nośników. Elektrony z obszaru n dyfundują do obszaru p, natomiast dziury – z obszaru p do n. Przechodzące do przeciwnych obszarów nośniki stają się tam nośnikami mniejszościowymi i rekombinują z nośnikami większościowymi. W wyniku dyfuzji w obszarze n powstaje nadmiar ładunków jonów dodatnich, a w obszarze p – ujemnych. Na styku dwóch typów półprzewodników powstaje podwójna warstwa nieskompensowanych ładunków, nazywana obszarem ładunku przestrzennego. Powstała bariera w postaci różnicy potencjałów nazywana jest napięciem dyfuzyjnym U

. W modelu pasmowym złącza p-n (widocznym na rys. 3.4) dochodzi do przesunięcia położenia pasm energetycznych, proporcjonalnego do napięcia dyfuzyjnego [38, 57, 139].

Rys. 3.4. Model energetyczny pasmowy idealnego złącza p-n [139]: E

– dno pasma przewodnictwa, E

– wierzchołek pasma walencyjnego, E

– poziom Fermiego, U

– napięcie dyfuzyjne, d

– szerokość przerwy zaporowej

Gdy do półprzewodnika typu p zostanie przyłożony potencjał dodatni, a do półprzewodnika typu n potencjał ujemny (tj. przeciwnie do U

), wówczas zmniejsza się bariera potencjału i złącze zostaje spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Przy odwrotnym przyłożeniu napięć do półprzewodników bariera potencjału się zwiększa, a złącze zostaje spolaryzowane w kierunku zaporowym [139].

Pole elektryczne (zwane także barierą potencjałów lub obszarem ładunku przestrzennego)

powstaje w miejscu styku półprzewodników typu n i typu p przez ładunki elektryczne,

16 o przeciwnym znaku do nośników większościowych warstwy, zgromadzone po obu jej stronach. Oświetlenie złącza p-n powoduje wytworzenie w nim pary dziura-elektron przez fotony o energii większej od szerokości przerwy energetycznej półprzewodnika. Zjawisku temu towarzyszy wydzielanie się ciepła. Aby powstało zjawisko fotowoltaiczne, konieczne jest rozdzielenie tych par, zanim ulegną połączeniu (rekombinacji), do czego niezbędne jest występowanie wewnętrznego pola elektrycznego (które istnieje w obszarze złącza p-n).

W tym polu poruszają się nadmiarowe elektrony z półprzewodnika typu p do typu n oraz dziury – z typu n do typu p, dzięki czemu następuje rozerwanie generowanych par dziura- elektron. Rozdzielone nośniki mniejszościowe z jednej strony złącza stają się nośnikami większościowymi z drugiej strony, wytwarzając różnicę potencjałów. Po zamknięciu obwodu elektrycznego popłynie w nim prąd [57, 156].

Intensywność zjawiska fotowoltaicznego zależy m.in. od mocy padającego promieniowania. Elementy wykorzystujące to zjawisko są przetwornikami generacyjnymi, reagującymi na promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym lub podczerwonym, przekształcając energię tego promieniowania w energię elektryczną [156]. Istnieją różne rodzaje i technologie produkcji ogniw fotowoltaicznych, zależne głównie od związków chemicznych użytych do ich wykonania.

3.3. Technologie produkcji i rodzaje ogniw PV

Budowa ogniwa fotowoltaicznego przypomina konstrukcję diody. Ogniwa fotowoltaiczne

można podzielić na trzy główne grupy, co pokazano na rysunku 3.5. Do ogniw I generacji

należą ogniwa, w których obie warstwy n i p są zbudowane z tego samego materiału

(np. z pojedynczego kryształu krzemu), nazywane ogniwami monokrystalicznymi o homo

złączu p-n. Z kolei ogniwa wykonane z wielu kryształów tego samego materiału nazywane

są ogniwami polikrystalicznymi z homo złączem, natomiast gdy warstwy n i p tworzące

ogniwo wykonane są z wielu kryształów różnych materiałów – ogniwami polikrystalicznymi

z hetero złączem. Do ogniw II generacji zalicza się np. ogniwa amorficzne, składające się

z materiałów bezpostaciowych, w których nie występuje uporządkowana struktura atomów

jak w sieci krystalicznej. Kolejną odmianą są ogniwa cienkowarstwowe (o grubości kilku

mikrometrów, elastyczne i półprzezroczyste na bazie hetero struktury CIS/CIGS

lub CdS/CdTe oraz GaAs). W grupie III znajdują się ogniwa polimerowe, organiczne

lub uczulane barwnikiem, tzw. DSSC (ang. Dye Sensitized Solar Cell) [48, 51, 139].

17 Rys. 3.5. Schemat podziału ogniw fotowoltaicznych [57, 69, 139, 151, 156, 160]

Poszczególne ogniwa fotowoltaiczne można scharakteryzować następująco [2, 38, 57, 69, 87, 103, 139, 151, 156, 160, 162, 190]:

a) I generacji (krzemowe):

 monokrystaliczne – wytwarzane są z jednego dużego monokryształu krzemu otrzymywanego poprzez wyciąganie zarodzi monokrystalicznej z ciekłego krzemu z dodatkiem boru. Po uformowaniu go w walec (o średnicy od kilku do kilkunastu centymetrów), następuje laserowe cięcie na płytki o grubości ok. 0,3 mm.

Aby ograniczyć puste przestrzenie, jakie powstałyby po ułożeniu obok siebie okrągłych płytek, dokonuje się obcięcia ich brzegów, przez co powstają ośmiokąty.

Zazwyczaj ogniwa mają barwę od ciemnoniebieskiej do czarnej. Ogniwa monokrystaliczne charakteryzują się najwyższą sprawnością (ok. 20%) oraz ceną z dostępnych na rynku ogniw PV,

 polikrystaliczne – powstałe z bloku krzemu polikrystalicznego, czyli wykrystalizowanego w postaci wielu kryształów, powstałego w wyniku procesów topnienia i krystalizacji ukierunkowanej. Dodatkowo wprowadza się także domieszki innych pierwiastków. Blok jest dzielony na bryły, z których laserem cięte są kwadratowe płytki o grubości mniejszej niż 0,2 mm. Kolejne etapy produkcji ogniw obejmują szlifowanie, nakładanie elektrod metalizowanych metodą serigrafii (techniką druku sitowego) oraz nałożenie warstwy

Ogniwa PV

I generacji (krzemowe)

Monokrystaliczne

Polikrystaliczne

Quasi monokrystaliczne

II generacji (cienkowarstwowe

Amorficzne (krzemowe)

CIS/CIGS

CdS/CdTe

GaAs

III generacji

DSSC (uczulane barwnikiem)

Polimerowe

Organiczne

18 antyrefleksyjnej. Odznaczają się jasnoniebieską barwą z widocznymi krawędziami kryształów. Cechują się niską ceną oraz sprawnością ok. 17%,

 quasi monokrystaliczne – hybrydowy rodzaj ogniw, których centralna część jest monokryształem otoczonym na obrzeżach krzemem polikrystalicznym. Cechują się sprawnością podobną do ogniw monokrystalicznych (ok. 18%), lecz niższą ceną;

b) II generacji (cienkowarstwowe):

 amorficzne jednozłączowe – wytworzone są z krzemu bezpostaciowego dyfundowanego wodorem (w ilości od 8 do 12%, a-Si:H). Cienkie warstwy krzemu nakłada się na szkle, stali nierdzewnej lub tworzywie sztucznym. Proces wytwarzania jest prosty i łatwy do zautomatyzowania oraz przebiega szybko i przy niskim zużyciu materiałów i energii. Cechują się brakiem wyraźnie wyróżniających się ogniw o barwie od ciemnobordowej do czarnej. Charakteryzują się niską ceną oraz niską sprawnością ok. 5 – 9%,

 amorficzne wielozłączowe – wytwarzane są głównie jako dwu- lub trójzłączowe, w których wykorzystuje się jako absorber materiały: a-Si:H, a-SiGe:H, a-SiC:H, czułe na poszczególne fragmenty widma promieniowania słonecznego (kolor niebieski, zielony i czerwony). Komórki posiadają grubość ok. 0,5 mm. Na górnej warstwie ogniwa znajduje się najczęściej podwójna przezroczysta i przewodząca warstwa tlenku indu i cyny (ITO). Proces wytwarzania i wygląd ogniw amorficznych wielozłączowych jest zbliżony do ogniw amorficznych jednozłączowych. Charakteryzują się one niską ceną oraz niską sprawnością ok. 8 – 10%,

 CIS/CIGS – ogniwa wytwarzane są głównie z miedzi, indu, galu i selenu w strukturze heterozłączowej, np. n – CdS, p – Cu (In, Ga) Se

. Warstwę CdS wykorzystuje się jako okno optyczne, a promieniowanie pada na złącze od strony podłoża przez przezroczystą elektrodę z przewodzącego tlenku indu i cyny (ITO).

Grubość kolejnych warstw wynosi od 0,2 do 2 m. Proces wytwarzania polega na wielowarstwowym nakładaniu poszczególnych warstw materiału lub metodą druku przemysłowego, który jest tanim i wydajnym sposobem produkcji fotoogniw.

Sprawność tego rodzaju ogniw wynosi ok. 13%,

 CdS/CdTe – ogniwa z tellurku kadmu (CdTe) wykonywane są na podłożu

szklanym pokrytym przezroczystym i przewodzącym tlenkiem (TCO) grubości

ok. 1 m. Następnie metodą sublimacji nanoszona jest warstwa buforująca z CdS

19 o grubości ok. 0,1 m oraz kilku mikrometrowa warstwa CdTe. Kontakty wykonane są z Au. W tej technologii cały moduł wykonany jest z jednego ogniwa o sprawności ok. 13%,

 GaAs – z uwagi na właściwości arsenku galu (m.in. szerokości przerwy energetycznej wynoszącej 1,43 eV) jest on półprzewodnikiem o optymalnych właściwościach ze względu na proces fotowoltaiczny. Ogniwa z GaAs buduje się jako homo- i heterozłączowe z uwagi na dużą szybkość rekombinacji powierzchniowej w półprzewodniku. Ogniwa homozłączowe (o bardzo płytkim złączu poniżej 0,1 m) wykonuje się w celu generacji nośników ładunku elektrycznego w bazie, przez co nie ulegają one w znacznym stopniu rekombinacji w powierzchniowej warstwie ogniwa. Z kolei ogniwa heterozłączowe charakteryzują się małą szybkością rekombinacji powierzchniowej dzięki nałożeniu na przednią powierzchnię warstwy GaAs (warstwy okiennej), cienkiej warstwy trójskładnikowego związku AlGaAs dopasowanej do sieci krystalicznej.

Monokrystaliczne ogniwa z GaAs odznaczają się najwyższą sprawnością wśród wszystkich ogniw sięgającą ok. 30%, jednak z uwagi na wysokie koszty materiałów i procesu wytwórczego, technologia ta nie jest wykorzystywana powszechnie.

Ogniwa te znajdują zastosowanie głównie w przestrzeni kosmicznej oraz w układach z zastosowaniem koncentratorów promieniowania słonecznego;

c) III generacji:

 DSSC (uczulane barwnikiem) – zasada działania ogniwa PV uczulanego barwnikiem polega na odwracalnym procesie fotochemicznym. Nanokrystaliczne ogniwo barwnikowe składa się z dwóch szklanych płytek pokrytych jednostronnie przezroczystą i przewodzącą warstwą tlenku cyny i indu (ITO) lub tlenku cynku ZnO bądź dwutlenku cyny SnO

. Ponadto przednia płytka pokryta jest jeszcze cienką warstwą platyny Pt. Pomiędzy przewodzącymi płytkami umieszcza się kryształy dwutlenku tytanu TiO

(o rozmiarach rzędu nanometrów) o grubości ok. 50 m. Powstałą w ten sposób porowatą membranę o dużej powierzchni nasyca się elektrolitem – roztworem jodu I

i jodku potasu KI w glikolu etylenowym.

Ta wewnętrzna warstwa przewodzi prąd elektryczny, ponieważ TiO

jest

półprzewodnikiem, a ponadto stanowi nośnik, na którym zaabsorbowane są

molekuły organicznego barwnika. Ogniwa uczulane barwnikiem odznaczają się

sprawnością ok. 6 – 12% oraz wysokimi cenami materiałów, z których są

wytwarzane,

20

 polimerowe – polimerowa fotowoltaiczna folia hydroizolacyjna składa się z trzech warstw elastycznych ogniw PV zbudowanych na bazie krzemu amorficznego o różnych domieszkach, wyczulonych na inne długości fali promieniowania słonecznego. Ogniwa pokryte są przezroczystym polimerem (tefzelem), który zapewnia całkowitą wodoszczelność modułu, instalowanego jako pokrycie dachowe. Pod ogniwami PV znajduje się folia ze stali nierdzewnej (będąca elektrodą ujemną modułu) oraz folia z polimeru o dużej masie cząsteczkowej wykonana z terpolimeru etylenu z octanem winylu (EVA) i polichlorku winylu (PCV), nadającym termoplastyczności. Jako podkład stosuje się włókninę poliestrową. Ogniwa polimerowe wytwarza się poprzez nanoszenie na podłoże z tworzywa sztucznego warstw półprzewodzących polimerowych w formie nadruku. Prosta i zautomatyzowana produkcja oraz małe zużycie krzemu wpływa na niską cenę ogniw. Sprawność ogniw wynosi ok. 10%,

 organiczne – zbudowane na bazie materiałów organicznych umieszczonych pomiędzy górną elektrodą (wykonaną z przeźroczystego materiału) a dolną (wykonaną z metalu lub polimeru). Ogniwa organiczne zbudowane są w formie heterozłącza donorowo – akceptorowego. Donorem elektronów może być pigment organiczny lub polimer półprzewodnikowy, natomiast akceptorem – fuleren.

Ogniwa organiczne działają w wyniku dysocjacji ekscytronów, wytwarzanych w materiałach molekularnych przez padające promieniowanie. Ekscytony po dyfuzji wewnątrz materiału dysocjują na dwa rodzaje nośników ładunków na elektrodach, które są dalej rozdzielane, w skutek czego płynie prąd w obwodzie zewnętrznym. Ogniwa organiczne cechują się niską masą i dużą elastycznością o sprawności ok. 5 – 10%.

Oprócz zaprezentowanego podziału i rodzajów ogniw fotowoltaicznych, na uwagę zasługują jeszcze inne, mniej popularne i nierozpowszechnione rodzaje, jak np. [69, 156, 160, 180]:

 ogniwa PERL (ang. Passivated Emitter and Real Locally Diffused) – krystaliczne ogniwa krzemowe z pasywacją emitera i tylną lokalną dyfuzją. Złącze i kontakt ogniwa są zlokalizowane na przedniej powierzchni w kształcie siatki, steksturyzowanej w formie odwróconych piramid. Osiągają sprawność do 27%

w warunkach laboratoryjnych,

21

 ogniwa RP-PERC (ang. Random Pyramid Passivated Emitter and Rear Cell) – krystaliczne ogniwa krzemowe z pasywacją emitera i tylną całkowitą dyfuzją o wysokiej sprawności do 24%,

 ogniwa monokrystaliczno-amorficzne HIT (ang. Heterojuction with Intrinsic Thin- Layer a-Si) – ogniwa zbudowane są z krzemu monokrystalicznego (typu n) pokryte obustronnie ultracienkimi warstwami (samoistną i domieszkowaną) krzemu amorficznego z warstwą przeciwodbiciową. Sprawność ogniw wynosi niecałe 26%,

 ogniwa SILVER – składają się z elastycznych i cienkich pasków ogniw o strukturze mono- i polikrystalicznej powstałych z płytki krzemowej podczas wytrawiania powierzchni ogniw PV. Ogniwa pracują przy oświetleniu dowolnej strony płytki – przez pozostawione w module odstępy pomiędzy ogniwami możliwe jest przejście promieniowania słonecznego i jego odbicie od zwierciadła umieszczonego z tyłu modułu. Ogniwa osiągają sprawność ok. 17%,

 ogniwa SPHELAR – to ogniwa sferyczne o znacznie większych zdolnościach pochłaniania promieniowania padającego pod różnymi kątami oraz promieniowania rozproszonego, niż tradycyjne ogniwa płaskie. Jądro ogniwa wykonane jest z krzemu monokrystalicznego typu p, a w wyniku domieszkowania np. fosforem powstaje warstwa n

(emiter), które razem tworzą złącze p-n. Dzięki wyprowadzeniu zewnętrznych elektrod: dodatniej (wykonanej z Al) i ujemnej (wykonanej z Ag) możliwe jest szeregowe i równoległe łączenie ogniw w celu stworzenia modułu SPHELAR. Możliwe jest wytwarzanie elastycznych taśm, kopuł czy okien z wykorzystaniem tego rodzaju ogniw, gdyż są elastyczne i przezroczyste, a ich średnica wynosi ok. 1 mm,

 perowskity – minerały, które znacznie lepiej niż krzem czy arsenek galu pochłaniają światło w ultra cienkich warstwach. Ogniwa na bazie perowskitów osiągają sprawność porównywalną z ogniwami krzemowymi, czyli ok. 20%.

Możliwe jest nanoszenie ich na szyby okienne, dachówki czy ściany budynków, czyli integracja ogniw PV z materiałami budowlanymi, tzw. BIPV (ang. Building Integrated Photovoltaics).

Przedstawione różne rodzaje ogniw fotowoltaicznych znajdują zastosowanie

w komercyjnych lub bardziej niszowych rozwiązaniach. Na szczególną uwagę zasługuje

technologia integracji ogniw fotowoltaicznych z innymi produktami, np. z materiałami

budowlanymi.

22

3.4. Fotowoltaika zintegrowana z budynkiem (BIPV)

3.4.1. Wprowadzenie – rodzaje elementów

Ogniwa fotowoltaiczne zintegrowane z elementami budowlanymi (ang. Building Integrated Photovoltaics) łączą w sobie cechy obu tych elementów. Oprócz spełniania standardowych funkcji materiałów budowlanych (tworzenie konstrukcji nośnej budynku, zapewnienie izolacji cieplnej, akustycznej, wodnej itp.) elementy BIPV generują także energię elektryczną w wyniku konwersji energii słonecznej. Do tej grupy elementów budowlanych można zaliczyć m.in.: dachówki fotowoltaiczne, folie hydroizolacyjne, świetliki, żaluzje i markizy okienne oraz elementy elewacyjne (ścienne) budynku.

Zintegrowane systemy energetyczne budynku są zazwyczaj uwzględniane na etapie projektowania obiektu, jednak mogą być także instalowane podczas jego modernizacji.

Systemy BIPV mogą zredukować nakłady inwestycyjne, z uwagi na zastępowanie tradycyjnych materiałów budowlanych elementami zintegrowanymi z ogniwami PV.

Dodatkowo pozwalają na redukcję kosztów eksploatacyjnych obiektu, z uwagi na generację energii elektrycznej oraz zmniejszenie emisji szkodliwych zanieczyszczeń do środowiska dzięki wykorzystaniu odnawialnej energii słonecznej [44, 88 – 91, 94].

Elementy BIPV można podzielić na cztery zasadnicze grupy produktów [88, 94]:

 wyroby sztywne i zintegrowane architektonicznie (np. dachówki fotowoltaiczne lub ścienne elementy izolacyjne, rys. 3.6) – są to elementy najbardziej zbliżone konstrukcyjnie do tradycyjnych paneli fotowoltaicznych, jednak w pełni zaprojektowane i przystosowane do zabudowy na budynku (ścianie, dachu) oraz wkomponowane w jego strukturę,

 ceramiczne dachówki fotowoltaiczne (rys. 3.7) – złożone z tradycyjnych dachówek ceramicznych z przytwierdzonymi lub wkomponowanymi w ich strukturę ogniwami PV, wykonanymi w różnych technologiach. W 2018 roku firma Tesla zaprezentowała najnowszą wersję dachówek solarnych z niewidocznymi ogniwami PV,

 moduły elastyczne (np. dachówki PV, hydroizolacyjne folie dachowe, rys. 3.8) –

wykonywane główne w technologii cienkowarstwowej na bazie krzemu

amorficznego, CIS/CIGS, przykręcane lub przyklejane do podłoża, znajdują

zastosowanie nie tylko w budownictwie, ale także np. na elementach statków,

23 jachtów, samochodów, rakiet kosmicznych, które można instalować na elementach o różnych krzywiznach,

 elementy transparentne (np. szyby okienne, świetliki, balustrady, rys. 3.9) – szklane moduły z wbudowanymi ogniwami PV, spełniające dodatkową funkcję zacieniającą oraz dekoracyjną, często wykorzystujące ogniwa barwione DSSC.

Rys. 3.6. Przykłady dachówek fotowoltaicznych i elementów ściennych BIPV firm Fotton, Brass, Schuco (budynek Otto Fuchs KG – Meinerzhagen, Niemcy), Meyer Burger (budynek Swiss Krono – Polska) [94, 184, 187, 191, 192]

Rys. 3.7. Przykłady zastosowań ceramicznych dachówek PV firm Tesla, Tegola, ZEP

[94, 181 – 183]

24 Rys. 3.8. Przykłady zastosowań elastycznych elementów BIPV firm Tegola, MiaSole

[94, 185, 186]

Rys. 3.9. Przykłady zastosowań transparentnych elementów BIPV oraz ogniw DSSC (budynek Classroom Building La Salle – Barcelona, Hiszpania; Swiss Tech Convention Center – Lozanna, Szwajcaria) [146, 189, 190]

Szczegółowe informacje na temat technologii okiennej i różnego rodzaju szklenia ogniw PV można znaleźć w pracach dotyczących: inteligentnych okien [99], systemów cieniowania słonecznego [7], innowacyjnych technologii szklenia [21], aspektów przeszkleń związanych z aerożelem [41, 42, 62 – 64], ilości przepuszczanego światła dziennego i oszczędności energii w budynku [70, 116].

Najbardziej popularną grupą produktów BIPV są dachówki fotowoltaiczne (różnych rozmiarów i technologii), następnie pełne całkowicie zintegrowane rozwiązania dachowe oraz specjalne systemy montażowe, dzięki którym możliwe jest stosowanie tradycyjnych paneli PV w celu stworzenia konstrukcji dachu. Najmniejszy odsetek produktów stanowią świetliki i inne elementy o różnej przezierności [198]. Szczegółowe dane o procentowym udziale różnych produktów z gamy BIPV zestawiono na rysunku 3.10.

Różne formy i kształty elementów BIPV poszerzają możliwości ich zastosowań zarówno

w budownictwie instytucjonalnym, przemysłowym jak i indywidualnym. Jednak szerokie

spektrum ich wykorzystania pod względem architektonicznym i wizualnym (wbudowywanie

czy naklejanie na dachu, możliwości zaginania, różne orientacje modułów, nieoptymalne kąty

nachylenia względem podłoża itp.) może powodować ujemne skutki energetyczne. Ogniwa

25 PV mogą być narażone na wyższą temperaturę (brak naturalnego chłodzenia wiatrem, wysoka termoizolacyjność konstrukcji dachowej) i nierównomierność oświetlenia (występowanie lokalnych zacienień i uaktywnienie się diod by-pass).

Rys. 3.10. Procentowy udział różnych elementów BIPV z podziałem na rodzaje produktów [198]

Przedstawione różne możliwości adaptacji elementów BIPV w budownictwie, oprócz wielu pozytywnych aspektów (energetycznych, ekonomicznych, wizualnych, architektonicznych) może nieść ze sobą także pewne negatywne skutki energetyczne (np. zmniejszenie sprawności generacji energii oraz uzysków energii), ze względu na niekorzystne warunki pracy ogniw PV.

3.4.2. Zalety, wady, tendencje rozwojowe BIPV

Stosowanie systemów BIPV może przynieść wiele korzyści, które mogą być trudne do oszacowania oraz subiektywne w swej ocenie. Technologia ta wywiera swój wpływ na różne grupy obszarowe, jak np. [88,89]:

 sieć energetyczną – poprzez zmniejszenie zapotrzebowania obiektu na energię

elektryczną z sieci energetycznej z uwagi na jej bezpośrednią produkcję w miejscu

jej zapotrzebowania, zmniejszenie strat przesyłowych energii, podniesienie

niezawodności dostaw energii oraz możliwości uniezależnienia się od dostaw

energii z sieci, wsparcie obszarów słabo zelektryfikowanych,

26

 środowisko naturalne – dzięki wykorzystaniu odnawialnej energii słonecznej do generacji energii elektrycznej, zamiast innych źródeł, np. paliw kopalnych i ich spalania wpływa na zmniejszenie produkcji i emisji szkodliwych substancji do atmosfery, wpływających negatywnie na zmiany klimatyczne, zanik warstwy ozonowej i poziom smogu,

 architekturę obiektów – podnosząc walory wizualne i estetyczne obiektów poprzez zintegrowanie ogniw PV z materiałami budowlanymi, zapewnienie odpowiedniego klimatu w pomieszczeniach poprzez ograniczenie ilości promieniowania słonecznego docierającego do ich wnętrza oraz ograniczenie ich nagrzewania się dzięki systemom zacienień,

 wartości ekonomiczno – społeczne – dzięki stosowaniu zintegrowanych elementów istnieje możliwość ograniczenia kosztów i czasu inwestycji, tworzenie lokalnie nowych miejsc pracy przy montażu i serwisie instalacji, dywersyfikacja zasobów naturalnych paliw, ograniczenie ich importu i kosztów transportu, zmniejszenie zmienności cen energii, budowanie pozytywnego wizerunku.

Przedstawione korzyści, pomimo że nie są wartościami materialnymi, mogą mieć pozytywny wpływ na wizerunek inwestorów oraz podnoszą pośrednio wartość całego systemu. Stosowanie technologii BIPV wywiera szerokie spektrum korzyści w różnych kategoriach (obrazowo zaprezentowanych na rysunku 3.11), jak na przykład [88, 89, 133]:

 zwielokrotnienie funkcji budynku – elementy BIPV stanowią wielofunkcyjne materiały budowlane generujące dodatkowo energię elektryczną, co może przyczynić się do obniżenia kosztów inwestycyjnych w porównaniu do zastosowania dwóch rozdzielnych materiałów: budowlanego i panelu PV,

 wsparcie dla sieci elektrycznej – poprzez własną generację energii elektrycznej i wykorzystywanie jej w miejscu wytwarzania, co przyczyni się do zmniejszenia strat przesyłu i dystrybucji energii, instalacje przyłączone do sieci elektroenergetycznej mogą nadwyżkę wyprodukowanej energii zmagazynować w sieci lub ją odsprzedać, zgodnie z obowiązującymi regulacjami prawnymi w danym czasie i miejscu pracy instalacji,

 podniesienie jakości i pewności zasilania obiektów – ogranicza niekorzystny

wpływ zaniku i wahań napięcia na urządzenia elektryczne, istnieje także możliwość

zastosowania układów magazynowania nadwyżek wyprodukowanej energii

w akumulatorach, które zwiększają koszty inwestycyjne i eksploatacyjne, jednak

27 zapewniają ciągłość zasilania obiektu w przypadku awarii sieci elektroenergetycznej lub np. załamania pogody,

 korzyści środowiskowe – dzięki wykorzystaniu energii Słońca, możliwe jest ograniczenie emisji zanieczyszczeń do środowiska, nie tylko poprzez mniejsze spalanie paliw kopalnych, jak np. węgla, ale również poprzez ograniczenie wydzielanych spalin podczas transportu drogowego,

 cieplne – elementy BIPV mogą pomóc w zapewnieniu odpowiedniego komfortu cieplnego i świetlnego pomieszczeń poprzez ich uwzględnienie w całym systemie ogrzewania i chłodzenia budynku. W tym celu można zastosować moduły transparentne o różnych stopniach przezroczystości (absorbujące nawet ok. 70 – 80% promieniowania słonecznego) markizy, żaluzje lub systemy zadaszeń okiennych, ograniczające ilość wpadającego do pomieszczeń światła słonecznego, dzięki czemu nie dochodzi do nadmiernego nagrzewania się pomieszczeń, co ogranicza pracę klimatyzacji. Istnieje także możliwość odprowadzenia ciepła spod modułów PV i wykorzystania go do ogrzewania pomieszczeń lub przygotowania ciepłej wody użytkowej (tzw. układy PV/T),

 promocyjno – edukacyjne – część inwestorów może przedkładać nad aspekty ekonomiczne te niematerialne, jak np. promocja własnej marki, stosowanie innowacji, podnoszenie świadomości ekologicznej, spełnianie pewnej misji edukacji proekologicznej poprzez eksponowanie nowoczesnych systemów fotowoltaicznych.

Korzyści płynące z zastosowania elementów BIPV obejmują szeroki zakres aspektów, zarówno materialnych jak i tych nieekonomicznych. Oprócz generacji energii elektrycznej, pozwalają także na ograniczenie jej zużycia oraz na zapewnienie właściwych warunków termicznych i świetlnych obiektu, dzięki wykorzystaniu modułów transparentnych, barwionych, systemów zadaszeń okiennych lub żaluzji. Istnieje także możliwość odzysku ciepła generowanego przez ogniwa PV, jednak układy PV/T są ciągle w fazie wielu badań i nie istnieją jeszcze powszechnie stosowane rozwiązania komercyjnych układów. Pośrednio przyczyniają się także do redukcji szkodliwych substancji wydzielanych do atmosfery i ochrony środowiska naturalnego. Do elementów ochrony środowiska można zaliczyć fotowoltaiczne ekrany akustyczne, które dodatkowo stanowią ochronę przed hałasem.

Aspekty wizualne, architektoniczne, promocyjne, edukacyjne są także istotne dla wielu

inwestorów, których nie da się przeliczyć na korzyści materialne (ekonomiczne).

28 Rys. 3.11. Rodzaje korzyści wynikających z zastosowania systemów BIPV [88]

Najnowsze badania i odkrycia w zakresie fotowoltaiki (jak np. perowskity) oraz produkty prezentowane przez światowych producentów (np. fotowoltaiczne dachówki firmy Tesla) pozwalają przypuszczać, że branżę fotowoltaiczną czeka dalszy rozwój, tworzenie nowych elementów, ich zastosowań oraz poprawa parametrów użytkowych. Z kolei elementy takie jak: fotowoltaiczne pokrycia dachowe lub szyby przezierne z ogniwami PV mają największe szanse na szerokie komercyjne zastosowanie, co zapewne przyczyni się do rozwoju tej technologii i większej atrakcyjności (także pod względem ekonomicznym) tego typu rozwiązań.

Aby elementy BIPV, jak np. dachówki fotowoltaiczne, elementy ścienne czy szklane szyby lub świetliki, mogły być powszechnie stosowane, muszą odpowiadać wymiarami, cechami strukturalnymi, jakością czy żywotnością tradycyjnym materiałom budowlanym, które zastępują. Także ich warunki pracy mogą różnić się od tych, w jakich normalnie pracują

BIPV

funkcje budynku

promocyjno - edukacyjne

termalne

energetyczne środowiskowe

bezpieczeństwa

29 tradycyjne panele PV, głównie z uwagi na gorsze warunki odprowadzania ciepła, co będzie przekładało się na obniżenie sprawności konwersji fotowoltaicznej.

Podsumowując, do zalet elementów BIPV (w szczególności dachówek fotowoltaicznych) można zaliczyć:

 porównywalne parametry elektryczne z tradycyjnymi panelami PV,

 zastępowanie materiałów budowlanych,

 możliwość wkomponowania elementów fotowoltaicznych w strukturę budynku, co wpływa na polepszenie aspektu wizualnego/architektonicznego budynku,

 możliwość stosowania na budynkach zabytkowych i obszarach chronionych, w których nie można montować instalacji nadachowych,

 generacja i zużywanie energii elektrycznej w miejscu wytwarzania oraz możliwość jej odsprzedaży w celach zarobkowych.

Z kolei do wad systemów BIPV, w porównaniu do tradycyjnych paneli PV, należą:

 wyższe koszty instalacji,

 większa powierzchnia montażu, dla instalacji o żądanej mocy,

 moduły o mniejszej mocy jednostkowej, co niesie konieczność wykonania większej liczby połączeń przewodowych, co może zwiększyć straty w przewodach,

 gorsze temperaturowe warunki pracy ogniw PV, co przekłada się na wyższe straty energii i niższą sprawność układu,

 mniejsza gama produktów, producentów i instalatorów.

3.4.3. Porównanie tradycyjnych paneli i dachówek PV

Dachówki fotowoltaiczne (sztywne i elastyczne) odznaczają się lepszymi możliwościami

wkomponowania ich w strukturę dachu budynku w porównaniu do tradycyjnych paneli

fotowoltaicznych montowanych na konstrukcji wsporczej nad dachem (tzw. system BAPV,

ang. Building Applied Photovoltaics) [27]. Sztywne dachówki PV nadają się przede

wszystkim do integracji z dachówkami ceramicznymi, natomiast elastyczne moduły – na

dachy pokryte np. gontami bitumicznymi. Pewne trudności w integracji elementów BIPV

mogą pojawić się w przypadku dachów pokrytych różnymi rodzajami blach, z uwagi na brak

standardowych elementów wykończeniowych oferowanych przez producentów dachówek PV

do tego rodzaju pokrycia dachowego. Dodatkowo specyfika montażu dachówek

fotowoltaicznych, zgodnie z zaleceniami ich producentów, wymaga zastosowania

30 tradycyjnego pokrycia dachowego na obrzeżach dachu (zazwyczaj ok. 0,5 m z każdej strony) [90, 94, 186, 187].

Sama konstrukcja dachowa (więźba dachowa) może pozostać identyczna jak dla dachu z zastosowaną tradycyjną instalacją fotowoltaiczną, gdyż ciężar dachówek PV (sztywnych i w metalowych ramach) nie jest większy niż tradycyjnych paneli PV o podobnych mocach.

Ponadto, w przypadku zintegrowanych elementów BIPV, należy jeszcze odliczyć wagę stelażu (systemu wsporczego paneli PV) oraz wagę samych dachówek ceramicznych, które zostaną zastąpione dachówkami PV. Dlatego też w niektórych przypadkach, będzie istniała możliwość zastosowania mniejszej (nieco „odchudzonej”) więźby dachowej. Z kolei moduły elastyczne mają porównywalną wagę z bitumicznym pokryciem dachowym, więc także nie zachodzi konieczność zmian wymiarów więźby, która na pewno powinna zostać zmieniona (powiększona) w przypadku montażu ok. trzykrotnie cięższych tradycyjnych paneli PV.

Dachówki PV odznaczają się mniejszą mocą znamionową w porównaniu do paneli PV o tej samej powierzchni. W większości przypadków, w celu wykonania instalacji o żądanej mocy, przy wykorzystaniu dachówek PV niezbędna będzie o ok. 30% większa powierzchnia dachu niż przy zastosowaniu tradycyjnych paneli PV. Istnieją jednak nieliczne rozwiązania dachówek PV o bardzo zbliżonych parametrach elektrycznych, mocowych, wymiarach i wadze, choć nieznacznie cieńsze i droższe od paneli PV (np. produkty firmy Aleo Solar).

Moduły PV w odmianie BIPV i BAPV odznaczają się podobnymi wartościami współczynników temperaturowych napięcia i mocy, wynikającymi głównie z rodzaju i technologii produkcji ogniw PV. Jednakże ogniwa PV pracujące w dachówkach solarnych będą osiągały wyższą temperaturę niż te w panelach PV z uwagi na akumulację ciepła pod nimi w przestrzeni dachowej, brak jego swobodnego odpływu do otoczenia oraz brak ich naturalnego chłodzenia wiatrem. Szczegółowe dane wybranych dachówek i paneli fotowoltaicznych zostały zebrane w tabeli 3.1.

Aby zastosowanie technologii BIPV w formie pokrycia dachowego było efektywne

i uzasadnione, wymagana jest współpraca specjalistów z wielu dziedzin. Na etapie

projektowania konieczne jest uwzględnienie czynników wpływających na efektywność

instalacji takich jak: technologia fotowoltaiczna, konstrukcja i estetyka budynku, koszty

instalacji oraz lokalizacja, gdyż tylko odpowiednie ich zbilansowanie pozwoli na uzyskanie

oczekiwanych efektów.

31 Tabela 3.1. Dane porównawcze paneli i dachówek PV [94, 185 – 187]

Rodzaj P

[W]

 [%]

Rozmiar Cena Współczynnik

temperaturowy

Waga

[kg] Uwagi

dł. x szer. x gł.

[mm]

pow.

całkowita (czynna)

[m

]

[zł/szt.] [zł/W]

napięcia



[%/C]

mocy



[%/C]

Mo du ły B IPV

Flex-02NL

MiaSole 275 15,3 5923x370x17 2,19 (2,1) 2325 8,46 - 0,28 - 0,38 5,9

CIGS, elastyczny, samoprzylepny, diody by-pass Flex-01 70N

MiaSole 70 11 1710x370x17 0,63 (0,6) 772 11,03 - 0,36 - 0,45 2,7

CIGS, elastyczny, samoprzylepny, diody by-pass SEM-120

SunPower 120 16,6 1175x540x3 0,63 (0,6) 1248 10,40 bd. - 0,3 1,5 monokrystaliczny, elastyczny, max. promień gięcia 30

FLPV68

Tegola 68 7,3 2849x0,394x2,5 1,12 (0,94) 2346 34,50 bd. - 0,21 3,9 amorficzny, elastyczny, 11 diod by-pass FTDS52

Fotton 52 14,9 1196x420x30 0,5 (0,4) 550 10,58 - 0,285 - 0,38 5,5 monokrystaliczny,

oramowany S79L295T0

BIPV Aloe Solar

295 17 1660x990x36 1,64 (1,48) 1277 4,33 - 0,29 - 0,4 19

monokrystaliczny, oramowany, 3 diody by-pass

T rad y cy jn e p an ele PV

S79L295HE

Aloe Solar 295 18 1660x990x50 1,64 (1,48) 1112 3,77 - 0,29 - 0,4 20

monokrystaliczny, oramowany, 3 diody by-pass CS6K-270M

All-Black Canadian

Solar

270 16,5 1650x992x40 1,64 (1,47) 758 2,81 - 0,31 - 0,41 18,2

monokrystaliczny oramowany, 3 diody by-pass JAP6(K)-60-

270/4BB JA Solar

270 16,5 1650x991x35 1,64 (1,47) 635 2,35 - 0,33 - 0,41 18

polikrystaliczny, czarny,

oramowany,

3 diody by-pass