Ultralekkie moduły PV bez szkła – nowe możliwości dla budynków i elewacji

Naukowcy ze Szwajcarii i Austrii opracowali nową konstrukcję modułu fotowoltaicznego, który łączy niską masę, trwałość i estetykę. To otwiera nowe perspektywy dla integracji PV z budynkami o ograniczonej nośności.

Opracowany moduł fotowoltaiczny o masie poniżej 6 kg/MW został zaprojektowany z myślą o zastosowaniach w budownictwie – szczególnie przy modernizacji starszych dachów. Jak podkreślają jego autorzy, klasyczne moduły ze szkłem bywają zbyt ciężkie dla wielu istniejących, starszych budynków, co znacząco ogranicza potencjał rozwoju fotowoltaiki zintegrowanej z budynkami (BIPV, Building Integrated Photovoltaic).

Twórcy modułu pochodzą z Politechniki Federalnej w Lozannie (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, EPFL),  szwajcarskiego centrum badawczo-rozwojowego CSEM, austriackiego instytutu badawczego OFI oraz uniwersytetu technicznego w Leoben (Montanuniversität Leoben).

REKLAMA

Struktura typu „sandwich”, ale bez szkła

Aby zredukować masę modułu przy zachowaniu wysokiej sztywności mechanicznej, zastosowano kompozytową strukturę typu „sandwich”. Rdzeń z polipropylenu o strukturze plastra miodu został umieszczony między dwiema warstwami laminatu z włókna szklanego. Zamiast tradycyjnego szkła użyto przezroczystej folii polimerowej, która pełni jednocześnie funkcję frontowej „szyby” oraz warstwy enkapsulacyjnej, zapewniając optymalne sprzężenie optyczne z ogniwami.

Wewnątrz modułu znalazły się monokrystaliczne ogniwa PERC w rozmiarze M2, warstwy elastomerowego enkapsulantu POE (bez dodatków UV) oraz – w wybranych konfiguracjach – kolorowe folie dekoracyjne. Taka kombinacja materiałów została zaprojektowana z myślą o równoczesnym spełnieniu wymagań wytrzymałościowych i estetycznych stawianych przez rynek BIPV.

Jak wypadły testy?

Aby ocenić przydatność nowej architektury modułów do zastosowań w budownictwie, przeprowadzono rozbudowane testy niezawodności. Zakres prób obejmował m.in. testy wytrzymałości na zginanie oraz statyczne obciążenia mechaniczne. W warunkach środowiskowych moduły badano pod kątem odporności na działanie wysokiej temperatury i wilgotności (test damp-heat), promieniowania UV, cykli termicznych oraz gradobicia.

Jak czytamy w materiale opublikowanym w czasopiśmie „PV Magazine”, całość prób zakończyła się wynikiem w postaci spadku mocy poniżej 5%, co świadczy o trwałości przekraczającej wymagania normy IEC 61215:2021. Co istotne, wykazano również, że gęstość włókien w warstwach kompozytowych tylnej strony modułu miała bezpośredni wpływ na odporność mechaniczną konstrukcji.

REKLAMA

Kolorowe moduły z obniżoną wydajnością

Moduły wyposażone w kolorowe folie wykazały spadek sprawności w porównaniu do wersji bezbarwnej – z 19,4% do 14,28% dla folii szarej oraz do 11,92% dla folii beżowej. To jednak celowy kompromis na rzecz estetyki, szczególnie istotny przy zastosowaniach elewacyjnych i architektonicznych, dla których wygląd modułu może mieć równie duże znaczenie, jak jego wydajność.

Więcej na temat tych ultralekkich modułów można przeczytać w pracy badawczej zatytułowanej: „Novel Mechanically Robust and Environmentally Stable Light-Weight Colored Photovoltaic Modules Based on Composite Polymer Backsheets” opublikowanej w czasopiśmie „Solar RRL”.

Potencjał dla fotowoltaiki balkonowej

Choć lekkie, kolorowe moduły PV testowane przez zespoły z EPFL i CSEM projektowane były głównie z myślą o dachach i elewacjach budynków o ograniczonej nośności, to najnowsze badania pokazują, że równie duży potencjał drzemie w integracji PV z balkonami. Naukowcy z Norwegii, analizując wysokie budynki mieszkalne w klimacie skandynawskim, dowiedli, że odpowiednie rozmieszczenie balkonów (np. po bokach budynku zamiast centralnie) może znacząco zwiększyć dostęp światła dziennego do wnętrz, a jednocześnie maksymalizować zyski energetyczne z paneli PV zainstalowanych na balustradach.

Według badania z 2022 r. południowe barierki balkonowe wykazują podobny – a czasem nawet wyższy – poziom nasłonecznienia niż dachy, czyniąc je doskonałą powierzchnią do zastosowania rozwiązań zintegrowanych z fasadami, tzw. Facade Integrated Photovoltaics (FIPV). Przy odpowiednim projekcie energia pozyskiwana z fasad i dachów może pokryć do 60% rocznego zapotrzebowania energetycznego 11-piętrowego budynku mieszkalnego.

Na ten temat więcej informacji można odnaleźć w pracy naukowej pt.: „Façade Integrated Photovoltaics design for high-rise buildings with balconies, balancing daylight, aesthetic and energy productivity performance” opublikowanej w czasopiśmie „Journal of Building Engineering”.

Radosław Błoński