Em uma época em que a energia solar fotovoltaica é caracterizada como uma forma alternativa de energia proibitivamente cara (apesar dos subsídios), uma área de aplicação que poderia fazer uma diferença real nas percepções é o BIPV (Building Integrated PV). Esta aplicação pode efetivamente permitir que os proprietários de edifícios economizem nos custos de construção de novos edifícios e, ao mesmo tempo, gerem uma parte de sua própria eletricidade. Um progresso maior requer um alto nível de inovação para realmente levar a energia solar fotovoltaica aos edifícios, enquanto torna a tecnologia ainda mais acessível. Felizmente, há sinais de que tal inventividade está agora fazendo a diferença.
Um tempo para o BIPV
O BIPV pode ser integrado em estruturas existentes (retro-fitting) ou incorporado ao novo mercado de builds. Para novas construções, pode fazer sentido integrar elementos solares em espaços no telhado, por exemplo, a fim de economizar dinheiro em materiais padrão que teriam sido usados (folhas de metal ou outros componentes, por exemplo).
BIPV é certamente crescente em popularidade como mais e mais arquitetos e construtores começam a entender as possibilidades disponíveis para seus clientes. Além disso, as estruturas de incentivo em mercados europeus específicos podem tornar o desenvolvimento de energia fotovoltaica em larga escala atraente para os proprietários de edifícios - que podem compensar custos de eletricidade / gerar dinheiro através de tarifas de alimentação (FiTs), investindo em seu espaço de telhado - bem como investidores de capital que vêem a oportunidade de ganhar dinheiro com projetos BIPV de grande escala. Várias iniciativas atuais na Europa oferecem altos níveis de subsídios para o BIPV, ou procuram obrigar a indústria da construção a integrar mais renováveis em edifícios.
Mesmo em mercados onde os esquemas de incentivo não tendem a favorecer a energia solar fotovoltaica, o BIPV pode ajudar os proprietários de edifícios a economizar em seus custos de eletricidade. E o BIPV procura criar o máximo de função possível do espaço do edifício. Um exemplo é a fachada solar fotovoltaica; estes podem, em muitos casos, ser mais baratos de construir do que as fachadas normais (para não mencionar a capacidade de gerar eletricidade), e a aparência pode ser atraente e moderna, algo que supera uma barreira chave para a captação fotovoltaica aos olhos de alguns clientes em potencial.
Paridade do BIPV e da grade
Douglas Dudis, pesquisador do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos EUA, Diretor de Materiais e Manufatura, disse aos delegados na Conferência Solar de 2007 que a falta de integração de edifícios até hoje era um dos três principais fatores que contribuem para o alto custo atual de energia solar distribuída. tecnologia. Ele citou como os outros dois fatores: problemas de disponibilidade de material, em particular a falta de silício cristalino de grau semicondutor; e fabricação intensiva de mão-de-obra de wafers solares, células, módulos e arrays.
O BIPV poderia ser uma tecnologia de transformação, reduzindo a alta proporção de consumo de energia convencional contabilizada pelos edifícios, cortando as emissões de CO² e reduzindo a pressão sobre as reservas de combustível. Mas o progresso adicional requer um alto nível de inovação para realmente levar a energia solar fotovoltaica aos edifícios e tornar a tecnologia acessível.
O meio tradicional de captar energia solar em edifícios tem sido colocar matrizes de energia solar térmica (ou painéis fotovoltaicos solares) em estruturas fixas nos telhados. Esta solução, embora funcione bem como primeira geração, resultou em instalações que são claramente "complementos" e fora de harmonia com os edifícios em que se encontram. Os arrays também são mais caros do que o PV solar precisa ser.
A integração de módulos solares no envelope do edifício economiza dinheiro, pois os módulos também servem como elementos estruturais, reduzindo os custos de construção. Esta solução multifuncional também reduz as concentrações de peso adicional nos telhados, evita as penetrações no telhado necessárias para montagens e fiação e reduz a vulnerabilidade a ventos fortes. E, claro, mais área solar se torna disponível se for feito melhor uso de superfícies de construção.
Existem outras vantagens também. Como as instalações do BIPV estão contidas no envelope do edifício, não há requisitos para espaço extra ou engenharia civil adicional. Consequentemente, não há restrições em áreas urbanas populosas. Os edifícios usam a eletricidade que geram no local, minimizando as necessidades de distribuição. Todas essas vantagens juntas, se os custos permitirem, tornam o BIPV um componente crucial da arquitetura sustentável.
Tecnologias para o BIPV
A tecnologia que um proprietário de edifício precisaria selecionar para o BIPV depende de fatores relacionados à localização do telhado. Por exemplo, módulos cristalinos seriam recomendados para cenários em que o edifício em questão tem uma orientação sul (mais ou menos 45%), com uma inclinação de 20-60º.
No entanto, em outros projetos com um posicionamento abaixo do ideal - por exemplo, instalações com telhados planos, telhados industriais, telhados semi-planos ou telhados e fachadas voltados para leste / oeste (para citar alguns exemplos), a tecnologia de filme fino pode ser solução eficaz para maximizar a produção de energia disponível, enquanto compensando o investimento de capital da instalação. As soluções de película fina também tendem a ser usadas em grandes telhados e instalações industriais, onde o espaço e a área não são um problema. Como regra geral, as tecnologias de filme fino precisam aproximadamente do dobro da quantidade de área de módulos para a mesma saída de kW.
Outro desafio atual para a indústria de BIPV é combinar as mais recentes tecnologias de módulos com os melhores materiais de cobertura para desenvolver / criar um novo sistema solar - como sistemas de coberturas solares que utilizam membranas de cobertura com cabos na parte inferior, por exemplo.
Essência Cristalina
Hoje, as formas mono e policristalinas de silício são a base da indústria de painéis fotovoltaicos solares. Uma vertente da inovação é incorporar esses materiais em módulos que, em particular, funcionam como elementos de construção, telhas e telhas. Esta abordagem é exemplificada pela telha SolarSave da Open Energy Corporation. Alegada para ser igualmente adequado para novas construções e aplicações de re-cobertura, estas telhas solares PV / policarbonato são fabricadas em preto, vermelho / marrom e azul / cinza cores.
Cada peça pesa 12 libras, mede 17 in por 36 in por 1 pol e fornece até 35 W a 48 VDC. Atributos citados pela empresa incluem propriedades robustas, à prova de intempéries e com classificação de incêndio; fácil instalação, mistura sem costura com ladrilhos de cimento padrão, baixa voltagem para segurança, perfis de borda de derramamento de água, classificação de vento de 125 mph e inversores de 'seqüência curta' com taxa de conversão de 93% de CC para CA. Colocar o material semicondutor monocristalino ativo dentro de um laminado compósito de proteção evita a necessidade de um enquadramento externo, o que pode levantar questões de descontinuidade com a envolvente do edifício, manutenção e custo.
Silício fino
Enquanto o silício cristalino continua sendo a tecnologia solar fotovoltaica dominante, sua posição está sendo desafiada por alternativas de filme fino. Os materiais solares de película fina que podem se adaptar à envolvente do edifício podem suplantar as rígidas matrizes de complemento que hoje adornam os edifícios. Inicialmente, esta tendência baseia-se na exploração de formas amorfas (não cristalinas) e micromórficas de silício. A capacidade de depositar esse material extremamente finamente em materiais de substrato adequados pode produzir bolachas de células solares muitas vezes mais finas do que as produzidas a partir de silício cristalino convencional, que não pode ser cortado de lingotes para algo parecido com o mesmo grau de finura.
Os materiais solares finos não só maximizam a quantidade de área de superfície ativa exposta à radiação solar para um determinado volume de silício, mas também se prestam à integração com os edifícios, porque podem ser flexíveis e facilmente ligados às superfícies dos materiais convencionais. Alguns são finos o suficiente para serem incorporados ao vidro, mantendo a transparência, liberando efetivamente o PV solar dos limites do telhado e trazendo-o para as fachadas.
A produção de materiais de película fina em processos contínuos de rolo para rolo - em vez dos processos de etapa e repetição em lote associados ao silício cristalino convencional - oferece a perspectiva de produção rentável e redução do custo do sistema por capacidade instalada de energia. Os produtores podem alavancar inovações na deposição de grandes áreas, revestimentos por rolo e outros processos usados nas indústrias de telas planas e vidro arquitetônico. Usando silício amorfo (a-Si ou ASI) tem a vantagem adicional de dificuldades de sidestepping atualmente enfrentados pelos fabricantes em relação à escassez global de wafers de silício cristalino.
Exemplos de tecnologia
Várias empresas desenvolveram material solar baseado em ASI de filme fino. Uma delas é a United Solar Ovonic LLC, que incorporou sua tecnologia de junção tripla de semicondutor em seu produto e, desse modo, superou parcialmente um lado negativo do silício amorfo - que é geralmente um conversor de energia menos eficiente que o silício cristalino. Cada célula do material UniSolar BIPV da United Solar Ovonic é composta de três junções semicondutoras empilhadas, cada junção absorvendo uma faixa de luz espectral diferente ( veja a imagem à direita ).
Isso resulta em absorção de luz superior, especialmente em baixos níveis de insolação e condições de luz difusa. O material é produzido em um processo roll-to-roll, no qual o material semicondutor é depositado como vapor sobre rolos contínuos de substrato fino de aço inoxidável. Com o revestimento antirreflexo adicionado, o resultado geral é um material robusto e flexível que é contínuo até ser posteriormente cortado em comprimentos adequados para a produção do módulo.
A empresa diz que seu produto a-Si de tripla junção funciona até 40% melhor em condições de pouca luz (40–100 W / m 2 ) do que a tecnologia cristalina convencional, tornando-o adequado para as condições climáticas em grande parte da Europa e América do Norte. Além disso, enquanto módulos cristalinos podem perder de 20 a 30% de sua potência à medida que a temperatura da superfície sobe - algo que pode acontecer facilmente em prédios - os módulos de tripla junção perdem apenas 5% de energia a 28ºC e 1100 W / m 2 de irradiação . Os testes mostraram que o produto é estável ao longo do tempo, enquanto o rendimento energético global é considerado competitivo com o dos módulos cristalinos convencionais.
Do ponto de vista da integração do edifício, o material com certificação IEC 61646 é descrito como forte e “fácil de percorrer” quando usado em coberturas. Pode, diz a empresa, ser integrada com uma gama de materiais de cobertura metálicos e não metálicos. As vantagens incluem um alto grau de pré-fabricação externa, peso adicional mínimo e nenhuma carga extra de vento, além da capacidade de ser instalada usando procedimentos normais de cobertura com responsabilidades comerciais claramente definidas no telhado. Por exemplo, é claro que é tarefa do carpinteiro garantir que o telhado acabado seja impermeável, uma situação que pode não pertencer aos sistemas de painéis de telhado de primeira geração.
As empresas parceiras que criaram elementos de construção ligando os laminados UniSolar aos materiais de cobertura convencionais incluem a ThyssenKrupp com seus painéis Solartec, Alwitra com uma membrana de camada única incorporada em seu produto Evalon Solar, Corus com sua cobertura Kalzip e coberturas BIPV da Solar Integrated Technologies membrana. A American Energy Technologies Inc instalou mais de 5.000 painéis Uni-Solar “peel and stick” em um telhado de metal de um grande armazém para gerar até 700 kW. A Sun Edison LLC está usando-os com mais de 74.000 pés 2do telhado de metal de um grande centro de distribuição em Connecticut para fornecer até 433 kW de energia, enquanto a 3rd Rock Systems and Technologies utilizou os painéis em projetos de escolas solares na Califórnia.
O silício amorfo também pode ser depositado em vidro para formar uma superfície solar mais ou menos transparente, que pode ser integrada ou substituída por envidraçamento. Empresa alemã Schott Solar GmbH, por exemplo, ressalta que pode depositar eletricamente material semicondutor de silício amorfo no vidro em uma camada menor que um mícron de espessura, enquanto que as pastilhas de silício cristalino têm pelo menos 180 mícrons de espessura (a Schott também produz material solar cristalino de silício e módulos BIPV). Um laser fino é usado para estruturar o filme de silício no substrato de vidro em muitas pequenas células solares. Vias condutoras transparentes conduzem elétrons das células para os cabos do módulo. Schott diz que seus painéis solares ASI podem ser integrados em uma ampla gama de aplicações de envidraçamento, estimulando novas abordagens arquitetônicas. Os painéis podem ser instalados como janelas normais.
Janelas fotovoltaicas aparecem sombreadas e admitem menos luz do que vidro transparente, mas isso pode aumentar o interesse visual. A Solar Solutions LLC diz que um de seus produtos, no qual o material fotovoltaico é embutido no vidro, permite que 10% da luz natural seja gerada ao gerar energia total. Acrescenta que os painéis de vidro, descritos como atrativos, formam uma boa superfície para a projeção de imagens e apresentações de unidades projetadas.
A Suntech Power Holdings diz que usa menos de dois por cento do silício necessário para fabricar produtos fotovoltaicos equivalentes de silício cristalino na fabricação de seu próprio material solar de película fina, depositando silício amorfo e microcristalino em substrato de vidro. Usar esse processo para fabricar módulos de filme fino com quase 6m 2 resulta em um produto altamente competitivo em termos de custo, diz a empresa, que tem como meta a eficiência de conversão solar de 6 a 9% e custo de produção de aproximadamente US$ 1,20 / W.
As vantagens da película fina não se perdem em produtores que estabeleceram suas credenciais solares com silício cristalino convencional. Soluções de energia solar da SharpPor exemplo, desenvolveu uma solução que combina duas camadas de silício amorfo e uma de silício microcristalino, para uma eficiência de módulo de cerca de 10%. A empresa revelou recentemente que está investindo em uma grande fábrica de células solares de película fina em Osaka, no Japão. Em um movimento de produção inovador projetado para limitar os custos, ele está co-localizando a nova fábrica com uma instalação de display LCD de filme fino, para que a infraestrutura e os recursos técnicos possam ser compartilhados. Está melhorando ainda mais a eficiência aumentando seu tamanho de substrato de vidro em 2,7 vezes (do original 560) em 925 mm. A nova fábrica, que com uma capacidade prevista de 1 GW por ano é provavelmente a maior fábrica de células solares de película fina do mundo, deve começar a operar em março de 2010. A Sharp Solar diz que seu material se prestará a soluções criativas de transparência .
Enquanto isso, a Sharp também tem trabalhado duro para fornecer uma melhor integração da tecnologia convencional, notavelmente com módulos cristalinos baseados em Si que podem ser fixados a ripas de telhado e decks da mesma maneira que telhas de concreto plano. O aprimoramento do módulo resultou de inovações como a texturização de superfície avançada para aumentar a absorção de luz, acabamentos e acabamentos de quadro anodizado em preto esteticamente agradáveis e módulos triangulares para aumentar a flexibilidade do design do telhado.
A Sharp Solar é sábia para apoiar cavalos cristalinos e amorfos. O silício convencional é um conversor mais eficiente, com eficiências típicas de células solares tipicamente na faixa de 10% a 20%, comparando bem com menos de 10% para dispositivos de película fina amorfos. Projetados apropriadamente com aterramento comum e arranjos de conexão elétrica de forma que várias penetrações de telhado sejam evitadas, os módulos podem funcionar como ladrilhos e outras entidades de construção que não precisam ser pequenas. No entanto, o filme fino, com sua maior flexibilidade, facilidade de integração e capacidade de formar grandes superfícies solares parece ser uma onda do futuro e pode melhorar em termos de eficiência, à medida que os esforços de P & D em todo o mundo geram frutos. Um recente apontamento para isso foi a descoberta por pesquisadores do Laboratório Nacional de Energia Renovável dos EUA (NREL)., em colaboração com o revelador de células solares de película fina Innovalight Inc. , de um efeito de geração de múltiplos excitons (MEG) em nanocristais de silício que se diz ser capaz de aumentar a eficiência em vários por cento.
Composto fino
Outros inovadores, descontentes com as limitações de custo e / ou eficiência do silício de filme fino, focaram-se em alternativas ao silício, notavelmente semicondutores compostos como o di-seleneto de cobre índio (CIS), di-seleneto de cobre índio-gálio (CIGS) e telureto de cádmio (CdTe). Pesquisadores lançaram as bases. O quinto programa de alto desempenho em edifícios (HIPERB) da União Européia , por exemplo, abordou especificamente o desenvolvimento de módulos solares de filme fino CIS otimizados para desempenho estável de longo prazo em aplicações BIPV. Pesquisadores da NREL dos EUA buscaram processos reprodutíveis para a fabricação de dispositivos CdTe de alta eficiência, onde uma camada semicondutora ultrafina é possível.
A Shell Solar fez alguns anos atrás, vendendo seus bem estabelecidos interesses PV de silício cristalino (para a SolarWorld AG), a fim de se concentrar no CIS, que, segundo ela, provavelmente se tornará competitivo em termos de custo com energia de varejo antes do silício. Alega que o CIS é substancialmente mais barato de produzir do que o silício, com uma fração do material de entrada, e alcançou eficiências superiores a 13,5%. Soluções de materiais CIS são pulverizadas sobre a folha de vidro em camadas para formar grandes superfícies solares, evitando a necessidade de fiação e montagem complexas. Um acabamento preto suave torna o produto visualmente adequado para aplicações BIPV. E a Avancis, uma joint venture com a Saint-Gobain Glass, deve começar a fabricar painéis solares da CEI este ano.
A HelioVolt Corp, sediada no Texas espera reduzir substancialmente o custo do BIPV com um método ultrarrápido de produção de material semicondutor CIGS de filme fino. Sua principal inovação, o processo patenteado da FASST, que é dito ser 10 vezes mais rápido que os concorrentes de filmes finos e conquistou vários prêmios para a empresa, depende da impressão do material semicondutor. Grande parte do impulso inovador deve-se ao Dr. BJ Stanberry, líder no pioneirismo do processo. A HelioVolt afirma que seu produto pode ser aplicado diretamente em materiais de construção convencionais, incluindo aço, vidro arquitetônico e materiais para telhados para criar edifícios geradores de energia.
Outro produto de revestimento fotovoltaico que incorpora a película fina CIS é o MegaSlate , desenvolvido na Suíça. Adequado para telhados com uma inclinação de pelo menos 20º, MegaSlates sem moldura são colocados sobrepostos, como telhas padrão. O material tem aparência de madeira e é comercializado como madeira solar pela firma de Luxemburgo, a Solar Wood Technologies SA. As telhas solares são fortes o suficiente para serem pisadas e têm um acabamento resistente ao crescimento biológico. A Wuerth Solar GmbH na Alemanha usa tecnologia similar nos módulos de 70 W CIS que comercializa para uso de BIPV.
A First Solar Inc. desenvolveu um processo de deposição de transporte de vapor de alta taxa para depositar semicondutor baseado em telureto de cádmio em painel de substrato de vidro por painel, e cita um preço de US $ 1,87 / W em comparação com as células de silício cristalino por cerca de US$ 2 a US$ 3 / W.
Há, no entanto, preocupações ambientais, de saúde e segurança sobre o uso de metais pesados em dispositivos comerciais. O Dr. Douglas Dudis (citado no começo deste artigo) prefere evitar a possibilidade de cádmio tóxico, telúrio, gálio, etc. penetrarem nos cursos de água do mundo e, portanto, favorecerem soluções à base de silício. Os detentores da visão contrária, entretanto, contrapõem que as inovações no encapsulamento do laminado podem superar essa objeção, permitindo que o potencial desses materiais solares altamente promissores seja realizado. O debate continua enquanto a comercialização prossegue.
Movimento orgânico
Uma maneira de contornar essa questão é tornar-se orgânica, uma possibilidade levantada pela descoberta de materiais condutores de polímeros. Em 2000, Alan Heeger, professor de Física na Universidade de Santa Bárbara, Califórnia, recebeu o Prêmio Nobel por seu trabalho pioneiro nessa área, juntamente com Alan MacDiarmid e Hideki Shirakawa.
Em 2007, os vencedores do Prêmio Nobel, juntamente com a coreana Kwanghee Lee, apresentaram uma célula solar orgânica que, em virtude de uma camada dupla que absorveu um espectro mais amplo de radiação solar do que células de camada única, alcançou uma eficiência de conversão sem precedentes de 6,5. %. Desde então, esse nível foi aumentado para 10% em laboratórios, e alguns pesquisadores afirmaram que eficiências de até 25% são teoricamente possíveis. Dada a acessibilidade econômica que o material PV orgânico de filme fino (OPV) também promete, as perspectivas para seu uso no BIPV são claramente interessantes.
Os esforços de P & D em todo o mundo estão agora focados no desenvolvimento de OPV. Um ponto quente em particular é a Alemanha, onde o governo federal, juntamente com empresas como BASF, Bosch, Merck e Schott, espera investir cerca de € 360 milhões em desenvolvimento, com o objetivo de produzir material de filme fino comercialmente até 2015. Cientistas da Universidade Livre de Berlim acredita que técnicas de produção de camada fina econômicas, como impressão e eficiência na faixa de 5 a 10%, tornarão a OPV um concorrente viável para as tecnologias de PV estabelecidas. No entanto, é necessário mais progresso em termos de estabilidade, tempo de vida e encapsulamento do material ativo.
Outra perspectiva decorrente da inovação material é a célula solar sensibilizada por corante. As células de corante imitam a natureza com um processo fotossintético que converte luz em eletricidade. Empresa australiana Dyesol Ltd, com assistência da Organização de Defesa, Ciência e Tecnologia da Austrália - e universidades - está trabalhando para comercializar essa tecnologia e, usando a nanotecnologia, produziu células que são cerca de 8% eficientes. Além disso, acredita que 12% é viável com novas combinações de materiais. A empresa está colaborando com a fabricante de aço Corus para desenvolver um produto de aço BIPV baseado em sua tecnologia de célula flexível de corante. Este projeto envolve engenharia de materiais detalhada e validação de processo na Dyesol, enquanto a Corus realiza estudos de engenharia química visando a montagem rápida da célula e a otimização da estrutura do substrato de metal. Outras empresas, incluindo as inovações do G24 no Reino Unido, estão trabalhando em tecnologia similar.
Como a seleção necessariamente limitada de exemplos neste artigo indica, muito do impulso inovador neste campo é mantido por especialistas em materiais e ciência de processamento. No entanto, para que o BIPV atinja seu potencial, essa inovação deve ser acompanhada por uma inventividade paralela em termos de manufatura, integração eletromecânica (incluindo soluções híbridas térmicas / fotovoltaicas), aplicações, finanças e mecanismos de mercado. O prêmio em potencial é enorme. Os edifícios, pelo menos nos países industrializados, representam cerca de 20-30% do consumo total de energia convencional (não renovável). Utilizar apenas uma fração das 110 TW de energia solar recebidas na superfície da Terra continuamente pode ajudar a transformar a economia de energia e a administração ambiental. O BIPV pode alcançar isso dada uma continuação, na verdade aceleração.
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