Súčasný vývoj integrácie fotovoltických systémov do fasád budov

1. Úvod

Európska rada na svojom zasadnutí v marci 2007 zdôraznila potrebu zvýšiť energetickú efektívnosť v rámci vytýčeného cieľa do roku 2020. Samotný sektor pozemných stavieb predstavuje v súčasnosti viac ako 40 % z celkovej spotreby energie v Európske únie [1]. Zníženie spotreby energie a využívanie ekologicky čistej energie z obnoviteľných zdrojov v tomto sektore predstavujú dôležité opatrenia potrebné na zníženie energetickej závislosti budov napojených na centrálne zdroje v rámci plnenia článku 9 Smernice 2010/31/EÚ a 2009/28/ES [2,3]. Slnečná energia sa v súčasnosti považuje ako jeden z najviac perspektívnych obnoviteľných zdrojov energií. Zo všetkých doposiaľ objavených solárnych technológií sa fotovoltika (PV) javí ako jedna z najviac sľubných solárnych technológií, z dôvodu celkového vyrovnania a úspory emisií CO₂ pri výrobe PV modulov po dobu 3 až 4 rokov.

Obr. 1 Voľne uchytený PV a integrovaný PV systém budovy

PV články transformujú určitú časť dopadajúceho slnečného žiarenia na elektrickú energiu prostredníctvom svojej polovodičovej štruktúry, ktorá môže pozostávať z rôznej materiálovej základne, podľa ktorej sa odvíja ich celová koncepcia a účinnosť. Z hľadiska technologickej integrácie PV systémov s budovou sa postupne prechádza z tradičných uchytených PV systémov (angl. Building Attached Photovoltaic) skr. BaPV na integrované PV systémy (angl. Building Integrated Photovoltaic) skr. BiPV, ktoré už vo svojej podstate tvoria integrálnu časť environmentálneho systému budovy (obr. 1). V súčasnosti existuje niekoľko systémov BiPV v obvodovom plášti budov, ktoré už sú dostupné na stavebnom trhu, ale stále ešte exituje určité množstvo konceptov, ktoré sú dosiaľ na úrovni výskumu a ich vývoja. Účelom tohto článku je ich predstaviť a poskytnúť prehľad týchto BiPV konceptov integrovaných v konštrukčnej tvorbe fasád budov.

2. Integrované fotovoltické systémy

PV materiály v systéme BiPV nahradzujú tradičné stavebné materiály pri konštrukčnej tvorbe obalového plášťa budov a tvoria jeho funkčnú časť, ktorá musí spĺňať určité požiadavky (tepelnotechnické, akustické, protipožiarne, aerodynamické a hydrodynamické, požiadavky na osvetlenie). Z hľadiska architektúry predstavujú určitý výrazový prvok, ktorý môže zvýšiť celkovú estetiku budovy a vytvoriť tak požadovaný vizuálny efekt.

Obr. 2 Integrácia BiPV systémov do obalových konštrukcií budov. Zľava do prava: šikmá strecha, plochá strecha, strešný svetlík, fasáda, okenná konštrukcia, tieniace konštrukcie

BiPV systémy poskytujú niekoľko možností pre inovatívny architektonický návrh, môžu byť použité vo fasádach, strechách, tieniacich systémov, taktiež vo forme polotransparentných elementov v okenných konštrukciách, v strešných taškách, škridlách, v strešných hydroizolačných systémov (obr. 2).

Obr. 3 Štruktúra PV modulu zloženého z kryštalických článkov

BiPV moduly osadené do konštrukcie budovy pozostávajú z jednotlivých PV článkov (navzájom elektricky spojené), ktoré sú zapuzdrované vo fólií (EVA, PVB) čím sú chránené pred poveternostnými vplyvmi. Následne sú osadené medzi prednú sklenenú dosku a zadnú dosku, ktorá môže byť zo skla alebo z tenkej tedlarovej vrstvy (obr. 3). Takto je vytvorený jeden modul s určitými rozmermi podľa konštrukčných požiadaviek, ktorý je schopný vyprodukovať určité množstvo elektrického napätia, avšak je potrebné jednotlivé moduly medzi sebou elektricky prepojiť v dôsledku zvýšenia produkcie.

Globálne, približne ¾ všetkých BiPV inštalácii tvoria strešné konštrukcie zvyšok ¼ predstavujú BiPV systémy integrované do obvodového plášťa budov. Približne 20 % z celkovej vyprodukovanej elektrickej energie BiPV systémami integrovanými v obalovom plášte budovy možno pripísať fasádnym prvkom [4]. Jednotlivé komponenty dvojitého BiPV obvodového plášťa interagujú s budovou v rôznych aspektoch. Jedná sa o veľmi komplexný problém kedy je potrebné uvažovať s tepelnými a elektrickými procesmi z úrovni komponentov na celkovú sezónnu závislosť tepelnej účinnosti obvodového plášťa. Slnečné žiarenie (priame, difúzne) sa po dopade na finálnu exteriérovú PV vrstvu obvodového plášťa z časti okamžite odrazí v difúznej forme (v závislosti od povrchových vlastností) a zvyšná časť sa absorbuje. Na produkciu elektrickej energie pomocou PV sa spotrebuje iba cca 15 % (v závislosti od typu PV článku) z celkového pohlteného slnečného žiarenia, zvyšná časť sa premení vo forme tepelnej energie na obidvoch stranách PV článku. Následkom čoho nastáva rozdielna tepelná výmena medzi PV modulom a konštrukciou budovy.

3. Súčasne trendy BiPV fasád využívané v stavebníctve

Obr. 4 Schéma zjednodušenej interakcie prenosu tepelnej energie v dvojitom BiPV obvodovom plášti

Obr. 5 Konštrukcia prevetrávanej fasády s PV obkladom: skladba konštrukcie (vľavo), axonometria konštrukcie (vpravo) [5]

Nezatienená plocha povrchu fasády je vhodná pre integráciu PV systémov aj keď sa jedná o vertikálnu plochu, ktorá v porovnaní so šikmou plochou na streche budovy má o niečo menší energetický zisk, ale stále ma určitý potenciál, ktorý je potrebné využiť. PV moduly môžu byť integrované v rámci systému obvodového plášťa čiastočne, kedy len nahradia finálnu exteriérovú vrstvu (prevetrávaný obklad), alebo nahradia celý systém (ľahké obvodové plášte). Jednotlivé fasádne prvky ako tieniace zariadenia, vonkajšie parapety a balkónové zábradlia predstavujú takisto možnosť integrácie PV modulov. BiPV systém v sebe zahŕňa nielen samotný PV modul, ale aj dodatočné potrebné vybavenie ako je kabeláž a jej následne napojenie na potrebné elektrotechnické vybavenie, ktoré musí byť uvažované pri tvorbe detailov, z hľadiska ľahkej dostupnosti kvôli údržbe. Do jednotlivých typov obvodových stien, ako sú zimné fasády, kde je PV panel použitý ako obkladový prvok, montovaný na exteriérovú tepelne izolovanú nosnú stenu (obr. 5). V tomto prípade je zabezpečená zadná prirodzená ventilácia, ktorá redukuje problém prehrievania PV článkov v dôsledku prúdenia vzduchu vo fasádnej medzere, kedy sa tepelná energia vyprodukovaná na PV článku fyzikálne odoberá štyrmi spôsobmi: radiačnou výmenou s oblohou, konvekciou s vonkajším vzduchom, radiačnou výmenou s tuhými povrchmi vo fasádnej medzere a konvekciou s prúdiacim vzduchom v medzere (obr. 4). Následne je PV článok ochladzovaný a udržiava si vhodnú teplotu, pri ktorej je jeho účinnosť produkcie elektrickej energie optimálna a zároveň sa neskracuje jeho celková životnosť. Vzhľadom na to je potrebné brať väčší ohľad na mechanizmus prenosu tepla vo fasádnej medzere.

Obr. 6 Konštrukcia ľahkého obvodového plášťa s PV modulmi: axonometria konštrukcie (vľavo), skladba konštrukcie (vpravo) [6]

Systémy ľahkých obvodových plášťov s jednoduchým, dvojitým alebo trojitým zasklením s adekvátnou U-hodnotou môžu byť takisto vhodnou konštrukciou pre integráciu tenkovrstvových alebo kryštalických PV modulov (obr. 6). Umiestnenie a veľkosť PV modulov, alebo najmä pri tenkovrstvových PV systémov vzájomná vzdialenosť tenkých PV pásikov, určuje celkovú moduláciu denného osvetlenia a priamy vplyv na vnútornú klímu budovy. Tieto BiPV moduly poskytujú čiastočnú ochranu pred slnkom, ale na druhej strane môžu aj zohrievať vzduch v interiéri. Celkový vzhľad a problém denného osvetlenia musia byť uvažované v procese navrhovania takéhoto obvodového plášťa.

4. Koncepty BiPV fasád

BiPV konštrukcie predstavujú systémy, ktoré vo svojej podstate sú schopné iba vyprodukovať elektrickú energiu zo slnečného žiarenia. Avšak postupom času sa skúmali nové typy BiPV systémov, ktoré by okrem produkcie elektrickej energie, rozumne využívali aj vyprodukovanú tepelnú energiu na zadnej strane PV, nazývajú sa BiPV/T (angl. Building integrated Photovoltaic/Thermal). Tepelná energia sa absorbuje do určitého teplonosného média a slúži zväčša ako podporný energetický zdroj pre techniku prostredia budov, alebo putuje do zásobníkov tepla. Vo všeobecnosti systémy BiPV/T majú nasledovné základné vlastnosti [7]:

Obr. 7 Kategorizácia systémov BiPV/T

• Systém je fyzicky spojený s budovou;
• Systém generuje elektrickú energiu;
• Systém generuje tepelnú energiu pripravenú na okamžitý odber a využitie budovou, alebo celková stavebná tepelná technika daného systému na pozitívny vplyv na celkovú energetickú účinnosť budovy.

BiPV/T systém, možno diferencovať na jednotlivé kategórie v závislosti od teplonosného média (obr. 7). Daný systém nepracuje iba ako zdroj energie, ale taktiež ovplyvňuje celkovú energetickú bilanciu budovy vzhľadom na nasledujúce fakty:

• Časť slnečného žiarenia je priamo premenená na elektrickú energiu prostredníctvom PV modulu, predtým ako je prejde cez obalovú konštrukciu;
• Časť absorbovanej solárnej energie je odobratá vo forme tepla za použitia chladiaceho média;
• BiPV/T komponent mení celkovú U-hodnotu obalovej konštrukcie, k čomu je prispôsobený tepelný tok medzi vonkajším a vnútorným prostredím;
• Solárna absorbtancia obalovej konštrukcie je zmenená za použitia/nahradenia tradičných stavebných konštrukcií, reflexnými PV modulmi;
• PV modul bráni slnečnému žiareniu dopadať na vnútornú obalovú konštrukciu.

Obr. 8 Schematická ilustrácia vzduchového systému BiPV/T s otvorenou slučkou [8]

Uvedené BiPV/T systémy možno aplikovať vo fasádnych konštrukciách s teplonosným médiom vzduchu a materiálom s fázovou zmenou. Vzduch ma malú hmotnosť v porovnaní s ostatnými médiami, poskytuje jednoduchší spôsob pre transfer tepla a nevyžaduje si zložité inštalácie na technológie v rámci celkovej konštrukcie obvodového plášťa. Pohyb vzduchu môže byť prirodzený (pasívny), alebo nútený (aktívny), ako to už bolo spomínane v predošlej kapitole. Aktívny BiPV/T systém sa bežne inštaluje ako konfigurácia otvorenej slučky, pri ktorej je vonkajší vzduch vháňaní do fasádnej medzery pomocou ventilátora a prechádza pozdĺž celej medzery obvodového plášťa (obr. 8) [8].

Obr. 9 Schematické zobrazenie troch typov Trombeho BiPV stenových systémov: a) PVVEZ, b) PVOS, c) PVTK [9]

Trombeho BiPV stenový systém tiež dokáže pokryť určitú časť potreby tepla na chladenia a vykurovanie a popritom generovať elektrickú energiu. Skúmali sa aj rôzne možnosti umiestnenia PV článkov v rámci tejto celkovej integrácie, ako PV články umiestnené na vonkajšom exteriérovom zasklení (PVVEZ), na obvodovej stene (PVOS) a ako tieniace konštrukcie v medzere (PVTK) (obr. 9) [9].

Obr. 10 Konštrukcia ľahkého prevetrávaného BiPV obvodového plášťa [10]

Dvojité polotransparentné prevetrávané BiPV obvodové plášte s vetracími štrbinami ako prechod od dvojitého BiPV okenného zasklenia (neprevetrávaného) dokážu zredukovať celkovú tepelnú záťaž takmer o polovicu, čo bolo aj dokázané experimentálnymi meraniami (obr. 10). Vnútorná tepelná pohoda bola zlepšená v dôsledku zníženia BiPV povrchovej teploty [10].

Obr. 11 Schematické zobrazenie termoelektrického BiPV fasádneho systému [11]

Na podobnom princípe bol skúmaný ďalší typ sofistikovanejšieho fasádneho BiPV systému v kombinácii s termoelektrickými článkami (Peltierov efekt). Tento systém je založený na vzájomnej spolupráci PV modulov slúžiacich na transformáciu slnečného žiarenia, vzduchovej medzery na rozptyl tepelnej energie a termoelektrický radiačný panel pre aktívne radiačné vykurovanie/chladenie (obr. 11). Elektrická energia vyprodukovaná prostredníctvom PV (jednosmerný elektrický prúd) sa priamo využíva na napájanie termoelektrického článku, ktorý tvorí aktívny prvok ovplyvňujúci celkovú energetickú bilanciu budovy [11].

Začali sa objavovať prvé koncepcie vegetačných BiPV obvodových plášťov, kde sa vlastne spájajú dva konštrukčné systémy, vegetačná fasáda a BiPV do jedného multifunkčného systému. Úlohou vegetácie je vytvoriť tepelnú nárazníkovú zónu na zadnej strane PV modulov a taktiež poskytnúť tepelnú reguláciu operatívnej teploty PV článkov (obr. 12). Experimentálne bolo dokázané, že rastlinstvo je schopné rásť za PV modulom a ma pozitívny vplyv na teplotu PV článkov, zníženie teploty v intervale od 2 °C do 4 °C a celkovej priemernej teploty od 1 °C do 2 °C v klimatickej oblasti Viedeň, Rakúsko [12].

Obr. 12 Schematické/reálne zobrazenie multifunkčného systému BiPV vegetačnej fasády [12]

Racionálne využitie transferu tepla z BiPV bolo skúmané aj prostredníctvom využitia materiálu s vysokou tepelnou kapacitou. Materiál s fázovou zmenou PCM (angl. phase change material) je špeciálny typ materiálu, ktorý dokáže v rámci svojej veľkej latentnej kapacity, uskladniť veľké množstvo tepelnej energie počas zmeny skupenstva pri určitom úzkom rozsahu teplôt (z tuhej na kvapalnú fázu, z kvapalnej na plynnú fázu), alebo uvoľniť tepelnú energiu (z plynnej na kvapalnú fázu, z kvapalnej na tuhú fázu), jedná sa o izotermický proces. Numericky a experimentálne sa skúmala inkorporácia vhodného PCM umiestneného na zadnej strane PV modulu za účelom zmiernenia vysokého rastu operatívnej teploty (obr. 13). Tento systém bol nazvaný BiPV-PCM, predstavujúci hybridnú technológiu integrujúcu PV modul a PCM v jeden systém za účelom dosiahnuť vyššiu premenu slnečnej energie na elektrickú, v porovnaní so samotným PV modulom [13,14].

Obr. 13 Implementácia PCM do BiPV obvodového plášťa: prevetrávaného (vľavo) [15], neprevetrávaného (vpravo) [16]

5. Záver

Integrované fotovoltické systémy budov sa postupne začínajú uplatňovať v stavebnej praxi a určite bude v blízkej budúcnosti už nevyhnutné s nimi uvažovať pri celkovom energetickom koncepte budovy. Článok si kládol za cieľ predstaviť súčasné koncepty a vývojové stupne integrácie fotovoltiky do fasád budov. Z technického a technologického hľadiska fasádne BiPV systémy sa najlepšie a najjednoduchšie realizujú na nových budovách kedy sú už zakomponované v návrhovej fáze projektu, avšak je možné ich realizovať aj na starších budovách, kde je predovšetkým potrebné uvažovať s vyššími nákladmi a zásahu do celkového vzhľadu budovy. Jednoduché BiPV systémy poskytujú iba produkciu elektrickej energie, ktorej účinnosť je zatiaľ ešte nízka, ale postupne vo výskume polovodičových materiálov sa dá povedať, že sa jej percentuálny podiel zvyšuje. Je potrebné poukázať aj na snahy racionálneho využitia tepelnej energie vyprodukovanej na zadnej strane BiPV konštrukcie, ktorá vykazuje atribúty ďaleko komplexnejšej problematiky. Kombinované hybridné systémy a ich neustále vylepšovania sú práve tie, od ktorých sa dá očakávať, že sa začnú častejšie implementovať aj na stavebnom trhu. Dosiahnutie vytýčených energetických cieľov politiky Európskej únie bude možné dosiahnuť zakomponovaním aj práve takýchto konštrukcií do návrhu budovy.

Poďakovanie

Tento článok vznikol vďaka podpore projektu č. LO1408 „AdMaS UP – Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie“ podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I“.

Literatúra

1. European Commision – EU Energy and Transport in Figures – Statistical Pocket Book 2010.
2. Smernica Európskeho parlamentu a Rady 2010/31/EÚ o energetickej hospodárnosti budov. 19. máj 2010.
3. Smernica Európskeho parlamentu a Rady 2009/28/ES o podpore využívania energie z obnoviteľných zdrojov energie o zmene a doplnení a následnom zrušení smerníc 2001/77/ES a 2003/30/ES. 23. apríl 2009
4. International Energy Agency (IEA). Potential for Building Integrated Photovoltaics: IEA: Ursen, Switzerland, 2002; pp. 1–12.
5. LITHO Photovoltaic, Vorgehängte hinterlüftete Photovoltaic-Fasade, Anshlussdetails, Dostupné na:
   www.lithodecor.com/de/downloads.html
6. Ertex solartechnik GmbH, VSG-ISO Verbundsicherheits-Isolierglas-Module in der Warmfassade, Dostupné na:
   www.ertex-solar.at
7. YANG, Y., ATHIENITIS, A., K.: A review of research and developments of building-integrated photovoltaic/thermal (BIPV/T) systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews, December 2016, č. 66, s. 886–912. ISSN: 1364-0321.
8. ATHIENITIS, A. K., BAMBARA, J., O′NEIL, B., FAILE, J.: A prototype photovoltaic/thermal system integrated with transpired collector. Solar Energy, Január 2011, č. 85, s. 139–153. ISSN: 0038-092X.
9. HU, Z., He, W., JI, J., HU, D., LV, S., CHEN, H., SHEN, Z.: Comparative study on the annual performance of three types of building integrated photovoltaic (BIPV) Trombe wall system. Applied Energy, Máj 2017, č. 194, s. 81–93. ISSN: 0306-2619.
10. PENG, J., LU, L., YANG, H.: An experimental study of the thermal performace of a novel photovoltaic double-skin facade in Hong Kong. Solar Energy, November 2013, č. 97, s. 293–304. ISSN: 0038-092X.
11. LUO, Y., ZHANG, L., LIU, Z., WANG. Y., MENG, F., WU, J.: Thermal performance evaluation of an active building integrated photovoltaic thermoelectric wall system. Applied Energy, September 2016, č. 177, s. 25–39. ISSN: 0306-2619.
12. MOREN, M. S. P., KORJENIC, A.: Green buffer space influences on the temperature of photvoltaic modules Multifunctional system: Building greening and photvoltaic. Energy and Buildings, Júl 2017, č. 146, s. 364–382. ISSN: 0378-7788.
13. BROWNE, M. C., NORTON, B., McCORMACK, S. J.: Phase change materials for photovoltaic thermal managment. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Júl 2015, č. 47, s. 762–782. ISSN: 1364-0321.
14. MA, T., YANG, H., ZHANG, Y., LU, L., WANG, X.: Using phase change materials in photovoltaic systems for thermal regulation and electrical efficiency improvement: A review and outlook. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Marec 2015, č. 43, s. 1273–1284. ISSN: 1364-0321.
15. HUANG, M. J.: The application of computational fluid dynamics (CFD) to predict the thermal performance of phase change materials for the control of photovotlaic cell temperature in buildings. Doktorská dizertačná práca, Júl 2002, Faculty of Engineering and Build Environment, University of Ulster.
16. HORN, S.: Bauwerkintegrierte Photovoltaik (BIPV), Entwicklung und Bewertung von Fassadensystemen. Doktorská dizertačná práca, August 2017, Institut für Baukonstruktion, Fakultät Bauingenieurwesen, Technische Universität Dresden.