Page 1


Szkło fotowoltaiczne Szkło było pierwszym materiałem budowlanym, z którym trwale zintegrowano ogniwa fotowoltaiczne (PV). Z początkiem lat 90. XX wieku firma FLACHGLAS opracowała innowacyjny produkt, osadzając ogniwa w transparentnej żywicy, pomiędzy dwiema warstwami szkła izolacyjnego. Joachim Benemann, jeden z pierwszych propagatorów nowej technologii, opisał to w następujący sposób: ideą było, [iż] skoro szkło staje się tak bardzo zaawansowanym i innowacyjnym estetycznie materiałem budowlanym o wielu specjalistycznych właściwościach, takich jak odbicie promieniowania słonecznego, izolacja cieplna, dźwiękowa i kuloodporna, dlaczego nie miałoby być użyte jako skóra budynku produkująca równocześnie energię elektryczną? Stwierdziliśmy zatem – zamknijmy ogniwa w szkle i zróbmy to w estetyczny wizualnie sposób, aby sprostać wymaganiom architektów i zwiększyć zainteresowanie nową technologią [4, s. 157]. Wkrótce architekci przekonali się, że nowe szkło fotowoltaiczne jest komercyjnym produktem, który można użyć jak zwykły materiał budowlany. W 1991 r. na południowej ścianie budynku w Aachen zrealizowano fasadową instalację BiPV (ang. Building Integrated Photovoltaics) – po raz pierwszy szklana ściana zaczęła produkować energię. Na rynku fotowoltaiki otworzyły się nowe możliwości. Rozpoczęto badania i wdrażanie innowacyjnych materiałów solarnych, projektowanych specjalnie dla bezpośredniej integracji z budynkiem. Pierwsza linia produkcyjna wyspecjalizowanych szklanych modułów fotowoltaicznych ruszyła w 1993 r. W Stanach Zjednoczonych Departament Energii (U.S. Department of Energy DOE) rozpoczął program wspierający rozwój systemów BiPV, w ramach którego rozwinięto linię prefabrykowanych komponentów o nazwie PowerWall™. Działania naukowców, firm solarnych i budowlanych, a także rosnące zainteresowanie technologią spowodowały, że rynek komercyjnych materiałów BiPV szybko się rozwinął. Dziś inwestorzy i projektanci mają do dyspozycji szeroką gamę produktów.

Materiały Najprostszym i najtańszym rozwiązaniem jest wykorzystanie masowo wytwarzanych standardowych modułów fotowoltaicznych ze szklaną obudową, bowiem ich kształty i rozmiary mogą być takie same, jak w przypadku zwykłych tafli szkła. Niezależnie od wybranej technologii fotoogniw (krzem krystaliczny c-Si, krzem amorficzny a-Si, selenek indowomiedziowy CIS, tellurek kadmu CdTe) efektem

Fot. 1. Ertex Solar, Amstetten. Indywidualnie wyprodukowane moduły PV z izolacyjnego, laminowanego szkła bezpiecznego VSG-ISO [www.ertex-solar.at/cms]

końcowym jest zaawansowany technologicznie materiał budowlany, który może zastąpić tradycyjne szkło. Zwykłe moduły typu szkło-szkło, w których obustronną obudowę ogniw tworzy pojedyncze szkło (TVG, ESG), mogą być wykorzystane tylko tam, gdzie nie ma specjalnych wymogów co do kwestii bezpieczeństwa oraz właściwości termalnych szklanej konstrukcji. W nowoczesnych szklanych powłokach elementy BiPV powinny mieć bardziej wyspecjalizowane właściwości, ponieważ poza generowaniem energii elektrycznej, spełniają dodatkowe funkcje – chronią wnętrze, regulują przepływ energii, kształtują estetykę przegrody. Dlatego producenci poszerzają ofertę o nowoczesne produkty, optymalizowane specjalnie dla celów architektonicznych. Szkło fotowoltaiczne dla zastosowań budowlanych produkowane jest w większości przypadków na zamówienie – standaryzowane elementy odpowiednio połączone ze sobą tworzą w rezultacie wielofunkcyjny materiał, o parametrach dostosowanych do konkretnych potrzeb. Dobierane są odpowiednie ogniwa, kształt i wymiary modułu oraz rodzaje szkła w jego obudowie ochronnej. Postęp technologiczny,

Fotowoltaika w architekturze

zarówno w dziedzinie fotowoltaiki jak i materiałów szklanych, pozwala na realizację niejednokrotnie dość wyszukanych rozwiązań. W systemach zintegrowanych z budynkiem, szczególnie ważną kwestią jest odpowiedni dobór fotoogniw, co wiąże się nie tylko z wyborem materiału półprzewodnikowego, ale i kształtem poszczególnych elementów, ich wymiarem, ułożeniem, kolorem. Wszystko razem wpływa na efektywność energetyczną szkła fotowoltaicznego, jego walory funkcjonalne i estetyczne. Firmy wytwarzające materiały

Fot. 2. SGG ALBARINO P® – extra-białe szkło ornamentowe dla modułów PV, prod. Saint-Gobain Glass [www.saint-gobain-glass.com]

1


Magdalena Muszyńska-Łanowy cych światło. Badania prowadzone przez Helmuta F.O. Müllera na Uniwersytecie w Dortmundzie wykazały, że są one skuteczne w zarządzaniu światłem oraz w optymalizacji zysków z energii solarnej dla konwersji fotowoltaicznej. Transparentna folia Holo-Volt®, zalaminowana w szkle klejonym i umieszczona przed fotoogniwami, skupia na nich bezpośrednie promieniowanie słoneczne, jednocześnie pozwalając na przejście przez przegrodę światła rozproszonego. Połączenie holografii i fotowoltaiki można zobaczyć m.in. w elewacji fabryki Scheuten Solar w Gelsenkirchen (fot. 3). Przeciwsłoneczny system BiPV skutecznie chroni wnętrze budynku przed olśnieniem i przegrzaniem, dodatkowo zapewniając charakterystyczne efekty wizualne w postaci zmieniających się tęczowych kolorów.

Fot. 3. Scheuten Solar, Gelsenkirchen. Szklany system przeciwsłoneczny BiPV z folią holograficzną HoloVolt® [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

BiPV wykorzystują elementy różnych producentów, co daje projektantom dużą swobodę twórczą. Ten sam system szklanej fasady połączony z ogniwami innego typu będzie dla architekta zupełnie nowym narzędziem (fot. 1). Zaletą technologii BiPV jest możliwość integracji fotoogniw z wieloma rodzajami szkła budowlanego. Szczególne korzyści wynikają z zastosowania szkła wielofunkcyjnego, np. izolacyjnego, laminowanego, rozpraszającego światło, antywłamaniowego itd. Różnorodność właściwości dostępnych produktów otwiera szerokie spektrum możliwości kształtowania nowoczesnej szklanej struktury. Ze względu na konieczność maksymalnego wykorzystania promieniowania słonecznego przez ogniwa fotowoltaiczne, frontowa warstwa szklanego elementu BiPV musi w każdym wypadku spełniać warunki optymalnej transmisji światła. Dla ograniczenia osadzania się brudu, który powoduje obniżenie efektywności energetycznej, materiał powinien być równy, płaski i gładki, najlepiej samoczyszczący. Najczęściej stosowane jest szkło białe o niskiej zawartości tlenku żelaza, charakteryzujące się dużą przepuszczalnością światła. Straty związane z odbiciem światła od przedniej szyby można ograniczyć za pomocą specjalnej powłoki antyrefleksyjnej. Jednocześnie taka powłoka zmniejsza ilość odblasków od zewnętrznej powierzchni, co jest ważne w przypadku usytuowania szklanych elementów przy ciągach komunikacyjnych [5]. Materiały o absorpcji selektywnej, np. SGG PV-Lite® produkowane przez SAINT-GOBAIN GLASS, zwiększają transmisję światła w zakresie fal przekształcanych w energię elektryczną,

2

redukują natomiast transmisję w zakresie podczerwonym, chroniąc zarówno moduły, jak i wnętrze budynku od nadmiernego nagrzewania. Opracowane specjalnie dla modułów PV teksturyzowane szkło ornamentowe SGG ALBARINO® pozwala zwiększyć ich efektywność energetyczną o około 3% w skali roku (fot. 2). Interesującym rozwiązaniem jest zastosowanie folii holograficznych HOE (holograficzne elementy optyczne) specjalnie ukierunkowują-

Fot. 4. SCHOTT Ibérica, Sant Adria de Besos. Fasada BiPV z szyb zespolonych – połączenie semitransparentnych modułów ASI THRUTM ze szkłem kolorowym SCHOTT IMERATM [fot. SCHOTT Ibérica SA, www.etsav.upc.edu/unitats/ cisol]

Innego rodzaju powłoki, tj. niskoemisyjne, ceramiczne, kolorowe folie, nadruki itp., można stosować jedynie na wewnętrznej stronie szklanego systemu BiPV, tzn. z tyłu fotoogniw. Generalnie, co do tylnej warstwy modułów nie ma praktycznie żadnych ograniczeń materiałowych, bowiem w przeciwieństwie do frontowej, nie musi być ona transparentna. Zarówno dla celów estetycznych, jak funkcjonalnych, szkło można więc różnie kształtować za pomocą koloru (fot. 4), nadruku itd. Użycie szkła fotowoltaicznego w powłoce budynku wiąże się z koniecznością spełnienia przez nie wysokich wymagań pod względem bezpieczeństwa. Zintegrowane z ogniwami szkło bezpieczne stosowane jest w elewacjach o dużych powierzchniach, konstrukcjach zawieszonych nad głową (dachy, atria) oraz wszędzie tam, gdzie istnieje ryzyko zranienia (zadaszenia, balustrady, żaluzje). Dostępne są różne rozwiązania, np. wykorzystanie szkła laminowanego VSG w tylnej obudowie szklanego modułu (fot. 1, 5). Folia PVB zabezpieczająca przed rozsypaniem szkła stanowi jednocześnie dobrą ochronę antywłamaniową. W zależności od potrzeb realizowane są też bardziej złożone, wielowarstwowe konstrukcje. Innym sposobem jest użycie w obudowie modułu tworzywa sztucznego. Dzięki zastąpieniu konwencjonalnego szkła materiałem akrylicznym (PMMA) ostateczny produkt jest lżejszy, przez co może osiągnąć większe rozmiary. SUNOVATION oferuje moduły PV wykonane z użyciem transparentnego Plexiglas® lub Makrolon®, które pozwalają na redukcję końcowej wagi modułu o 60% w stosunku do elementu wykonanego ze zwykłego szkła [9]. Zastosowanie ogniw fotowoltaicznych w szybach zespolonych (fot. 4) powoduje, że materiał BiPV zyskuje lepsze właściwości termalne, dzięki czemu staje się atrakcyjniejszym produktem budowlanym. Budowa takiego elementu różni się od konwencjonalnego rozwiązania jedynie tym, iż zewnętrzną taflę szkła zastę-

WYDANIE SPECJALNE


Szkło fotowoltaiczne puje szklany moduł PV. Tak jak w konwencjonalnych systemach, zestaw szyb połączony jest na obwodzie ramką dystansową z elastycznym uszczelnieniem, przestrzeń międzyszybowa wypełniona jest specjalnym gazem. Teoretycznie, ogniwa solarne mogą być umieszczane zarówno w zewnętrznej, jak i wewnętrznej warstwie szklenia. Z reguły jednak moduły PV tworzą warstwę zewnętrzną, ze względu na bezpośrednie wystawienie ogniw na działanie promieniowania słonecznego. Wewnętrzną warstwę tworzy wówczas pojedyncza szyba float lub szkło wielowarstwowe, bezpieczne. Dla polepszenia parametrów termicznych na tylnym szkle można dodatkowo zastosować warstwę niskoemisyjną, a gdy efekt transparentności nie jest pożądany zabarwić je lub pokryć sitodrukiem. W każdym wypadku przeprowadzenie okablowania elektrycznego do tyłu uszczelnionej jednostki musi być wykonane z dużą starannością, bowiem jakakolwiek penetracja do przestrzeni międzyszybowej może się przyczynić do zamglenia szyb, obniżenia wartości izolacyjnej lub krótkiego spięcia [3]. Zastąpienie wewnętrznego szklenia modułem PV również jest możliwe, jednak powoduje zbyt duże straty wskutek odbicia i absorpcji światła od zewnętrznej szyby. Szkło budowlane, kojarzone głównie z płaskimi powierzchniami, może mieć zupełnie inne oblicze – w procesie gięcia nadawana jest nowa jakość funkcjonalna i estetyczna, która pozwala architektom na projektowanie bardziej zróżnicowanych form. Szkło gięte odpowiednie dla integracji z ogniwami fotowoltaicznymi oferuje m.in. włoska firma CURVET. Dla uzyskania efektu zakrzywienia można też wykorzystać szkło organiczne, którego giętkość pozwala na uzyskanie każdego w zasadzie kształtu (fot. 6).

Fot. 5. Scheuten Solar, Gelsenkirchen. Trzy rodzaje szkła fotowoltaicznego w roli nieprzezroczystej okładziny elewacyjnej, częściowo transparentnych okien oraz nachylonej struktury BiPV [fot. M. MuszyńskaŁanowy]

Transparentność Szkło fotowoltaiczne jest nieprzezierne lub częściowo transparentne – jak dotąd żadna z technologii nie pozwala na całkowitą przezroczystość materiału. Elementy nieprzezroczyste wykorzystywane w architekturze w roli pokrycia dachowego, okładzin fasad zimnych, czy w systemach ciepło-zimnych jako spandrele, mogą mieć różną budowę. W przypadku zastosowania konwencjonalnych materiałów krystalicznych (c-Si) nieprzezroczyste ogniwa ułożone blisko siebie nie pozwalają na większe prześwity światła pomiędzy nimi. Dodatkowo, tylna warstwa obudowy ochronnej modułu może być wykonana z materiału nieprzezroczystego, np. szkła barwionego w masie, pokrytego kolorową emalią, nadru-

Fot. 6. Katamaran solarny. Moduły Sunovation® z PLEXIGLAS® tworzą zakrzywione, częściowo transparentne zadaszenie [fot. SUNOVATION, www.solarpeace.ch/solarpeace/Images]

Fotowoltaika w architekturze

kiem lub specjalną folią. Jako nietransparentne, produkowane są też różnego rodzaju moduły z ogniwami cienkowarstwowymi, np. ASI Opak Schott Solar, CIS Würth Solar. Wizualnie cechuje je homogeniczna, ciemna powierzchnia (fot. 7). Najbardziej atrakcyjnym produktem jest częściowo transparentne szkło BiPV. Zastosowanie tego rodzaju materiału ma szczególny sens w przypadku szklanych konstrukcji. Ogniwa solarne, zintegrowane z przepuszczającym światło materiałem, tworzą prawdziwie wielofunkcyjny i interesujący wizualnie komponent budynku lub innego rodzaju strukturę. Efekt końcowy – dotyczy to zarówno kwestii estetycznych, jak i parametrów funkcjonalnotechnicznych – zależy od rodzaju użytych ogniw, sposobu ich umieszczenia w module oraz rodzaju podłoża.

Fot. 7. Heuchemer GmbH & Co. KG, Miehlen im Taurus. Czarna okładzina elewacyjna ze standardowych szklanych modułów CIS [fot. SULFURCELL, www.sulfurcell.de/41+M52087573ab0.html]

3


Magdalena Muszyńska-Łanowy transparentności, jak i kwestie plastyczne. Różne wzory modułów z ogniwami CIS oferuje Würth Solar. Japońska MSK, KANEKA Corporation i architekci Taiyo Kogyo wspólnie opracowali specjalną linię częściowo transparentnych szklanych materiałów dla integracji z budynkiem o nazwie MSK Solar Design LineTM. W porównaniu do konwencjonalnych modułów fotowoltaicznych charakteryzują się one wyższym standardem technicznym i estetycznym (fot. 10). Cienkowarstwowe moduły ASI THRUTM wytwarzane przez SCHOTT Solar często wykorzystywane są przez inne firmy z przemysłu budowlanego jako półprodukt w realizacji bardziej złożonych elementów BiPV (fot. 4, 11).

Aktualne technologie pozwalają uzyskać transparentność za pomocą metod takich jak: • zwiększenie rozstawu pomiędzy ogniwami solarnymi (c-Si), • perforacja ogniw, • zastosowanie częściowo transparentnych materiałów cienkowarstwowych (a-Si, CIS, CdTe). Transparentność szkła fotowoltaicznego kształtowana jest zazwyczaj w granicach 530%, maksymalnie do 50%. Należy pamiętać, że wraz z jej wzrostem maleje powierzchnia aktywna ogniw, co wiąże się bezpośrednio ze stratami efektywności energetycznej całej instalacji BiPV.

Fot. 9. SMA, Niestetal. Nachylona szklana fasada BiPV – widok od strony wnętrza [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

W modułach zbudowanych z ogniw z krzemu krystalicznego (jak dotąd najbardziej popularnych), efekt częściowej transparentności uzyskuje się układając poszczególne ogniwa w większych odstępach (fot. 8). Ponieważ z natury są one nieprzezroczyste, światło przedostaje się przez przestrzenie pomiędzy nimi tworząc charakterystyczne efekty wizualne – szachownicę światła i cienia (fot. 9). Dla zwiększenia efektu transparentności ogniwa mogą być mechanicznie perforowane. Inny efekt osiągnie się stosując szklane moduły cienkowarstwowe. W tym wypadku w trakcie produkcji ogniwa osadzane są bezpośrednio na transparentnym podłożu. Promienie przedostają się przez małe otwory wzornikowane laserem, przy czym spektrum światła pozostaje niezmienione. Poziom jego transmisji zależy od wielkości i zagęszczenia otworów, nato-

4

Fot. 10. MSK Fukuoka, Nagano. Szklenie BiPV o różnym poziomie transparentności – moduły MSK Solar Design LineTM typu See ThruTM [fot. MSK, www.pvdatabase.org/projects_view_details.php?ID=225]

miast sam efekt częściowej transparentności odbierany przez obserwatora, tzw. widzenie na wskroś, zależy dodatkowo od jego usytuowania i kierunku głównego oświetlenia (fot. 10). Firmy solarne oferują szereg rozwiązań materiałowych, zarówno jeśli chodzi o poziom

inwestorów i projektantów. Prototypy elementów i pierwsze realizacje są aktualnie w fazie eksperymentalno-badawczej. KONARKA TECHNOLOGIES wraz z ARCH ALUMINIUM&GLASS pracują nad rozwinięciem linii semitransparentnych paneli szklanych dla

Fot. 11. VOLTARLUX® - różne wzory szkła laminowanego z ogniwami a-Si (materiały reklamowe Glaswerke Arnold GmbH&Co KG)

WYDANIE SPECJALNE

dokończenie na s. 13

Fot. 8. Scheuten Solar, Gelsenkirchen. Zagęszczenie ogniw (c-Si) w szklanej fasadzie zmienia się w zależności od kąta padania promieni słonecznych zwiększając lub ograniczając dostęp światła do wnętrza [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

Testowane są także inne technologie wykorzystujące m.in. ogniwa organiczne oraz nanokrystaliczne. Należy się więc spodziewać, iż wkrótce nowego rodzaju materiały BiPV staną się kolejną, komercyjnie dostępną opcją dla


Czarne fasady – okładziny CIS

Czarne

fasady – okładziny CIS

Zastosowanie modułów fotowoltaicznych (PV) w roli zewnętrznej okładziny budynku jest rozwiązaniem sprawdzonym i wielokrotnie przetestowanym. Nowoczesne materiały można instalować w miejscu konwencjonalnego szkła na powłokach różnego typu – pionowych, pochylonych lub zakrzywionych elewacjach, a także w postaci pokrycia dachowego. Technologia CIS Moduły fotowoltaiczne z ogniwami z krzemu krystalicznego (c-Si) należą jak dotąd do najczęściej sprzedawanych. Dla bezpośredniej integracji z budynkiem mają jednak pewne wady, takie jak wysoka wrażliwość na wysokie temperatury oraz zacienienie. Ze względów estetycznych nie zawsze spotykają się też z akceptacją projektantów i inwestorów. Interesującą alternatywę stanowią moduły cienkowarstwowe z ogniwami z krzemu amorficznego a-Si, selenku indowo-miedziowego CIS (CIGS) lub tellurku kadmu CdTe. W ostatnich latach na rynku materiałów BiPV coraz większą popularność zyskują szklane moduły CIS. Ich charakterystyczna ciemna i jednolita powierzchnia, znacznie bardziej jednorodna niż w przypadku materiałów krystalicznych oraz duża elastyczność pod względem kształtów i wymiarów sprawiają, że moduły te uznawane są za szczególnie atrakcyjne dla zastosowań architektonicznych. Bazowym materiałem jest zwykłe szkło okienne float (2-3 mm), na którym rozpylany jest materiał półprzewodnikowy, około 50 razy cieńszy od ludzkiego włosa (grubość ogniw cienkowarstwowych jest zredukowana do 1% w porównaniu do krzemu krystalicznego). Szklane podłoże dla wyjątkowo cienkich ogniw stanowi jednocześnie tylną warstwę ich ochronnej obudowy. Po zalaminowaniu folią lub żywicą z drugą taflą szkła hartowanego (45 mm) powstaje hermetyczna „kapsuła” – moduł PV. Wydajność energetyczna komercyjnych ogniw CIS kształtuje się na poziomie 7-11%. Mimo niższej sprawności w porównaniu do krzemu krystalicznego (11-19%) w skali roku moduły CIS zapewniają wysokie zyski energii. Są zdecydowanie bardziej efektywne i niezawodne w gorszych warunkach oświetlenia, tzn. w pochmurne dni a nawet przy częściowym zacienieniu, a także mniej wrażliwe na wysokie temperatury. Cechy te stanowią ważną zaletę dla bezpośredniej integracji z budynkiem, w szczególności aplikacji fasadowych. Pozytywne aspekty ekologiczne technologii cienkowarstwowej to przede wszystkim niskoenergochłonne procesy produkcyjne oraz mniejsze zużycie materiału półprzewodnikowego. Wielu producentów należy do stowarzysze-

Rys. 1. Schemat konstrukcji wentylowanej fasady z okładziną BiPV

nia PV Cycle, które zobowiązuje do przyjmowania zwrotów modułów i ich recyklingu. Szklane panele CIS przeznaczone do integracji z budynkami wytwarza m.in. SULFURCELL. Producent oferuje standardowe moduły z obramowaniem (fot. 1), bezramowe laminaty oraz specjalne materiały dla pokrycia dachu. Firma WÜRTH SOLAR wprowadziła na rynek moduły o nazwie GeneCIS (fot. 2). Instalowane na fasadach mogą zapewnić roczne zyski energii na poziomie 50-60 kWh/m2 (na dachach 70-90 kWh/m2). Wysoka jakość estetyczna, duże możliwości wyboru wzorów i parametrów technicznych zwracają uwagę projektantów. Na rynku masowo produkowanych modułów cienkowarstwowych rekordową sprawność

Fotowoltaika w architekturze

energetyczną – 12% - osiągnęły moduły CIGS wytwarzane przez Q-Cells. Jak dotąd bezkonkurencyjne pod względem wydajności nowoczesne materiały o nazwie Q.SMART przystosowane są do szerokiej gamy aplikacji architektonicznych (fot. 3).

Wentylowane fasady Wystawione na działanie promieniowania słonecznego ogniwa fotowoltaiczne silnie się nagrzewają. Moduły zintegrowane z konstrukcją pracują w szczególnie wysokich temperaturach – w lecie może to być +50÷80oC (zdecydowanie więcej niż standardowo przyjęte dla warunków testowych +25oC).

5


Magdalena Muszyńska-Łanowy

Fot. 1. Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik, Berlin Adlershof. Czarna, zakrzywiona ściana solarna o powierzchni 640 m2 (80 x 8 m) składa się z 732 standardowych modułów CIS typu SCG-HV-F. Moduły posiadają obramowanie z czarnego anodyzowanego aluminium ze specjalnymi otworami do odprowadzenia wody [fot. SULFURCELL, www.sulfurcell.com]

Fot. 2. Wieża solarna, Heilbronn. Na fasadach zainstalowano 160 szklanych modułów CIS o łącznej mocy 8 kWp [fot. WÜRTH SOLAR, www.wuerthsolar.de]

Sprawność fotoogniw jest funkcją odwrotną temperatury – wraz z jej wzrostem maleje wydajność energetyczna. Co prawda, materiały cienkowarstwowe CIS nie reagują tak silnie na wysokie temperatury jak krystaliczne, najkorzystniejszym rozwiązaniem są jednak tzw. zimne fasady, w których cyrkulacja powietrza umożliwia chłodzenie tylnej strony modułów. W wielowarstwowej, wentylowanej strukturze mocowane do podkonstrukcji elementy okładziny BiPV generują energię elektryczną, jednocześnie tworząc ochronną i dekoracyjną skórę, która musi unieść siłę własnego ciężaru, być odporna na odkształcenia, parcie wiatru, itd. Podkonstrukcję dla modułów PV tworzy regularna siatka profili przymocowanych do konstrukcji nośnej. Pozwala ona na regulowa-

optymalny, nieznane są też skutki ewentualnych turbulencji powietrza [2]. Wolna przestrzeń pomiędzy modułami a konstrukcją nośną pozwala na swobodne rozmieszczenie instalacji elektrycznej. Kable umieszczone w specjalnych korytkach ochronnych mogą zostać poprowadzone zarówno w szczelinie powietrznej, jak i w warstwie izolacji termicznej. W systemach profilowych (np. konstrukcjach słupowo-ryglowych) chowane są wewnątrz profili. Tradycyjny, wertykalny układ elewacji nie oferuje idealnych warunków dla generacji energii elektrycznej z promieniowania słonecznego. Nachylenie modułów za pomocą specjalnej podkonstrukcji może polepszyć zyski energetyczne systemu BiPV, chociaż nie zawsze będzie korzystne ze względów architektoniczno-konstrukcyjnych, zmienia bowiem płaszczyznę i strukturę fasady. Z drugiej strony, moduły mogą wówczas funkcjonować jako system zacieniający dla okien i wejść. Alternatywą może być też pochylenie pod odpowiednim kątem całej struktury fasady (fot. 9). Tego rodzaju rozwiązania stosowane są w wielu budynkach w najbardziej widocznej, reprezentacyjnej strefie wejściowej.

nie odległości między ścianą nośną a okładziną, umożliwiając zastosowanie w tej przestrzeni izolacji termicznej o żądanej grubości, przy jednoczesnym zachowaniu szczeliny powietrznej dla wentylacji (rys. 1). Cyrkulacja powietrza chłodzi moduły i zapobiega wewnętrznej kondensacji wilgoci, co korzystnie wpływa m.in. na problem korozji. Jak dotychczas nie zostało naukowo stwierdzone, jaki przekrój szczeliny powietrznej jest

Układ elementów

Fot. 3. Q.SMART UF 70-90 – szklany moduł CIGS do zastosowań architektonicznych, prod. Q-Cells. Najbardziej wydajny energetycznie wśród masowo produkowanych modułów cienkowarstwowych. Wymiary 1190 x 630 x 7,3 mm, waga 13,2 kg [fot. QCells, www.q-cells.com]

6

Fot. 4. Kaseta solarna SCG-CC, prod. SULFURCELL. System mocowania szklanych modułów CIS na fasadach wentylowanych [fot. SULFURCELL]

Modularność systemu fotowoltaicznego jest dużą zaletą dla integracji architektonicznej. Umożliwia szybki i łatwy montaż, a także demontaż w razie potrzeby naprawy czy wymiany poszczególnych elementów. Struktury modularne pozwalają ograniczyć koszty instalacji i ułatwiają przeprowadzenie niezbędnego dla funkcjonowania systemu okablowania.

WYDANIE SPECJALNE


Czarne fasady – okładziny CIS Układ i odległości pomiędzy poszczególnymi panelami okładziny BiPV można kształtować w zasadzie dowolnie. Priorytetem będzie oczywiście kwestia ustawienia względem Słońca, a także ekonomiczność i funkcjonalność instalacji, polegająca na optymalnym powiązaniu funkcji osłony i generatora energii. Ze względów ekonomicznych korzystniejsze jest wstępne łączenie poszczególnych modułów PV w panele większego formatu, co ułatwia montaż, ogranicza ilość punktów mocujących i redukuje okablowanie. Poszczególne elementy okładziny mogą tworzyć wodoszczelną skórę lub stanowić tylko zewnętrzną, dodatkową warstwę dobrze zaizolowanej powłoki. W rozwiązaniach fasad wentylowanych systemy z otwartymi fugami uznaje

się za szczególnie korzystne. Szczeliny między elementami okładziny zwiększają cyrkulację powietrza, dzięki czemu wilgoć i para wodna są lepiej kontrolowane, lepsze jest również chłodzenie modułów. W razie konieczności demontaż pojedynczego elementu jest ułatwiony i nie ma problemu ze zniszczeniem sąsiednich. Dla uzyskania szczelnej powłoki, fugi pomiędzy elementami PV można zamknąć specjalnymi masami uszczelniającymi lub listwami. Alternatywnym rozwiązaniem jest konstrukcja fasady z prefabrykowanych systemów profilowych, takich jak powszechne systemy słupowo-ryglowe, gdzie chwycone ze wszystkich 4 stron moduły stanowią wypełnienie lekkiego szkieletu.

Fot. 5. Zamek San Giogio, La Spezia. Solarna tablica informacyjna z sześcioma prototypowymi modułami CIS z nadrukiem na frontowej szybie, opracowana przez WÜRTH SOLAR w ramach projektu PVACCEPT. Tablicę umieszczono w odległości 10 cm od zabytkowego muru na specjalnej podkonstrukcji mocowanej w niewielu punktach dla minimalnej ingerencji w historyczną konstrukcję [fot. www.pvaccept.de]

Szklane moduły CIS można łączyć ze sobą lub zestawiać z innymi, konwencjonalnymi materiałami w różnych kompozycjach (fot. 6). W miejscach, gdzie spotykają się materiały o różnych właściwościach, innej tolerancji na obciążenie i reakcji na warunki atmosferyczne ważne jest odpowiednie zaprojektowanie połączeń.

Techniki mocowania Praktycznie wszystkie systemy szklanych przegród są odpowiednie dla okładzin CIS. Między innymi w tym celu standardowe moduły produkowane są w odpowiednim kształcie i rozmiarze porównywalnym do typowych tafli szkła. Specjalne zmiany w konstrukcji oraz dodatkowe nakłady finansowe nie zawsze są więc konieczne, tym bardziej że wiele firm solarnych, a nawet niektóre budowlane, oferuje już własne standaryzowane systemy mocujące dla wentylowanych fasad BiPV (np. SOLARCENTURY, ZYTECH SOLAR, WYSS ALUHIT, ONYX SOLAR). Techniki mogą być różne: liniowe, punktowe, itd. W przypadku mocowania punktowego moduł musi być przytwierdzony co najmniej w czterech miejscach. W razie wiercenia otworów wykorzystuje się materiały produkowane na zamówienie ze specjalnym nieaktywnym rantem dla uniknięcia uszkodzenia ogniw. Moduły CIS można też zawieszać tak samo jak konwencjonalne panele czy kasety w lekkich ścianach osłonowych (fot. 4), z użyciem zatrzasków, zacisków, zaczepów, kotew, itd. Niewidoczne od strony zewnętrznej mocowanie poprzez klejenie jest także możliwe, ale ze względów bezpieczeństwa okładziny elewacyjne muszą mieć dodatkowe zabezpieczenie mechaniczne, ukryte pod listwami maskującymi.

Estetyka

Fot. 6. Demonstracyjna fasada z modułami CIS w otoczeniu paneli aluminiowych, Widderstall. Instalacja testowana w ramach programu BiPV-CIS [fot. ZSW]

Fotowoltaika w architekturze

Zgodnie ze słynnym stwierdzeniem "less is more" minimalistyczna estetyka gładkich, czarnych modułów z selenku indowo-miedziowego uznawana jest za szczególnie atrakcyjną. Widoczne z pewnej odległości, innowacyjne materiały produkujące elektryczność są w zasadzie nie do odróżnienia od zwykłego, czarnego szkła budowlanego. Od kilku lat technologia cienkowarstwowa CIS jest silnie rozwijana pod kątem szerszych zastosowań architektonicznych. Coraz większy nacisk kładziony jest na zapewnienie wysokiej jakości modułów pod względem estetycznym. Producenci i naukowcy podejmują próby kształtowania materiałów o bardziej zróżnicowanym wyglądzie, powstają prototypy systemów fasadowych, które mają umożliwić lepszą integrację z budynkiem. W przypadku instalacji BiPV uzyskanie zadowalających rezultatów często okazuje się niezwykle trudne, szczególnie gdy ostentacyjnie rzucający się w oczy system solarny tworzy dysonans z otoczeniem.

7


Magdalena Muszyńska-Łanowy dobrze integrować się z otoczeniem i wcale nie muszą pozostawać w sprzeczności z obiektami o charakterze historycznym (fot. 5). Międzynarodowa grupa specjalistów biorąca udział w programie BiPV-CIS (2004-2007) pracowała nad modyfikacją wizualnego aspektu modułów CIS, próbując określić potencjał technologii i potrzeby dla szerszej integracji architektonicznej. Przetestowano m.in. nowe rozwiązania frontowej obudowy szklanej o różnej strukturze, kolorystyce i refleksyjności (fot. 6-7).

Przykłady realizacji SchapfenMühle, Ulm

Fot. 7. Instalacja testowa szklanych modułów CIS, program BiPV-CIS. Aspekt wizualny uzależniony jest od koloru, struktury i refleksyjności frontowej szyby modułu oraz optycznych efektów wynikających z wzajemnych oddziaływań absorbera i szkła [fot.http://bipv-cis.info]

Punktem wyjściowym koncepcji projektowej było wyeksponowanie obiektu zlokalizowanego przy wjeździe do miasta Ulm. Prostopadłościenna „wieża” o wysokości 114,6 m jest trzecim co do wysokości budynkiem w mieście i najwyższym na świecie funkcjonującym silosem. Pomimo typowo przemysłowej, technicznej funkcji aspekty formalne odgrywały w tym wypadku bardzo ważną rolę, wiele wysiłku włożono więc w zapewnienie wysokiej jakości architektonicznej. Widoczny z daleka, ekstremalnie smukły i wysoki budynek przyciąga wzrok. Dodatkową „atrakcją” architektoniczną jest zintegrowany z fasadą system fotowoltaiczny (fot. 8). Okładzina BiPV składająca się z ponad 1300 modułów pokrywa większą część elewacji południowej i wąski pas wschodniej. Zastosowano bezramowe, szklane moduły cienkowarstwowe CIS produkowane przez WÜRTH SOLAR, które zawieszono na metalowej konstrukcji słupowo-ryglowej. Duże wymagania techniczne dla tak wysokiej instalacji wymagały pewnych modyfikacji materiału, w tym polepszenia parametrów wytrzymałościowych szkła.

Technologię CIS wybrano ze względu na formalne i użyteczne właściwości – jednolita, czarna, matowa powierzchnia szklanej okładziny jest funkcjonalna i estetyczna. Optycznie dobrze integruje się z prostą formą i metalowymi panelami w pozostałych fragmentach fasady. Imponująca, 102 m wysokości instalacja BiPV jest najwyższą na świecie realizacją z cienkowarstwowych materiałów CIS. Wg producenta modułów budynek ten jest dowodem na to, że tradycja, rzemiosło i technologie przyszłości mogą znakomicie funkcjonować pod jednym dachem. System o łącznej mocy 98 kWp generuje rocznie 70 000 kWh czystej elektryczności (równolegle dostarczana jest ona do trzech faz lokalnej sieci energetycznej), co pozwala uniknąć emisji 50 000 kg CO2.

Technium OpTIC (Opto-electronics Technology and Incubation Centre), St Asaph Centrum technologiczno-inkubacyjne Technium OpTIC jest jednym z najnowocześniejszych obiektów tego typu w Europie. Proekologiczny budynek wzbudza duże zainteresowanie, w szczególności jego południowa fasada BiPV o charakterystycznej geometrii i kolorze (fot. 9). Ściana solarna jest dominującym elementem architektonicznym. Nachylona pod kątem 70o struktura pokryta została cienkowarstwowymi modułami CIS. Gładka i jednolita szklana okładzina wygląda niczym spływająca z dachu do ziemi czarna fala. Uzyskanie odpowiednich materiałów doprowadziło do poszukiwań na skalę światową (z rynku wycofywali się kolejni producenci). Dostarczone ostatecznie przez firmę SHELL moduły wymagały zmiany koncepcji fasady. Architekci wraz z wykonawcami zapro-

Fot. 8. SchapfenMühle, Ulm. Fasadowa instalacja BiPV z modułów CIS – widok od strony południowej [fot. www.bipvcn.com]

W ramach niemiecko-włoskiego projektu badawczego PVACCEPT (2001-2004) opracowano prototypy materiałów dla integracji z budynkami istniejącymi. Instalacja innowacyjnych modułów w przestrzeni publicznej udowodniła, że nowoczesne technologie mogą

8

Fot. 9. Technium OpTIC, St Asaph – widok południowej fasady BiPV. Woda deszczowa spływa po gładkich szklanych modułach CIS do sadzawki u podstawy ściany, zasilając podziemne zbiorniki [fot. NREL, www.nrel.gov]

WYDANIE SPECJALNE


Czarne fasady – okładziny CIS

Fot. 10. Technium OpTIC, St Asaph – w trakcie budowy. 2400 modułów CIS o wymiarach 1400 x 350 mm połączono w fabryce w 400 większych paneli. Do ich tylnej strony zamocowano wytłaczane profile Unirac. Sekcję zakrzywioną wykonano z zimnogiętych, odpowiednio ukształtowanych profili. Gotowe podsystemy przetransportowano na plac budowy i zamocowano za pomocą specjalnych klipsów [fot. NREL, www.nrel.gov ]

jektowali dla wentylowanej przegrody specjalną podkonstrukcję (fot. 10). Charakterystyczny, zakrzywiony kształt fasady wymagał specjalnej podkonstrukcji i precyzyjnych połączeń. Płaskie, szklane moduły CIS nie są giętkie, dla uzyskania odpowiedniego efektu umieszczono je pod różnym kątem na specjalnych wspornikach mocowanych do wodoodpornej warstwy. Cyrkulacja powietrza za panelami chłodzi je i utrzymuje w optymalnej temperaturze. Fasada BiPV o powierzchni 1200 m2 i mocy 85 kW jest jedną z największych w Europie instalacji CIS, pierwszą tego typu w Wielkiej Brytanii. System fotowoltaiczny pokrywa około 5% zapotrzebowania energetycznego budynku, redukując szkodliwe emisje CO2 o 30 ton rocznie. Budynek uhonorowano m.in. główną nagrodą w kategorii budownictwa zrównoważonego (Sustainability Awards 2005), a także RICS Wales Sustainability Award jako stylowy przykład nowoczesnej architektury i model energooszczędności.

Fot. 11. Fabryka Sulfurcell, Berlin – detal okładziny BiPV z modułami CIS. Błyszczące czarne moduły szklane kontrastują z brązowym kolorem drewnianych paneli [fot. Sulfurcell]

Sulfurcell Solartechnik, Berlin Eleganckie fasady nowej siedziby firmy SULFURCELL to kolejny przykład na to, że solarna instalacja BiPV może być jednocześnie estetyczna, funkcjonalna i ekonomiczna (fot. 11). W pilotażowym projekcie SULFURCELL pierwszy raz zastosowała opracowany przez siebie system solarnych kaset SCG-CC (fot. 4). Architekci KREHL.GIRKE i wykonawca GOLDBECK-BAU opracowali specjalną strukturę wentylowanej fasady. Szklane moduły CIS zawieszono na podkonstrukcji na wzór konwencjonalnych paneli okładzinowych. Wentylowane od tyłu kasety wyposażono w specjalne kanały odwadniające. Kontrola wody opadowej pozwala utrzymać suchą izolację termiczną, cyrkulacja powietrza chłodzi moduły. Specjalna technologia klejenia bezramowych modułów CIS pozwoliła uzyskać od strony zewnętrznej efekt dość jednolitej szklanej płaszczyzny (fot. 11). Dla osiągnięcia odpowiedniego efektu estetycznego na wszystkich ścianach budynku administracyjnego umieszczono moduły CIS, jednak nie wszystkie z nich są aktywne. Małe grupy paneli PV nieregularnie rozmieszczono na ele-

Fotowoltaika w architekturze

wacjach hali produkcyjnej. Błyszczący, czarny wygląd modułów CIS kontrastuje z typowo industrialnym pokryciem z szarej blachy falistej. Elektryczność generowana przez instalację fasadową składającą się z 900 modułów fotowoltaicznych pokrywa 1/3 zapotrzebowania na energię budynku administracyjnego. Pozostałą część zapewnia system solarny umieszczony na dachu hali produkcyjnej, dzięki czemu administracja jest w 100 % niezależna energetycznie. dr inż. arch. Magdalena Muszyńska-Łanowy Politechnika Wrocławska Bibliografia: [1] Geyer D.: Thin Film Applications for BIPV, International Workshop on BIPV, Nice 2008 [2] Hagemann I.B.: Gebäudeintegrierte Photovoltaik. Architektonische Inte gration der Photovoltaik in die Gebäudehülle, Müller, Köln 2002 [3] Prasad D., Snow M. (eds.): Designing with solar power. A Source Book for Building Integrated Photovoltaics (BIPV), Images Publishing, Mulgrave, Earth scan, London, Sterling 2005 [4] http://bipv-cis.info [5] www.detail.de [6] www.epia.org [7] www.pvaccept.de [8] www.q-cells.com [9] www.sulfurcell.com [10] www.wuerth-solar.de

9


Magdalena Muszyńska-Łanowy

Rewolucja w materiałach solarnych – białe moduły fotowoltaiczne Kolor musi być elementem architektonicznym (Jean Nouvel) Energia słoneczna uznawana jest w wielu krajach za najbardziej obiecujące źródło energii odnawialnej. W rezultacie w ostatnich latach na budynkach pojawia się coraz więcej modułów fotowoltaicznych. Pomimo rozwoju specjalistycznej technologii BIPV (ang. Building Integrated Photovoltaics) wizualny aspekt instalacji solarnych jest wciąż mało satysfakcjonujący. Generujące energię elektryczną urządzenia często nie współistnieją dobrze z kontekstem architektoniczno-budowlanym. Umiejętna integracja paneli fotowoltaicznych powinna brać pod uwagę nie tylko kwestie techniczne, ale też funkcjonalne i estetyczne.

Estetyka BIPV Architektoniczna integracja fotowoltaiki jest w znacznym stopniu ograniczona estetyką dostępnych urządzeń. Co prawda, rynek materiałów solarnych oferuje z roku na rok coraz większy wybór produktów zróżnicowanych pod kątem wielkości, kształtu, koloru czy efektywności energetycznej, ale niewiele z nich jest projektowanych specjalnie dla integracji z budynkiem. Nie zawsze też wykorzystywane są odpowiednie elementy – źle dobrane do projektu architektonicznego materiały PV/BIPV negatywnie wpływają na efektywność i wygląd instalacji fotowoltaicznej oraz całego budynku. Może to być skutkiem braku wiedzy i umiejętności projektantów lub wykonawców, trzeba jednak podkreślić, że istotną rolę odgrywa tu kwestia kosztów. W porównaniu do wykonywanego na zamówienie, odpowiednio skonfigurowanego szkła BIPV standardowe moduły PV są tańsze i łatwiej dostępne. Niestety dają znacznie mniej możliwości, jeśli chodzi o wybór i dopasowanie parametrów. W przypadku integracji z powłoką budynku kolor oraz struktura użytych materiałów mają ogromne znaczenie dla wizualnego aspektu całości. Charakterystyczna estetyka instalacji solarnych raczej nie wzbudza powszechnej akceptacji w środowisku architektów. Typowy wygląd paneli fotowoltaicznych to mniej lub bardziej widoczna, regularna siatka ciemnoniebieskich bądź czarnych ogniw i srebrnych kontaktów elektrycznych (fot. 1). Ponieważ moduły PV uważane są w pierwszej kolejności za urządzenia techniczne służące do konwersji

10

Fot. 1. Standardowy wygląd modułu fotowoltaicznego z ciemnoniebieskimi ogniwami z krzemu monokrystalicznego. Regularny układ połączonych ze sobą ogniw i siatka srebrnych kontaktów elektrycznych tworzą charakterystyczny wzór (fot. M. Muszyńska-Łanowy)

energii, w większości zbudowane są tak, aby optymalnie wykorzystać promieniowanie słoneczne. Dlatego ze względów praktycznych najczęściej stosuje się ogniwa w kolorach ciemnych (dobrze pochłaniających światło). Dla wielofunkcyjnych systemów BIPV, szczególnie w przypadku integracji z fasadami, kwestie estetyczne bywają czasami ważniejsze niż maksymalizacja zysków energetycznych. Poja-

wiają się więc także, choć zdecydowanie rzadko, realizacje z użyciem ogniw w innych, jaśniejszych kolorach, takich jak: zielony, fioletowy, szary czy złoty (fot. 2). Zmiana koloru ogniw (krystalicznych), uzyskiwana poprzez nałożenie dodatkowej warstwy antyrefleksyjnej, wiąże się z obniżeniem sprawności energetycznej oraz wysokimi kosztami. Częściej dla uzyskania innego efektu wizualnego wykorzystuje się zatem tylną warstwę obudowy modułu, można ją bowiem dowolnie kształtować – użyć kolorowego materiału, pokryć sitodrukiem itd. Rezultat widoczny jest od wnętrza budynku lub z zewnątrz w wolnej przestrzeni pomiędzy rozstawionymi ogniwami. Ciemne i zimne kolory konwencjonalnych modułów fotowoltaicznych w wielu wypadkach zbyt mocno rzucają się w oczy, tym bardziej, gdy funkcjonują one w sąsiedztwie innych materiałów, takich jak cegła, kamień beton czy drewno. Między innymi dlatego tak duży jest wciąż opór przed wprowadzaniem fotowoltaiki do obiektów historycznych. Szczególnie „krzykliwy” wygląd cechuje niebiesko-srebrne panele z ogniwami polikrystalicznymi, w których wyraźnie widoczna struktura kryształów z bliska wręcz migocze w słońcu (fot. 3). W wielu

Fot. 2. Wentylowana fasada BIPV z kolorowymi ogniwami krystalicznymi, Solardecathlon 2010 (fot. http:// www.ctr.at)

WYDANIE SPECJALNE


Rewolucja w materiałach solarnych – białe moduły fotowoltaiczne

Fot. 3. Typowe moduły PV z ogniwami z krzemu polikrystalicznego na fasadzie budynku przemysłowego, Gelsenkirchen (fot. M. Muszyńska-Łanowy)

wypadkach dla integracji z budynkiem pożądane są bardziej homogeniczne i neutralne odcienie materiałów. Stąd też – z punktu widzenia estetyki – architekci preferują raczej materiały cienkowarstwowe, bardziej jednolite, najlepiej w kolorze szarym lub czarnym, takie jak ogniwa z selenku indowo-miedziowego (CIS). Ich użycie pozwala w pewnym sensie ukryć instalację solarną – z większej odległości generujące energię panele wyglądają w zasadzie tak samo, jak kolorowe szkło budowlane (fot. 4). Wg różnych badań, m.in. prowadzonych przez EPFLLESO 1) architekci potrzebują większej wolności projektowej. Chcą mieć szerszy niż dotychczas wybór, jeśli chodzi o kolorystykę, strukturę i teksturę (a także poziom transparentności) modułów fotowoltaicznych [5]. Rezultaty postępu technologicznego w dziedzinie materiałów PV/BIPV są doprawdy zaskakujące. Odczuwający niedosyt i sceptyczni wobec technologii fotowoltaicznej projektanci powinni dziś zacierać ręce – pod koniec października 2014 r. w szwajcarskim centrum badawczo-rozwojowym CSEM (Centre Suisse d’Electrique et de Microtechnique) zaprezentowano pierwsze na świecie białe panele solarne (fot. 5, 6).

Fot. 4. Okładzina elewacyjna z czarnych modułów cienkowarstwowych CIS, Berlin Adlershof (fot. M. Muszyńska-Łanowy)

taiczne, w dodatku efektywne energetycznie roześmiał się, myśląc że to żart [6]. Badacze z Centrum Fotowoltaiki CSEM od lat działają na polu BIPV i BAPV (Building Applied PV) opracowując nowej generacji elementy fotowoltaiczne, specjalnie dla integracji architektonicznej. Ich celem jest, m.in., zapewnienie projektantom wielofunkcyjnych i estetycznie zadowalających produktów, zróżnicowanych pod względem kolorystycznym, wygodnych w użytkowaniu, niezawodnych a przy tym o niewygórowanych cenach. Architekci od dawna zwracali uwagę na niedostatek materiałów fotowoltaicznych w jasnych kolorach, które mogłyby się lepiej integrować ze strukturą budynku, w sposób bardziej dyskretny. Ich potrzeby wydawały się być jednak sprzeczne z zasadami fotowoltaiki. Zdecydowana większość modułów (ogniw) solarnych ma ciemny kolor z uwagi na konieczność maksymalizacji absorpcji promieniowania słonecznego, co przekłada się bezpośrednio na wzrost sprawności energetycznej systemu PV. Ponieważ jasne kolory odbijają

większość światła, pomysł stworzenia białych paneli, o których mówili architekci, z początku rozśmieszył badaczy CSEM [6]. Koncepcja ta okazała się jednak całkiem sensowna i co najważniejsze – możliwa do zrealizowania. Wg słów dr Laure-Emmanuelle Perret-Aebi cały sekret tkwi w opracowanej przez CSEM innowacyjnej technologii. Jednym z jej elementów są ciemnoniebieskie ogniwa z krzemu monokrystalicznego o dużej czułości na promieniowanie podczerwone. Nowością jest nałożenie na nie warstwy białego polimeru o szczególnych właściwościach selektywnych. Ta nanopowłoka przepuszcza promieniowanie podczerwone, które docierając do ogniw PV ulega konwersji w energię elektryczną, natomiast odbija całe spektrum widzialne w postaci światła rozproszonego. W ten sposób na bazie standardowych ogniw krystalicznych możliwe jest wyprodukowanie modułów w różnych kolorach, nawet tak jasnych jak biały. Nanotechnologiczną warstwę można zintegrować z już istniejącymi modułami lub dodać w trakcie

Innowacyjna technologia O nowatorskiej technologii badacze mówią śmiało: to nie innowacja, to prawdziwa rewolucja. Choć moduły fotowoltaiczne w kolorach innych niż ciemnoniebieski i czarny istniały od lat, kolor biały wydawał się dotąd nieosiągalny. Ekipa CSEM z prof. Christophem Ballifem na czele potrzebowała dwóch lat pracy w laboratorium, aby dokonać tego, co uznawano za niemożliwe. Dyrektor generalny Mario ElKhoury przyznał, iż jemu samemu trudno było w to wszystko uwierzyć: na wieść o tym, że udało się wyprodukować białe moduły fotowol-

1)

École Polytechnique Fédérale de Lausanne - Laboratoire d’Energie Solaire et de Physique du Bâtiment.

Fot. 5. Ekipa CSEM z Neuchâtel prezentuje pierwszy na świecie biały panel solarny (fot. CSEM, www.csem.ch)

Fotowoltaika w architekturze

11


Magdalena Muszyńska-Łanowy

Fot. 6. Dyrektor generalny CSEM Mario El-Khoury i dr Laure-Emmanuelle Perret-Aebi (fot. CSEM, www.csem.ch)

produkcji nowych elementów. Co jest ważną zaletą dla zastosowań architektonicznych – nie ma znaczenia kształt modułu. Może on być płaski lub zakrzywiony. Być może w przyszłości, jak przewiduje dr Perret-Aebi, będzie można kupić sobie swój własny rulon kolorowej nanopowłoki, aby zintegrować ją ze standardowym modułem fotowoltaicznym [4, 6]. Już na początku sprawność energetyczna modułów osiągnęła wysoki poziom 10%. Jest to co prawda o kilka procent mniej w porównaniu do wydajności konwencjonalnych materiałów (~18 % dla c-Si), jednak, jak przekonują szwajcarscy badacze, niższą efektywność zrekompensuje wszechstronność i wielofunkcyjność materiałów BIPV. Nowatorski produkt powinien zostać skomercjalizowany w 2015 r. Projekt został już przekazany do szwajcarskiego partnera przemysłowego CSEM. Obiecująco wygląda kwestia kosztów produkcji solarnych paneli – wg aktualnych informacji przewiduje się 150-200 franków szwajcarskich za metr kwadratowy w porównaniu do 100-150 za klasyczne niebieskie moduły PV [4, 5, 6].

Fot. 7. Prof. Christophe Ballif i dr Laure-Emmanuelle Perret-Aebi pokazują przykłady kolorystyki innowacyjnych modułów fotowoltaicznych (fot. CSEM, www.csem.ch)

ku. Dzięki temu duża ilość niewykorzystanych powierzchni, szczególnie fasad, które do tej pory pozostawały nieaktywne, będzie mogła w sposób dyskretny generować czystą energię elektryczną. Homogeniczny wygląd paneli i możliwość nadania im pożądanego koloru to cechy szczególnie korzystne dla zastosowań w środo-

Biały jest cool Slogan white is cool to gra słów odnosząca się nie tylko do specyficznego wyglądu minimalistycznych i eleganckich paneli (fot. 10). Bardzo ważną zaletą białych materiałów jest fakt, iż odbijając światło widzialne w trakcie funkcjonowania nie nagrzewają się one tak mocno, jak ciemne. Dzięki temu, jak twierdzą badacze CSEM, moduły będą mogły pracować w temperaturach średnio 20-30oC niższych niż konwencjonalne ciemnoniebieskie czy czarne. Współczesna architektura kładzie coraz większy nacisk na energooszczędność i samowystarczalność. Białe panele solarne wydają się być szczególnie interesujące i obiecujące dla zasto-

Nowa estetyka Nanotechnologiczna skóra paneli CSEM może mieć dowolny kolor (fot. 7, 8) a nawet rysunek czy logo (fot. 10). Prezentując innowacyjną technologię skupiono się głównie na białych modułach, ponieważ uzyskanie tego koloru w przypadku materiałów fotowoltaicznych wydawało się dotąd niewykonalne. Wizualny aspekt modułów jest rzeczywiście zadziwiający, całkowicie odmienny od tego, co istniało do tej pory. Gładkie, jednolite panele bez widocznego podziału na ogniwa czy kontakty elektryczne są eleganckie i minimalistyczne (fot. 9). Wyglądają jak duża kartka białego papieru pod szklaną pokrywą ochronną [7]. Panele CSEM zaprojektowano specjalnie dla zastosowań architektonicznych, z myślą o tym, by stanowiły integralny komponent skóry budyn-

12

wisku miejskim, w sąsiedztwie innych obiektów, a także w przypadku budynków zabytkowych. Naturalnie, aby funkcjonować jak prawdziwy materiał budowlany panele BIPV muszą być trwałe, bezpieczne, spełniać wszelkie wymagane normy i standardy. Wg dr Laure-Emmanuelle Perret-Aebi technologia, która została specjalnie zaprojektowana by ułatwić integrację z budynkiem, umożliwia dostosowanie do przepisów danego kraju [4].

Fot. 8. Kolorowe panele solarne CSEM (fot. CSEM, www.csem.ch)

Fot. 9. Prof. Christophe Ballif z białym modułem fotowoltaicznym (fot. CSEM, www.csem.ch)

WYDANIE SPECJALNE


Rewolucja w materiałach solarnych – białe moduły fotowoltaiczne go dwutlenku węgla do atmosfery oraz wielomilionowe oszczędności w skali roku.

Fot. 10. Białe panele solarne CSEM (fot. CSEM, www.detail.de)

sowań w budynkach. Tego rodzaju materiały będą bowiem mogły znacząco przyczynić się do zwiększenia efektywności energetycznej nie tylko poprzez generowanie czystej elektryczności, ale i dzięki temu, że nie będą nadmiernie nagrzewać wnętrza. Pozwoli to zredukować zapotrzebowanie na energię zużywaną przez systemy klimatyzacji (nawet o 30%), a to z kolei przekłada się na ograniczenie emisji szkodliwe-

Biały (kolor elegancji i świeżości), jest bardzo powszechny w architekturze, np. w krajach śródziemnomorskich. CSEM przewiduje skupienie się na rynku BIPV Stanów Zjednoczonych, gdzie w wielu miastach w celu odbicia promieni słonecznych i uniknięcia magazynowania ciepła maluje się na biało duże powierzchnie dachów. Dzięki innowacyjnym panelom solarnym być może w przyszłości te wielkie powierzchnie będą też jednocześnie generowały energię [4, 5, 6].

Podsumowanie Panele CSEM są proste, adaptowalne, niedrogie i estetyczne. Głównym celem dla innowacyjnej technologii jest światowy rynek BIPV, ale w perspektywie długoterminowej przewidywane jest również wykorzystanie materiałów w produktach konsumpcyjnych,

elektronice (komputery przenośne) oraz w przemyśle motoryzacyjnym [4]. BIPV zajmują wciąż niszową pozycję na rynku fotowoltaiki. Od pewnego czasu analitycy przewidywali, iż w najbliższym czasie dojdzie do gwałtownej „eksplozji” w tym sektorze dzięki produktom nowej generacji, których właściwości pozwolą na wykorzystanie ich w zupełnie nowy, niewyobrażalny dotąd sposób. Czyżby nadchodził właśnie koniec dominacji niebiesko-srebrnych modułów? Jeśli tak, projektanci odetchną z ulgą. dr inż. arch. Magdalena Muszyńska-Łanowy Politechnika Wrocławska Bibliografia: [1] Muszyńska-Łanowy M.: Ekologia dla oczu. Estetyka powłoki BIPV. Cz.1, „Świat Szkła” 7-8/2011 [2] Muszyńska-Łanowy M.: Ekologia dla oczu. Estetyka powłoki BIPV. Cz.2, „Świat Szkła” 9/2011 [3] Muszyńska-Łanowy M.: Fotowoltaika w kolorze, „Świat Szkła” 4/2011 [4] www.csem.ch [5] www.epfl.ch [6] www.rts.ch [7] http://www.solarserver.com

Należy jednak pamiętać, iż szkło fotowoltaiczne jest zazwyczaj grubsze i cięższe od konwencjonalnego, do tego dochodzą wymogi związane ze sprawnym funkcjonowaniem systemu solarnego oraz kwestie bezpieczeństwa. Połączenie tradycyjnych i nowoczesnych, zaawansowanych technologicznie elementów w jedną sprawnie funkcjonującą całość pozwala nie tylko spełniać wiele różnych zadań, ale i oszczędzić koszty, materiały oraz energię. Ze wszystkich budowlanych produktów BiPV, szkło zintegrowane z ogniwami fotowoltaicznymi jest jak dotąd najbardziej wielofunkcyjnym materiałem. dr inż. arch. Magdalena Muszyńska-Łanowy Politechnika Wrocławska

dokończenie ze s. 5

Bibliografia:

Fot. 12. Arch Aluminium & Glass, Tamarac. Transparentne i nieprzezroczyste panele szklane z ogniwami Konarka Power Plastic® testowane jako integralny komponent okien i ścian kurtynowych (www.archithings.com/search/solar+technology)

integracji z budynkiem o nazwie Active Solar Glass® (ASG). Innowacyjne szkło fotowoltaiczne z dwustronnymi, wysoce efektywnymi ogniwami plastikowymi miałoby zapewnić niespotykaną dotąd transparentność i możliwości kolorystyczne [6]. W 2009 na Florydzie ruszył pilotażowy projekt pierwszej ściany kurtynowej z wykorzystaniem tego materiału (fot. 12).

We współczesnej architekturze nowoczesne szkło budowlane znajduje coraz szersze

zastosowanie. BiPV stanowią interesującą alternatywę dla konwencjonalnych materiałów – dzięki nim szklana powłoka zyskuje zdolność generowania energii elektrycznej, optymalizuje komfort wnętrza poprzez kontrolę oświetlenia, widoczności i przepływu energii cieplnej, nabierając przy tym nowych wartości estetycznych. Materiały BiPV, ze względu na swój modularny charakter, kształty, wymiary i strukturę porównywalną do zwykłego szkła budowlanego, mogą być użyte w większości standardowych systemów konstrukcyjnych.

Fotowoltaika w architekturze

[1] Hagemann I.B.: Gebäudeintegrierte Photovoltaik. Architektonische Integration der Photovoltaik in die Gebäudehülle, Müller, Köln 2002. [2] KISS AND CATHCART ARCHITECTS: Transparent Building-Integrated PV Modules, National Renewable Energy Laboratory, DOE/GO/10262-T1, Golden 1998. [3] Kiss G., Kinkead J.: Optimal Building-Integrated Photovoltaic Applications, National Renewable Energy Laboratory, NREL/TP-472-20339, Golden 1995. [4] Perlin J.: From space to earth: the story of solar electricity, Harvard University Press, Cambridge, London 2002. [5] Prasad D., Snow M. (eds.): Designing with solar power. A Source Book for Building Integrated Photovoltaics (BIPV), Images Publishing, Mulgrave, Earthscan, London, Sterling 2005. [6] www.archaluminum.net [7] www.saint-gobain-glass.com [8] www.schott.com [9] www.sunovation.de

13


Magdalena Muszyńska-Łanowy

BIPV – fotowoltaika zintegrowana z budynkiem „Wyobraź sobie miasto, w którym okna, fasady i świetliki generują energię bezpośrednio ze światła słonecznego. Bez hałasu. Bez wizualnego oddziaływania. Bez emisji dwutlenku węgla…” (MSK). Nowy trend Nowe strategie kształtowania architektury są próbą znalezienia równowagi między potrzebami rozwijającej się cywilizacji, postępem technologii a ochroną środowiska. Wyzwanie dla projektantów polega na tworzeniu obiektów funkcjonalnych, ekonomicznych, estetycznych oraz komfortowych bez destrukcji natury i destabilizacji procesów w niej zachodzących. We współczesnych budynkach szczególną rolę odgrywają zewnętrzne przegrody. Wysokiej jakości, efektywne i wielofunkcyjne struktury kształtowane są w oparciu o szereg zaawansowanych technologii. Jedną z nich jest fotowoltaika (PV) – innowacyjna technologia solarna. Systemy fotowoltaiczne wykorzystują darmowe, niewyczerpalne w skali ludzkiej promieniowanie słoneczne, przekształcając je w energię elektryczną w sposób bezpośredni, cichy i

Fot. 1. VIDURSOLAR – szklany moduł PV do zastosowań budowlanych [fot. VIDUR, www.vidursolar.com]

14

bez zanieczyszczeń. Zintegrowane z powłoką budynku, w postaci materiałów zwanych BiPV (ang. Building Integrated Photovoltaics), stanowią istotny element holistycznej koncepcji kształtowania nowoczesnej, przyjaznej dla środowiska i użytkownika architektury. Wprowadzenie fotowoltaiki do środowiska budowlanego rozszerza ideę efektywności energetycznej z minimalizacji zużycia energii do wykorzystania aktywnych systemów, dzięki którym obiekty przechodzą z pozycji obciążającego środowisko konsumenta do roli producenta energii. Dodatkowo, bezpośrednia integracja modułów PV sprawia, że skóra budynku staje się złożonym, aktywnym i adaptacyjnym systemem. Nowoczesna instalacja BiPV nie jest więc wyłącznie generatorem zielonej elektryczności. Dla architekta staje się ważnym elementem kształtującym powłokę budynku – estetyczną i funkcjonalną przegrodę między strefą zewnętrzną a wewnętrzną, dla konstruktora – obciążeniem wymagającym struktury nośnej, dla inżyniera natomiast elektronicznym systemem [2]. Integracja fotowoltaiki to niełatwy do osiągnięcia kompromis pomiędzy techniką energetyki solarnej, techniką budowlaną i organizacją funkcjonalno-przestrzenną. Do tego trzeba dodać kwestie estetyczne, finansowe, prawne, lokalizacyjne i wiele innych. Złożony proces wymaga zaangażowania i ścisłej współpracy specjalistów z różnych dziedzin. Bazowym elementem do zastosowań budowlanych jest wystawiony na działanie światła słonecznego moduł fotowoltaiczny – hermetyczna „kapsuła” z fotoogniwami zamkniętymi w specjalnej obudowie dla ochrony przed uszkodzeniami mechanicznymi, korozją i warunkami atmosferycznymi. Połączone ze sobą moduły (tzw. panele PV) wraz z dodatkowymi elementami dla transportu i konwersji energii elektrycznej, ewentualnie strukturami mocującymi, tworzą kompletny system (generator) fotowoltaiczny. Fotowoltaika jest jedyną technologią odnawialnych źródeł energetycznych, której urządzenia można wyprodukować w postaci elementów trwale zintegrowanych z konwencjonalnym materiałem budowlanym. Rezultatem jest innowacyjny, wielofunkcyjny produkt BiPV łączący tradycyjne techniki konstrukcyjne ze

światem zaawansowanych technologii i ochrony środowiska. Jako integralny komponent powłoki budynku generuje energię elektryczną, przejmując jednocześnie dodatkowe funkcje: zabezpiecza strefę wewnętrzną, chroni przed warunkami atmosferycznymi, reguluje przepływ energii przez przegrodę, kształtuje jej estetykę. Na rynku komercyjnym BiPV dostępne są w szerokiej palecie produktów. Masowo wytwarzane są moduły standardowe (najbardziej powszechne i najtańsze) oraz specjalne, takie jak szklane moduły do zastosowań budowlanych (fot. 1), dachówki, moduły o zwiększonej odporności na sól morską itd. Na konkretne zamówienie powstają materiały specjalistyczne o indywidualnie dopasowanych parametrach. Niezależnie od użytych materiałów sprawą pierwszej wagi dla każdego systemu BiPV jest maksymalizacja zysków światła słonecznego. Niezbędna dla sprawnego i efektywnego funkcjonowania instalacji fotowoltaicznej, wywiera jednocześnie wpływ na architekturę budynku.

Orientacja i nachylenie modułów PV Ilość energii elektrycznej wygenerowanej przez system BiPV zależy bezpośrednio od orientacji i nachylenia modułów PV względem Słońca. Optymalną orientacją jest ustawienie w kierunku równika, ale niewielkie odchylenia w kierunku zachodnim lub wschodnim będą również korzystne. Powierzchnia recepcyjna powinna być dodatkowo odpowiednio nachylona dla maksymalnego wykorzystania padającego prostopadle promieniowania bezpośredniego. Parametry dla ustawienia modułów zależą od lokalizacji systemu BiPV – szerokość geograficzna wpływa na zyski z energii solarnej, dlatego pomiędzy Europą północną a południową można zauważyć istotną różnicę (im większa szerokość geograficzna, tym szerszy zakres korzystnych kątów nachylenia). Przyjmuje się, że optymalny kąt nachylenia generatora PV powinien odpowiadać szerokości geograficznej miejsca lokalizacji obiektu. Wskutek ruchu Słońca zyski energii ulegają zmianom w cyklu dobowym i sezonowym. Optymalny kąt nachylenia powiązany jest zatem ze zmianą wysokości Słońca nad horyzontem – im większy kąt nachylenia po-

WYDANIE SPECJALNE


BIPV – fotowoltaika zintegrowana z budynkiem wierzchni recepcyjnej do płaszczyzny Ziemi, tym większe zyski nastąpią w porze zimowej, a mniejsze latem (tzn. zimą instalacje fasadowe mogą funkcjonować efektywniej niż instalacje na płaskich dachach). Korzystnym rozwiązaniem jest zastosowanie systemu podążającego za ruchem Słońca – np. w postaci obracanych osiowo ruchomych żaluzji BiPV.

Cień Zacienienie aktywnej powierzchni modułów PV, nawet niewielkie, może istotnie wpłynąć na redukcję produkowanej energii, jest też niebezpieczne dla urządzeń systemu fotowoltaicznego, dlatego należy go maksymalnie unikać. We wstępnej fazie planowania powinny być przeprowadzane symulacje komputerowe, które pozwolą oszacować ryzyko oraz określić ilość cienia w cyklu dobowym i sezonowym. Projektując instalację fotowoltaiczną należy zwrócić uwagę na sąsiedztwo innych budynków, elementów budowlano-konstrukcyjnych, zewnętrzne instalacje techniczne (systemy wentylacji, kominy, przewody) a także budowę i formę samej struktury BiPV - cień mogą rzucać np. elementy konstrukcji słupowo-ryglowej. W przypadku elementów o różnym nachyleniu (zadaszeń, lameli przeciwsłonecznych, szedów) konieczne jest zachowanie odstępu pomiędzy nimi. Zieleń należy projektować w odpowiedniej odległości od budynku i z uwzględnieniem zmian związanych z porami roku. Zabrudzenie powierzchni recepcyjnej (kurz, cząstki, liście itp.) może skutkować redukcją zysków energetycznych rzędu 10%, niekorzystne jest też zaleganie śniegu. W tym wypadku najlepiej sprawdzą się duże powierzchnie gładkich, szklanych modułów bez obramowania. Struktury nachylone (np. szklane fasady BiPV) same oczyszczają się podczas deszczu.

growane moduły PV, oraz znajdujących się w ich bezpośrednim sąsiedztwie. Wzrost temperatury może być też niekorzystny z punktu widzenia komfortu i energooszczędności budynku. Promieniujące z nagrzanej przegrody ciepło może pogorszyć warunki klimatu w pomieszczeniu i pociągać za sobą konieczność chłodzenia, co z kolei wymaga zużycia dodatkowej energii. Odpowiednia konstrukcja przegrody zapewniająca wentylację (chłodzenie) modułów pozwala zredukować problem. Fizyczna integracja systemu fotowoltaicznego polega na połączeniu pewnych jego komponentów ze strukturą budynku. Metod i możliwości jest wiele, wszystkie jednak wiążą się z wyborem odpowiedniej powierzchni na zewnątrz obiektu. Generalnie miejscem dla instalacji może być każda powierzchnia odpowiednio wystawiona na bezpośrednie promieniowanie słoneczne. W praktyce niektóre fragmenty budynku nadają się do tego szczególnie: • dachy – płaskie i pochylone; • ściany – elewacje pionowe, nachylone, zakrzywione; • struktury specjalnej funkcji – zintegrowane z zewnętrzną przegrodą dodatkowe elementy, tj. balustrady, • zadaszenia, systemy zacieniające, markizy, ekrany, itp. Wg badań przeprowadzonych w ramach programu IEA PVPS Task VII (International Energy Agency Photovoltaic Power Systems Programme) w większości budynków na 100 m2 powierzchni przyziemia odpowiednie dla integracji z systemem fotowoltaicznym będzie około 15 m2 elewacji i 40 m2 dachu [2].

Dachy W 1980 na zlecenie Massachusetts Institute of Technology (MIT) powstał Carlisle House – pierwszy budynek, w którym system PV stanowił zaplanowany element architektoniczny. W tym wypadku moduły fotowoltaiczne zamocowano na specjalnych stojakach nad istniejącym dachem [3]. Trzy lata później w Solar Electric House w Brooklynie całkowicie zastąpiono nimi konwencjonalne pokrycie. Sukces innowacyjnego rozwiązania pociągnął za sobą kolejne realizacje. Instalacje dachowe do dziś stanowią zdecydowaną większość systemów BiPV. Systemy prawdziwie zintegrowane ze strukturą dachu, tzn. o funkcji pokrycia dachowego, mają mniejszy ciężar, nie są tak widoczne i lepiej komponują się z architekturą budynku. Wymagają dokładnego zaprojektowania i dostosowania odpowiedniego rozwiązania (systemu mocującego, wielkości elementów, rodzaju materiału i jego parametrów, itd.) oraz starannej instalacji dla uniknięcia problemów związanych z obciążeniem, penetracją w strukturze dachu, konserwacją i naprawami. W przypadku dachów spadzistych odpowiednio nachylona konstrukcja, zorientowana najlepiej w kierunku południowym, od razu stanowi platformę nośną dla instalacji BiPV. Takie rozwiązanie jest często stosowane w budownictwie mieszkaniowym. W obiektach przemysłowych można wykorzystać do tego celu dachy szedowe (fot. 2). Wówczas od strony północnej zwykłe przeszklenie doświetla wnętrze, natomiast od strony południowej, zazwyczaj optymalnie nachylonej, umieszczane są moduły fotowoltaiczne. Dla aplikacji fotowoltaiki odpowiednie będą także różnego kształtu świetliki. Częściowo

Temperatura Ogniwa PV pracują zazwyczaj w zdecydowanie wyższych temperaturach niż standardowo przyjęte dla nich +25°C. Najbardziej korzystne warunki nasłonecznienia w okresie letnim wiążą się z większymi temperaturami powietrza. Dodatkowo, niezależnie od warunków atmosferycznych, podczas konwersji fotowoltaicznej produktem ubocznym jest pewna ilość energii cieplnej. Wzrost temperatury jest odwrotnie proporcjonalny do sprawności ogniw – zbyt wysoka temperatura operacyjna modułów PV jest niekorzystnym zjawiskiem i może prowadzić do spadku wydajności całej instalacji. Problem nagrzewania się modułów PV jest szczególnie ważny w przypadku integracji z powłoką. Pociąga za sobą wzrost temperatury samej przegrody, dlatego niezbędne jest zwrócenie uwagi na rozszerzalność termiczną materiałów budowlanych, z którymi zostaną zinte-

Fot. 2. Szedy BiPV - fabryka mebli VS, Tauberbischofsheim [fot. Tauber-Solar Management GmbH, http://www.pvdatabase.org]

Fotowoltaika w architekturze

15


Magdalena Muszyńska-Łanowy

Fot. 3. SMA Solar Technologie AG, Niestetal [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

transparentne materiały BiPV przepuszczają światło dzienne pozwalając kontrolować oświetlenie wnętrza, jednocześnie chronią od przegrzania i olśnienia. Analogicznie jest w przypadku różnej konstrukcji dachów szklanych (atria, szklane hale). Zazwyczaj projektowane są one w postaci szkieletowej struktury metalicznej lub drewnianej, której konwencjonalne wypełnienie można zastąpić szklanym modułem PV (fot. 3, 4). Dobrym miejscem dla dachowych instalacji fotowoltaicznych są tzw. „blaszane pudełka” – typowe hale industrialne z płaskim przekryciem (fabryki, magazyny, centra komercyjne, logistyczne). Na rozległych, zazwyczaj dobrze nasłonecznionych i niewykorzystanych do innych celów płaszczyznach instalowane są nawet dziesiątki tysięcy modułów PV, które generują megawaty zielonej energii. Nieustannie odnotowuje się kolejne rekordy wielkości systemów – w 2008 na dachu fabryki w Figueruelas (Saragossa) General Motors zakończyła instalację składającą się z ponad 85 000 paneli PV o łącznej mocy 11,8 MWp.

Ściany Zewnętrzne ściany budynku wykorzystywane zdecydowanie rzadziej niż płaszczyzny dachowe, oferują zwracający uwagę potencjał. Najbardziej widoczne dla obserwatora, wykorzystywane są często do celów reklamowych, edukacyjnych czy promocyjnych. Techniczne oraz estetyczne wymagania dla tego typu rozwiązań są szczególnie wysokie. Wśród aktualnych możliwości konstrukcyjnych i dostępnych na rynku systemów fasadowych praktycznie większość nadaje się do integracji z modułami PV. Możliwości jest wiele – odpowiednie będą zarówno nieprzeźroczyste, jak i przepuszczające światło przeszklone fragmenty elewacji (fot. 5). Duże, nawet całe powierzchnie ścian lub mniejsze części: na przykład w postaci pasów międzyokiennych,

16

Fot. 4. Akademia Mont-Cenis, Herne [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

Fot. 5. Szklana elewacja BiPV – Akademia MontCenis, Herne [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

poszczególnych elementów okładziny (fot. 6) czy okien. Ogólnie struktury BiPV można podzielić na konstrukcje wentylowane (fasady zimne), niewentylowane (fasady ciepłe) oraz mieszane. Fasady zimne nadają się idealnie do zastosowania modułów PV, szczególnie tych z krzemu krystalicznego (ogniwa c-Si). Element BiPV tworzy zewnętrzną warstwę okładziny, która chroni od czynników klimatycznych i nadaje budynkowi wyraz estetyczny nie pełniąc przy tym funkcji nośnej, ani izolacyjnej. Pustka pomiędzy okładziną a warstwą izolacji termicznej zapewnia cyrkulację powietrza korzystną dla wydajnego funkcjonowania modułów PV. Okablowanie elektryczne umieszczane jest w kanałach pomiędzy elementami konstrukcji fasady (najczęściej przy izolacji termicznej). Tzw. ciepła fasada tworzy powłokę budynku łączącą w sobie funkcję ochrony od klimatu, akustyki, izolacji termicznej. Ponieważ struktu-

ra nie jest wentylowana, dla integracji z fotowoltaiką najbardziej korzystne będą mniej wrażliwe na wysokie temperatury materiały cienkowarstwowe (ogniwa a-Si, CIS, CdTe). Ciepłe fasady BiPV mogą być nieprzezroczyste lub częściowo transparentne. Okablowanie ukrywane jest pod listwami maskującymi, lub chowane w profilach konstrukcyjnych. W strukturach mieszanych – fasadach ciepło-zimnych – moduły PV mogą być użyte na wiele sposobów zarówno w części wentylowanej, jak i niewentylowanej. W fasadach podwójnych z kolei można je wykorzystać dodatkowo w roli systemu zacieniającego. Niezależnie od wyboru metody integracji zastosowanie systemu BiPV na elewacjach wymaga przede wszystkim wykorzystania do tego celu ścian odpowiednio zorientowanych względem kierunków świata, tzn. optymalnie na południe. Trzeba pamiętać, że ściany są bardziej niż dachy podatne na niekorzystne efekty zewnętrzne, takie jak zacienienie od

Fot. 6. ThyssenKrupp Xervon, Gelsenkirchen [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

sąsiednich obiektów, zieleni, itd. Typowe, pionowe płaszczyzny ścian nie są idealnie ustawione względem promieni słonecznych, jednak w przypadku systemów BiPV zastępujących konwencjonalne materiały budowlane, wada ta jest kompensowana możliwością przejęcia przez moduły PV wielu dodatkowych funkcji typowych dla zewnętrznej przegrody.

WYDANIE SPECJALNE


BIPV – fotowoltaika zintegrowana z budynkiem Szczególnie korzystne dla zaimplementowania BiPV są różnego rodzaju systemy zacieniające, instalowane nad otworami okiennymi, na przeszklonych fasadach, w atriach, szklanych dachach itp. Odpowiednie będą struktury o bardzo zróżnicowanej budowie, kształcie i wymiarach, w postaci zadaszeń, markiz, systemów typu brise-soleil, żaluzji czy lameli przeciwsłonecznych. Kombinacja dobrze wyeksponowanego na działanie Słońca systemu zacieniającego (redukującego nagrzewanie wnętrza i oślepianie) z funkcją generatora energii PV jest jak najbardziej logiczna. Dodatkowo, konstrukcje te zapewniają dobrą wentylację tylnej strony nagrzewających się modułów, co skutecznie podwyższa ich efektywność energetyczną.

Fot. 7. Deutsche Solar AG, Freiberg [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

W przypadku, gdy panele PV osadzone są na podkonstrukcji z lekkich profili przytwierdzonych do konstrukcji nośnej, mogą być usytuowane zarówno w sposób równoległy do okładziny elewacyjnej, jak i nachylone pod odpowiednim kątem dla większych zysków z promieniowania (fot. 7). Innym rozwiązaniem jest odpowiednie nachylenie całej konstrukcji fasady (fot. 8). Wówczas pokrywające ją materiały BiPV będą bez dodatkowych zabiegów korzystnie ustawione względem Słońca. Struktury zakrzywione, np. gdy pionowa ściana przechodzi płynnie z elewacji w dach, są również możliwe, choć bardziej skomplikowane ze względu na zmienny kąt nachylenia modułów (fot. 8).

W zależności od funkcji i budowy danego systemu struktury mocowane są od strony zewnętrznej w układzie wertykalnym, horyzontalnym, prostopadle do powłoki lub pod odpowiednim kątem.

Fot. 8. Różne konstrukcje szklanych fasad BiPV – Scheuten Solar, Gelsenkirchen [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

Różnego rodzaju struktury dodane do zewnętrznych ścian budynku mogą być bardzo dobrym miejscem dla modułów PV. Architekci często wykorzystują taką możliwość w projektach nowych obiektów lub dodając tego typu elementy do już istniejących budynków, np. w ramach rewitalizacji zewnętrznej powłoki.

Fotowoltaiczne struktury specjalnej funkcji mogą być nieruchome lub mobilne. W pierwszym wypadku będą to żaluzje o stałym nachyleniu, zadaszenia, ekrany nad otworami okiennymi lub drzwiowymi, które przytwierdzone są do powłoki budynku w celu ochrony od opadów atmosferycznych, zapewnienia prywatności, bezpieczeństwa czy też jedynie ze względów dekoracyjnych. Odpowiednio wyeksponowane moduły PV wykorzystywane są również w roli balustrady (fot. 9).

Fot. 9. Balkony z balustradami BiPV – Ekoviikki [fot. SOLPROS, www.kolumbus.fi/solpros]

Fot. 10. Ruchome lamele przeciwsłoneczne zintegrowane z ogniwami PV – Scheuten Solar, Gelsenkirchen [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

Struktury specjalnej funkcji

Fotowoltaika w architekturze

Systemy ruchome podążające za ruchem Słońca są kosztownym rozwiązaniem, ale z pewnością bardziej efektywnym. Poza generowaniem energii dodatkowo kontrolują nasłonecznienie wnętrza budynku – zapewniają oświetlenie światłem dziennym, chronią od olśnienia, redukują zyski termiczne (fot. 10). Metody integracji szybko ewoluują wraz z postępem zarówno w dziedzinie fotowoltaiki jak i architektury czy konstrukcji budynków. Technologia BiPV przy wzroście ponad 40 % w skali roku jest obecnie najbardziej i najszybciej rozwijającym się segmentem rynku fotowoltaiki [5] i według licznych przewidywań tendencja ta będzie postępować. Specjaliści podkreślają duży potencjał BiPV, co znajduje odzwierciedlenie nie tylko w rozmaitych raportach. W wielu krajach Europy odnotowano w ostatnich latach znaczący wzrost zainteresowania i realizacji. Wynika to m.in. z wprowadzania legislacji faworyzujących bezpośrednią integrację z budynkiem (we Francji korzystne dla BiPV taryfy skupu i sprzedaży energii obowiązują od 2006). Aktualnym liderem na rynku są Niemcy, wyróżniający się największą liczbą specjalistów (instalatorów, projektantów, producentów) oraz najwyższym poziomem wiedzy na temat technologii wśród społeczeństwa. W najbliższych latach szczególnego rozwoju można się spodziewać m.in. w Chinach, Hiszpanii, Francji. Przewiduje się, że sukcesywna integracja fotowoltaiki w środowisko budowlane przyczyni się znacząco do dalszego rozwoju technologii i pomoże redukować aktualne problemy i zagrożenia związane z wyczerpywaniem się zasobów naturalnych, brakiem energii oraz zanieczyszczeniem środowiska. W tym celu niezbędne są jednak aktywne, zakrojone na zdecydowanie większą skalę działania w środowisku specjalistów. dr inż. arch. Magdalena Muszyńska-Łanowy Politechnika Wrocławska Bibliografia: [1] HAGEMANN I.B., Gebäudeintegrierte Photovoltaik. Architektonische Integration der Photovoltaik in die Gebäudehülle, Müller, Köln 2002. [2] PRASAD D., SNOW M. (eds.), Designing with solar power. A Source Book for Building Integrated Photovoltaics (BIPV), Images Publishing, Mulgrave, Earthscan, London, Sterling 2005. [3] REIJENGA T., PV in Architecture, in: HEGEDUS S., LUQUE A. (eds.), Handbook of Photovoltaics Engineering, John Wiley & Sons, New York 2002. [4] STRONG S. J, A new generation of solar electric architecture, 2nd World Solar Electric Buildings Conference, Sydney 2000. [5] www.pv-tech.org

17


Magdalena Muszyńska-Łanowy

Szklane fasady fotowoltaiczne – energooszczędność i komfort Przegrody zewnętrzne budynku w ramach przenikalności dla światła, ciepła, powietrza, a także widoczności muszą być podatne na zmiany i docelowo być sterowalne, aby móc reagować na zmieniające się warunki klimatu lokalnego (Europejska Karta Energii Słonecznej). Fasady współczesnych budynków ewoluują z pasywnych konstrukcji rozdzielających i izolujących wnętrze do aktywnych, kompleksowych struktur. Nową generację tworzą zaawansowane technologicznie powłoki – wielofunkcyjne, elastyczne, zdolne do fluktuacji i adaptacji. Ujmując to w inny sposób: zewnętrzna przegroda budynku jako granica nie jest już tylko fizyczną, materialną powierzchnią, ale systemem o charakterze dynamicznym, w którym zachodzą zmiany [1]. Kryterium wielofunkcyjności i fleksybilności to charakterystyczny trend naszych czasów, w których zdolność do szybkiej transformacji i adaptacji jest wyznacznikiem sukcesu, a często wręcz kwestią „być albo nie być”. Nowoczesna szklana fasada powinna zatem charakteryzować się jednocześnie: • aktywnością – tworzyć opakowanie gwarantujące ergonomię przestrzeni, użyteczność, komfort, elastyczność, • reaktywnością – być zdolna do reakcji na zmiany i potrzeby użytkownika, otoczenia, • interaktywnością – umożliwiać relacje, wymianę, wzajemne powiązania, współpracę. Stworzenie mniej lub bardziej komfortowego i estetycznego pokrycia/ochrony dla użytkowników budynku jest nadal celem podstawowym, jednak coraz częściej szklane przegrody biorą przy tym aktywny udział w realizacji postulatów proekologicznej architektury. Idealny projekt powinien zatem łączyć funkcjonalność i estetykę z efektywnym zarządzaniem zasobami (materiałów i energii), ograniczeniem negatywnych wpływów środowiskowych oraz optymalizacją samopoczucia użytkowników, a wszystko to przy minimalnych kosztach.

Materiały „inteligentne” – szkło BiPV Idea „super fasady”, dynamicznie reagującej, dostosowującej się do zmiennych warunków i potrzeb, od dawna stanowi przedmiot dążeń wielu projektantów. Wizja wszechstronnej struktury spopularyzowana w 1981 przez Mike’a Daviesa wciąż służy im za model (rys. 1). Mimo rozmaitych prób połączenia nowoczesnych technik z aspektami proekologicznymi, estetycznymi oraz ekonomicznymi, idealnej koncepcji jak dotąd nie zrealizowano. Najnowsze tendencje kierują się w stronę coraz bardziej złożonych systemów funkcjonujących w sieci rozmaitych powiązań. Tak kompleksowym wymaganiom nie sposób sprostać bez nieustannych inwencji i innowacji.

18

Rys. 1. Polyvalent wall, Mike Davies 1981. Teoretyczna koncepcja wielowarstwowej, wielofunkcyjnej ściany aktywnej energetycznie, zdolnej samoczynnie dostosowywać parametry do zmieniających się wymagań [rys. www.hi-technik.de]

W tej sytuacji logiczny wydaje się rozwój technologii materiałowych w kierunku bardziej selektywnych i wyspecjalizowanych produktów. Takich, których właściwości dostosować można do projektu, zamiast dopasowywać projekt do statycznych cech materiału. A więc idąc dalej, w pewnym sensie dynamicznych, zdolnych reagować na zmieniające się potrzeby [1]. Dzięki nauce i postępowi technologii nie jest to już wyłącznie futurystyczne marzenie, ale rzeczywistość. W kształtowaniu fasad można wykorzystać to, co do niedawna było zarezerwowane dla wojska czy NASA – zaawansowane inżynierskie materiały zwane „inteligentnymi”. Materiały „inteligentne” pod wpływem bodźca zewnętrznego, w sposób bezpośredni i odwracalny mogą zmieniać jedną lub kilka właściwości (np. szkło fotochromowe, termochromowe, elektrochromowe). W grupie nowoczesnych produktów znajdują się również takie, które są zdolne przekształcić energię z jednej formy w drugą – należą do nich

m.in. materiały fotowoltaiczne (PV). Fotowoltaika to „prawdziwie elegancka metoda” generowania energii elektrycznej na miejscu, bezpośrednio ze Słońca, bez szkody dla środowiska [5]. Dla zastosowań architektonicznych szczególnie interesująca jest technologia BiPV (ang. Building Integrated Photovoltaics) umożliwiająca trwałe połączenie zaawansowanego materiału solarnego z konwencjonalnym tworzywem budowlanym. W rezultacie powstaje innowacyjny, wielofunkcyjny produkt, jak np. szkło fotowoltaiczne (fot. 1). W obliczu aktualnych problemów ekologicznych i wysokich wymagań w stosunku do nowoczesnej skóry budynku jego zastosowanie wydaje się jak najbardziej zasadne. Wg IEA (International Energy Agency) idealny budynek przyszłości będzie posiadał zaawansowaną, inteligentną powłokę, której komponenty, takie jak zintegrowane ogniwa fotowoltaiczne, materiały selektywnie transmitujące energię światła i ciepła itp., polegając na ultraefektywnych rozwiązaniach i nowoczesnych technologiach,

WYDANIE SPECJALNE


Szklane fasady fotowoltaiczne – energooszczędność i komfort

Fot. 1. Szklany moduł Optisol® dla zastosowań budowlanych, prod. SCHEUTEN Solar [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

pozwolą optymalizować konsumpcję energii i generować ją na miejscu [7].

Szklana powłoka jako system energetycznie aktywny Zewnętrzne przegrody coraz aktywniej uczestniczą w przepływie energii pomiędzy różnymi środowiskami, stając się pewnego rodzaju filtrem, zdolnym odpowiednio wykorzystać, a nawet regulować rozmaite warunki i parametry. Analogicznie do skóry żywego organizmu, skóra budynku reaguje na zmiany. Dzięki temu nowoczesny obiekt „oddycha” – dostosowuje się, wykorzystuje naturę i lokalne surowce, konsumuje mniej zasobów [4]. Integracja ogniw fotowoltaicznych zmienia tradycyjną funkcję i sposób postrzegania szklanej struktury. Fasada BiPV przestaje być wyłącznie statyczną, fizycznie i wizualnie zdefiniowaną powierzchnią. Staje się aktywną strefą, miejscem, w którym zachodzą transformacje i interakcje pomiędzy różnymi środowiskami energetycznymi. Odpowiednio ukształtowana, odgrywa istotną rolę w spełnianiu różnych kryteriów architektury proekologicznej: generuje czystą elektryczność, a także reguluje, przepuszcza, zatrzymuje, kontroluje przepływ energii przez przegrodę. Tym samym wpływa na bilans energetyczny i komfort w budynku. Energooszczędność jest jednym z wymagań obowiązujących we współczesnej architekturze. Działania zmierzające do zmniejszenia zużycia konwencjonalnej energii w budynkach wynikają z rosnącej świadomości zagrożeń środowiska, a z punktu widzenia inwestora przekładają się bezpośrednio na obniżenie kosztów. Wg IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) promowanie energooszczędności i użycie nowoczesnych technologii, a także zmiana zachowań użytkowników budynku mogą przyczynić się do istotnej redukcji emisji gazów cieplarnianych. Rezultatem będzie nie tylko polepszenie warunków zewnętrznych, ale także zwiększony komfort oraz korzyści ekonomiczne [8]. Osiągnięcie niskiego zapotrzebowania na energię wiąże się z maksymalizacją zysków energii ze źródeł odnawialnych, minimalizacją

strat energii, oraz optymalizacją komfortu wewnętrznego [3]. Dla zapewnienia odpowiedniej efektywności instalacja BiPV powinna stanowić integralny komponent całego systemu energetycznego budynku, a nie jedynie dodatek czy niezależny element [6]. Nowoczesne technologie instalacyjne często dodawane są do budynku bez związku z projektem fasady i odwrotnie: fasady projektowane są bez wystarczających powiązań z systemami mechanicznymi. Możliwości ich współpracy lub bezpośredniego połączenia jest wiele, a zasadność takiego działania jest niezaprzeczalna. Dlatego podkreśla się, iż stworzenie prawdziwie wielofunkcyjnej, skutecznej powłoki fotowoltaicznej wymaga holistycznego podejścia, w tym powiązania nowych technologii z konwencjonal-

nymi, aktywnych systemów solarnych z pasywnymi. W praktyce zastosowanie odpowiednich metod łączących różne techniki energetyczne pozwoliło już zrealizować budynki zeroemisyjne (fot. 2, 7), zeroenergetyczne (fot. 3), a nawet energetycznie dodatnie. Przykładowo, budynek biurowy należący do firmy ACCIONA SOLAR łączy zasady projektowania bioklimatycznego z różnymi technologiami alternatywnej generacji energii jak: fotowoltaika, kolektory termalne, geotermia i biopaliwa. Dzięki temu powstał zeroemisyjny obiekt, który zużywa o 52% mniej energii w porównaniu do konwencjonalnego budynku tej samej funkcji. Od strony południowej zrealizowano fotowoltaiczną szklaną ścianę osłonową, która produkuje elektryczność i wykorzystuje promienie Słońca w sposób pasywny. Absor-

Fot. 2. Siedziba firmy ACCIONA Solar, Navarra. Pierwszy zeroemisyjny budynek biurowy w Hiszpanii [fot. ACCIONA Solar]

bowane przez nią ciepło jest odzyskiwane przez system wentylacji i wykorzystywane w miarę potrzeb przez zaawansowane, zautomatyzowane systemy.

Zyski energii ze źródeł odnawialnych

Fot. 3. Centrum badawczo-rozwojowe Wuxi Suntech Power, Wuxi. Pierwszy zeroenergetyczny budynek w Chinach. Szklaną fasadę BiPV tworzy 2552 semitransparentnych paneli fotowoltaicznych o łącznej powierzchni 20 000 m2. Instalacja solarna jest jednym z elementów szerszej koncepcji energetycznej. System o mocy 1 MW generuje rocznie ponad 1 mln kWh czystej energii elektrycznej, redukując jednocześnie emisje CO2 o ponad 600 ton [fot. SUNTECH, www.expololar.org]

Fotowoltaika w architekturze

Szklane powłoki BiPV wykorzystują darmowe, niewyczerpalne w skali ludzkiej promieniowanie słoneczne, głównie w celu generowania energii elektrycznej, ale także oświetlenia światłem dziennym oraz wykorzystania energii cieplnej. Pośrednio eksploatacja energii odnawialnej pozwala ograniczyć konsumpcję energii wytwarzanej metodami tradycyjnymi, co z kolei pociąga za sobą redukcję zużycia surowców nieodnawialnych, szkodliwych emisji i zanieczyszczeń związanych ze spalaniem paliw kopalnych oraz odpadów.

Generator energii W wyniku integracji fotowoltaiki budynek jest nie tylko konsumentem energii, ale i jej producentem – w pewien sposób staje się solarną

19


Magdalena Muszyńska-Łanowy elektrownią. Wykorzystując odnawialne źródło energii, jakim jest promieniowanie słoneczne, nowoczesna szklana powłoka generuje zieloną energię elektryczną. Bezpośrednio, bez hałasu, bez emisji i zanieczyszczeń. Elektryczność można wykorzystać na potrzeby budynku w sposób bezpośredni: w formie prądu stałego do zasilania specjalnych urządzeń (np. wentylatorów DC w obiektach przemysłowych) lub po przekształceniu przez falownik w prąd zmienny (AC) do innych celów, tj. oświetlenia budynku, zasilania urządzeń elektrycznych, itp. W systemach podłączonych do sieci energia jest najczęściej sprzedawana, a następnie odkupywana po preferencyjnych cenach. W ten sposób może być wykorzystana w zupełnie innym, odległym miejscu. Sieć energetyczna, do której oddawana jest elektryczność, pełni w tym wypadku rolę magazynu energii. Innym sposobem jest zmagazynowanie energii w specjalnych bateriach (akumulatorach kwasowo-ołowiowych, niklowo-kadmowych). Takie rozwiązanie zapewnia większą niezależność, jednak redukuje efektywność energetyczną systemu (~80% energii jest odzyskane) i zwiększa całkowity koszt inwestycji. Akumulatory wymagają obsługi, wymiany, problemem jest też kwestia ich szkodliwego wpływu na środowisko. W procesie konwersji fotowoltaicznej poza czystą energią elektryczną powstaje zawsze pewna, nieporównywalnie mniejsza, ilość ciepła. Nagrzewanie się ogniw (modułów) PV jest niekorzystnym efektem ubocznym, gdyż wzrost ich temperatury ponad standardowo przyjęte +25oC znacząco obniża sprawność energetyczną instalacji. Pozytywnym aspektem jest możliwość odzysku ciepła i użycia go do konkretnych celów [2]. W systemach kogeneracji BiPV całkowity uzysk energii (energia elektryczna + energia cieplna) będzie zależał od poziomu energii wejściowej, temperatury otoczenia, prędkości wiatru, temperatury operacyjnej systemu oraz metody transferu ciepła. Ciepło wyprodukowane przez system BiPV ma niską temperaturę, nie będzie więc użyteczne dla pośredniego generowania energii elektrycznej, ani dla wysokotemperaturowych procesów przemysłowych. Można je natomiast wykorzystać do: • podgrzewania powietrza, • transferować przez wymiennik ciepła do systemów ogrzewania wody, • użyć w powiązaniu z pompami ciepła, • zmagazynować w masywnych materiałach budowlanych jako energię masy, w materiałach o zmiennej fazie lub w podziemnych zbiornikach. W wielowarstwowych fasadach wentylowanych naturalny lub wymuszony przepływ powietrza pomiędzy szklaną okładziną BiPV, a wewnętrzną warstwą ściany (izolacją termiczną) chłodzi nagrzewające się materiały fotowoltaiczne (rys. 2).

20

Rys. 2. Wentylowana fasada ze szklaną okładziną BiPV (prod. ONYX Solar©) [rys. www.onyxsolar.com]

energii może zostać odzyskana i użyta do konkretnych celów. Między innymi dlatego, za najbardziej korzystne uznaje się powiązanie aktywnych i pasywnych systemów solarnych. Przykładem efektywnego połączenia obu metod pozyskiwania energii słonecznej jest fasada fabryki SMA w Niestetal (fot. 4, 5). Zorientowana idealnie w kierunku południowym, nachylona pod odpowiednim kątem szklana struktura BiPV generuje zieloną elektryczność i reguluje warunki mikroklimatu we wnętrzu. System odzysku ciepła z funkcjonujących modułów PV i falowników pozwala pokryć w dużym stopniu zapotrzebowanie na ciepło w holu wejściowym.

Naturalna cyrkulacja powietrza jest najprostszą i najtańszą metodą przekierowania ciepła zza modułów PV. Przepływ wymuszony jest bardziej efektywny, ale wymaga wkładu energii, całkowity zysk energii będzie więc zredukowany. Odzyskane ciepło można wykorzystać np. do polepszenia parametrów mikroklimatu wnętrza, w systemach wentylacji, ogrzewania czy podgrzewania wody. W przypadku częściowo transparentnych szklanych fasad BiPV zastosowanie ogniw cienkowarstwowych (a-Si, CIS, CdTe), perforacja lub rozsunięcie ogniw krystalicznych (c-Si) powoduje, że pewna część promieniowania słonecznego o określonej długości fal przechodzi do wewnątrz w postaci energii termalnej. W pewnym sensie można uznać takie rozwiązanie za system kogeneracji BiPV. W powiązaniu z ciepłem będącym efektem ubocznym procesu konwersji fotowoltaicznej, sumaryczna ilość

Fot. 5. Fasada BiPV w budynku SMA, Niestetal. Częściowo transparentne szkło zintegrowane z ogniwami krystalicznymi. Widok od strony wnętrza [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

Innym rozwiązaniem, jeszcze słabo rozpowszechnionym, są moduły PV/T (ang. Photovoltaic/Thermal), będące kombinacją modułu fotowoltaicznego z kolektorem solarnym. Ogniwa fotowoltaiczne wklejane do typowych, płaskich kolektorów (powietrznych lub cieczowych) funkcjonują w nich jako absorber. Główną ich zaletą jest redukcja kosztów i powierzchni instalacji dzięki połączeniu różnych procesów w jednym, zintegrowanym systemie.

Wykorzystanie energii solarnej do oświetlenia

Fot. 4. Budynek firmy SMA, Niestetal. Nachylona szklana fasada BiPV, widok z zewnątrz [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

Światło dzienne jest najlepsze dla komfortu psychofizycznego człowieka, dlatego wszędzie tam, gdzie jest to możliwe, należy je efektywnie wykorzystać, również z uwagi na redukcję zużycia energii konwencjonalnej dla sztucznego oświetlenia. Częściowo transparentne szkło BiPV pozwala na dostęp promieni słonecznych do wnę-

WYDANIE SPECJALNE


Szklane fasady fotowoltaiczne – energooszczędność i komfort

Fot. 6. Semitransparentne szkło fotowoltaiczne MSK Solar Design LineTM, typ See ThruTM [fot. MSK Corporation, www.buildinggreen.com]

trza budynku. Wybór odpowiedniej technologii (budowy przegrody, modułu, rodzaju ogniw, itd.) determinuje ilość przedostającego się przez materiał światła oraz jego jakość i równomierność. W modułach zbudowanych z konwencjonalnych ogniw krystalicznych (c-Si) światło przedostaje się przez przestrzeń pomiędzy nimi – w zależności od wymaganego poziomu transmisji jego ilość można regulować zwiększając lub zmniejszając rozstaw ogniw (fot. 4, 5). Inna metoda polega na perforowaniu ogniw. Z kolei osadzone na szkle materiały cienkowarstwowe same w sobie zapewniają pewien poziom przepuszczalności promieniowania (fot. 6). W każdym wypadku poziom transmisji uzależniony jest także grubością i rodzajem szklanej obudowy modułu oraz struktury całej przegrody, z którą ów moduł został zintegrowany. Najczęściej transparentność kształtuje się w granicy 10-30%, max. 50%.

Rys. 3. Schemat budowy szkła izolacyjnego Optisol®, prod. SCHEUTEN Solar. Bazowy element (moduł PV typu szkło-szkło) połączony z elementem izolującym. W zależności od budowy wartości współczynnika przenikania ciepła U mieszczą się w przedziale od 1,1–1,6 W/m2K (dwuwarstwowy element izolujący) i 0,7-0,8 W/m2K (trzywarstwowy) [na podst. SCHEUTEN Solar]

wane w masie materiałów konstrukcyjnych i rozprowadzane we wnętrzu. Pasywne zyski energii słonecznej pokrywają ~15% zapotrzebowania na energię do ogrzewania.

Minimalizacja strat energii Minimalizacja strat energii wiąże się głównie z ograniczeniem ucieczki ciepła przez zewnętrzne przegrody. Efektywność termalna szklanej powłoki uzależniona jest od wielu czynników, tj.: poziomu izolacyjności ścian (okien, drzwi), mostków termicznych, kondensacji, współczynnika wymiany powietrza, szczelności przegrody, różnic temperatur czy systemów mechanicznych (wentylacja).

Wykorzystanie energii cieplnej Poprzez semitransparentne szkło BiPV przenika do wnętrza budynku promieniowanie podczerwone będące nośnikiem energii cieplnej. Zyski energii słonecznej mogą być wykorzystane w celach grzewczych. Szczególnie efektywne są w tym wypadku zorientowane w kierunku południowym i odpowiednio nachylone względem Słońca struktury funkcjonujące jednocześnie jako aktywny i pasywny system pozyskiwania energii. Takie rozwiązanie zastosowano m.in. w zeroemisyjnym budynku SolarFabrik we Freiburgu (fot. 7). Głównym elementem koncepcji architektonicznej jest wyeksponowana w kierunku południa, wydłużona szklana fasada, z którą zintegrowano 3 różne systemy fotowoltaiczne. Nachylona pod kątem 73o struktura generuje elektryczność, jednocześnie regulując mikroklimat wnętrza. W słoneczne dni szklana hala staje się kolektorem ciepła, które jest akumulo-

Fot. 7. Fabryka modułów PV Solar-Fabrik, Freiburg. Trzy różne instalacje fotowoltaiczne zintegrowane z elewacją: system wentylowany, izolacyjne szklenie i system zacieniający [fot. www.solar-fabrik.de]

Kwestię izolacji termicznej można rozwiązać w różny sposób, w zależności od materiału i budowy przegrody. W wielowarstwowych strukturach wentylowanych, gdzie szklane moduły fotowoltaiczne tworzą zewnętrzną okładzinę, stosowana jest normalna warstwa ocieplenia. Pomiędzy nią a tylną stroną okładziny zapewniony jest naturalny lub wymuszony przepływ powietrza (rys. 2). Wraz ze wzrostem zainteresowania problemem kontroli przepływu energii przez powłoki budynku oraz zwiększonym użyciem szkła w ich konstrukcji, przemysł budowlany wprowadza coraz bardziej wyszukane produkty. W fasadach ciepłych, podwójnych, dla redukcji strat energii ogniwa PV integrowane są ze szkłem izolacyjnym lub zespolonym. Szklane materiały pokrywane są też różnymi powłokami, np. niskoemisyjnymi (wyłącznie z tylnej strony ogniw fotowoltaicznych). Nowoczesne materiały, jak np. Optisol® produkowane przez SCHEUTEN Solar czy ASI THRU® firmy SCHOTT Solar osiągają wartość współczynnika przenikania ciepła U porównywalną do wysokiej jakości konwencjonalnego szklenia (rys. 3, tab. 1). Mogą być więc odpowiednim materiałem nawet na dużych powierzchniach fasad, bez poświęcania ich komfortu termalnego, a dodatkowo z zyskiem energii elektrycznej. Kwestia minimalizacji strat energii wiąże się też z ograniczeniem zużycia energii konwencjonalnej na potrzeby oświetlenia, ogrzewania i chłodzenia budynku.

Tabela 1. Porównanie wartości współczynnika przenikania ciepła dla różnych typów szkła konwencjonalnego i fotowoltaicznego ASI THRU® [na podst. SCHOTT Solar]

Fotowoltaika w architekturze

21


Magdalena Muszyńska-Łanowy Odpowiednio zaprojektowana przegroda BiPV reguluje przepływ energii pomiędzy środowiskiem zewnętrznym i wewnętrznym, efektywnie wspomagając całościowy system energetyczny budynku.

Komfort dla każdego Szklane przegrody są przedmiotem szczególnego zainteresowania ze strony projektantów nowoczesnej architektury i specjalistów wdrażających mniej lub bardziej zielone rozwiązania. Ukształtowanie fasad, czy to w postaci typowych ścian, czy kompleksowo ujętej zewnętrznej powłoki/skóry, wywiera wpływ zarówno na środowisko naturalne, jak i sztuczne stworzone przez człowieka wewnątrz obiektu. Parafrazując ideę Hundertwassera, wg którego powłoka budynku jest trzecią skórą człowieka, analogicznie do dwóch pierwszych skór (biologicznej i ubrania), jej podstawowym zadaniem jest zapewnienie odpowiedniej ochrony i komfortu (rys. 4).

Rys. 4. Pięć skór współczesnego człowieka, do których dochodzi się kolejno wraz z rozwojem świadomości – koncepcja Hundertwassera. 1/ skóra biologiczna, 2/ ubranie, 3/ budynek, 4/ tożsamość społeczna, 5/ natura, ekologia [rys. www.ideapete.com/Hundertwasser.html]

W tym celu przy pomocy poszczególnych warstw fluktuacje zewnętrznych warunków (np. klimatycznych) są regulowane i dostosowywane do wymaganych parametrów. W tradycyjnych rozwiązaniach odpowiednie warunki komfortu osiągane są zazwyczaj za pomocą mechanicznych systemów. Instalacje wentylacji, ogrzewania, chłodzenia, klimatyzacji czy oświetlenia konsumują duże ilości energii konwencjonalnej, co pociąga za sobą zarówno wysokie koszty jak i degradację środowiska. Interesującą alternatywą jest wykorzystanie fotowoltaiki, ściślej zastosowanie technologii BiPV (ang. Building Integrated Pho-

22

tovoltaics) polegającej na bezpośredniej integracji materiałów solarnych ze skórą budynku. Odpowiednio ukształtowane szklane fasady BiPV mogą istotnie wpływać na parametry środowiska wewnętrznego i komfort użytkowników. Prawdziwie wielofunkcyjne struktury nie tylko generują czystą energię elektryczną, ale też pozwalają rozwiązać wiele problemów związanych np. z regulacją temperatury w pomieszczeniach, oświetleniem naturalnym światłem dziennym, itp. Redukują przy tym zapotrzebowanie na energię konwencjonalną zużywaną przez mechaniczne instalacje.

Komfort, środowisko wewnętrzne Optymalne warunki środowiska wewnętrznego, zwane komfortem, determinuje szereg powiązanych ze sobą, wzajemnie zależnych i policzalnych parametrów, m.in. takich jak: • temperatura wnętrza, • temperatura powierzchni zewnętrznej przegrody, • ruch i wymiana powietrza, wilgotność względna, • intensywność i jakość oświetlenia naturalnego, • izolacja akustyczna, • widoczność. Efektywność rozwiązań zależy od wielu czynników, m.in. od powiązań fasadowej instalacji BiPV z innymi systemami budynku. Powinna ona z nimi współpracować lub być zintegrowana nawet na takim poziomie, że sama stanie się ich częścią. Trzeba też podkreślić bardzo ważną rolę użytkowników budynku dla skuteczności przyjętych rozwiązań. Muszą oni mieć świadomość wagi swoich zachowań i przyzwyczajeń. Przede wszystkim zaś skuteczność podjętych działań wymaga szerszego, wieloaspektowego podejścia. Powłoka nie może być zwyczajnym nałożeniem niezależnych elementów. Już od momentu koncepcji powinna być zintegrowanym systemem o charakterze wielofunkcyjnym, ewolucyjnym i adaptacyjnym. Kompleksowa, zaawansowana technologicznie szklana skóra powinna stanowić podzespół w holistycznej koncepcji budynku.

Temperatura wnętrza Budowa i rodzaj materiałów, z jakich jest wykonana szklana struktura BiPV wpływają na temperaturę powietrza w pomieszczeniu. Regulacja przepływu energii termicznej przez przegrodę wiąże się z optymalizacją zysków ciepła (wedle potrzeb maksymalizacją lub redukcją) oraz ograniczeniem jego strat. W trakcie konwersji fotowoltaicznej funkcjonujące moduły PV nagrzewają się i emitują ciepło w kierunku wnętrza. Semitransparentne materiały szklane dodatkowo przepuszczają

pewną ilość ciepła bezpośrednio z promieniowania solarnego. W obu wypadkach energię termiczną można wykorzystać zarówno do dogrzania pomieszczeń, jak i w systemach wentylacji czy chłodzenia. Zastosowanie szkła w elewacjach wiąże się często z problemem nadmiernego wzrostu temperatury w budynku w okresie największego nasłonecznienia. Integracja ogniw solarnych pozwala tego uniknąć, mimo iż fasady BiPV zorientowane są zazwyczaj w kierunku południowym i ukształtowane tak, aby zapewnić maksymalne zyski energii solarnej dla konwersji fotowoltaicznej. Dodatkowo na szklanej obudowie modułu można zastosować specjalną powłokę o absorpcji selektywnej, która zwiększa transmisję światła w zakresie fal przekształcanych w energię elektryczną, blokuje natomiast promieniowanie podczerwone będące nośnikiem energii cieplnej (rys. 2).

Rys. 5. Szkło fotowoltaiczne ASI THRU®, prod. SCHOTT Solar. Zintegrowane ze szkłem ogniwa cienkowarstwowe z krzemu amorficznego (a-Si) przepuszczają do wnętrza światło słoneczne. Latem ograniczają przepływ energii cieplnej przez przegrodę. W okresie zimowym podwójne szklenie zapewnia odpowiednią izolację termiczną zapobiegając stratom ciepła [rys. na podst. SCHOTT Solar]

Innym sposobem regulacji temperatury we wnętrzu może być zastosowanie zintegrowanych z ogniwami PV szklanych systemów zacieniających. Często spotykanym rozwiązaniem jest nachylenie szklanej struktury, co pozwala efektywnie i kompleksowo wykorzystać energię słoneczną – jednocześnie w sposób pasywny i aktywny (fot. 8). Zimą padające pod niskim kątem promienie słoneczne przedostają się do środka dogrzewając przylegające do fasady pomieszczenia. Z kolei latem, gdy Słońce jest wysoko, ogniwa PV zacieniają wnętrze chroniąc je od nadmiernej temperatury. Dla polepszenia parametrów termicznych przegrody ogniwa integrowane są ze szkłem izolacyjnym różnego typu. Szkło BiPV można też pokryć warstwą niskoemisyjną (wyłącznie od strony wewnętrznej, tzn. z tyłu ogniw fotowoltaicznych).

WYDANIE SPECJALNE


Szklane fasady fotowoltaiczne – energooszczędność i komfort

Fot. 9. Podwójna fasada szklana BP Solar Skin, Trondheim. Prototypowa szklana fasada łączy funkcję generatora energii elektrycznej i cieplnej [fot.http://www2.arkitektur.no]

szklanej struktury BiPV zapewniają odpowiednią cyrkulację powietrza i zapobiegają kondensacji pary wodnej. W wielowarstwowych konstrukcjach tj. fasadach zimnych z okładziną BiPV, czy podwójnych szklanych elewacjach pusta przestrzeń między modułami a wewnętrzną skórą budynku jest efektywnie wykorzystywana do wentylacji (fot. 9, 10). W systemach z otwartymi fugami szczeliny między poszczególnymi elementami dodatkowo zwiększają cyrkulację powietrza, umożliwiając lepszą kontrolę wilgoci i pary wodnej. Szklane fasady BiPV mogą też stanowić wodoszczelną skórę budynku, jak np. w powszechnych systemach słupowo-ryglowych.

Oświetlenie naturalnym światłem dziennym

Fot. 8. Kamp C, Westerlo. Szklana fasada z ogniwami krzemowymi typu back contact – widok z zewnątrz i od środka budynku [fot. www.photovoltech.com]

Temperatura powierzchni przegrody zewnętrznej Struktura przegrody i materiały, z jakich jest wykonana, powinny mieć na całej powierzchni podobną temperaturę – dopuszczalne odchylenie pomiędzy poszczególnymi fragmentami nie powinno przekraczać ~ 4oC [3]. W zintegrowanych systemach BiPV moduły fotowoltaiczne pracują w szczególnie wysokich temperaturach, ich połączenie z innymi materiałami elewacyjnymi musi zatem uwzględniać kwestie rozszerzalności termicznej. Między innymi dlatego dąży się do odzyskiwania ciepła z funkcjonujących modułów PV i wykorzystania go do innych celów, ewentualnie oddawania do otoczenia.

Fot. 10. BP Solar Skin – detal fasady. W dolnej i górnej części szklanej fasady umieszczono automatycznie otwierane wloty i wyloty powietrza, dzięki czemu cyrkuluje ono w 80 cm pustce pomiędzy istniejącą ścianą budynku a szklaną skórą BiPV [fot. http://www2.arkitektur.no]

Częściowo transparentne szkło BiPV wpływa na kształtowanie warunków oświetlenia wnętrza światłem dziennym. Przepuszczając promienie słoneczne może być użyte do regulowania oświetlenia w dwojaki sposób: doświetlając je lub zacieniając. Poza zapewnieniem optymalnych warunków dla komfortu psychofizycznego człowieka pozwala ograniczyć zużycie energii konwencjonalnej dla sztucznego oświetlenia, a co za tym idzie także związanych z tym kosztów. Miejsce i sposób integracji, a także technologia i budowa materiału BiPV determinują ilość przedostającego się do wnętrza światła oraz jego równomierność. Światło słoneczne przechodzące przez semitransparentne szkło BiPV ulega rozproszeniu tworząc komfortowe, „miłe dla oka” warunki oświetleniowe wewnątrz budynku. Projektanci muszą jednak brać pod uwagę funkcję użytkową strefy bezpośrednio przylegającej do przepuszczającej światło przegrody. Moduły z rozsuniętymi, nieprzeźroczystymi ogniwami krystalicznymi (c-Si) tworzą

Ruch powietrza, wilgotność Utrzymanie odpowiedniej wilgotności oraz ruchu powietrza jest bardzo istotne dla komfortu wnętrza. Nadmierna szczelność szklanej przegrody ogranicza przewietrzanie, co niejednokrotnie pociąga za sobą konieczność zastosowania energochłonnych systemów mechanicznej wentylacji (klimatyzacji). Dla modułów PV przepływ powietrza z tylnej strony (naturalny przez konwekcję lub wymuszony) jest szczególnie korzystny, zarówno dla uzyskania odpowiednich parametrów komfortu wnętrza, jak i dla lepszej efektywności energetycznej systemu fotowoltaicznego. Specjalne otwory w dolnej i górnej części

Fot. 11. Budynek firmy SMA, Niestetal. Światło słoneczne przechodzące przez szklaną fasadę BiPV z rozsuniętymi ogniwami krystalicznymi tworzy charakterystyczną grę światłocienia we wnętrzu [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

Fotowoltaika w architekturze

23


Magdalena Muszyńska-Łanowy charakterystyczne, dynamicznie zmieniające się efekty szachownicy światła i cienia (fot. 11). W niektórych wypadkach może to być pożądany element kształtujący estetykę, kreujący niecodzienny charakter wnętrza, jednak tego typu rozwiązanie nie sprawdzi się np. w miejscach pracy wymagających bardziej jednorodnego, stałego oświetlenia. Często natomiast stosuje się je w hallach wejściowych, strefach rekreacyjnych. Szkło zintegrowane z ogniwami cienkowarstwowymi (a-Si, CIS, CdTe) zapewnia zupełnie inne efekty, przedostające się światło jest bardziej jednolite (fot. 12).

Niezależnie od wyboru technologii fotowoltaicznej (materiały krystaliczne czy cienkowarstwowe) zintegrowane ze szkłem ogniwa solarne absorbują promieniowanie redukując ilość przedostającego się światła nawet o kilkadziesiąt procent, w niektórych wypadkach niepotrzebne są więc dodatkowe zabiegi. Ogniwa z krzemu krystalicznego można ułożyć w zmiennym rozstawie – w zależności od kąta padania promieni słonecznych ich zagęszczenie zwiększy lub ograniczy dostęp światła do wnętrza (fot. 15, 16). W celu redukcji napływu energii termicznej z promieniowania słonecznego szkło można pokryć specjalnymi powłokami lub wyposażyć fasady w systemy żaluzji/ekranów chroniących od słońca. Rynek komercyjny oferuje z roku na rok coraz szerszą paletę produktów, których właściwości i parametry techniczne są stale optymalizowane. Przykładowo semitransparentne moduły solarne ASI THRU® z podwójnym szkleniem (prod. SCHOTT Solar) pokrywane są specjalnymi powłokami o absorpcji selektywnej, które umożliwiają rozdział fal świetlnych i termicznych. Współczynnik transmisji energii dla tego materiału osiąga wartość 10%, co jest dużą zaletą dla zastosowań fasadowych [tab. 1].

Fot. 12. MSK Fukuoka, Nagano. Fasada BiPV, widok od strony wnętrza. Dolny pas szklenia wypełniono zwykłym, przezroczystym szkłem, pozostałą część tworzą semitransparentne panele fotowoltaiczne – moduły MSK Solar Design LineTM typu See ThruTM z cienkowarstwowymi ogniwami z krzemu amorficznego [fot.http:// suntech.interdevhosting.com/]

Kontrola nasłonecznienia Coraz większe przeszklenia ścian zewnętrznych z jednej strony poprawiają oświetlenie, z drugiej pogarszają warunki z powodu zmienności promieniowania, oślepiania i przegrzewania wnętrza. Kwestia jednoczesnej intensyfikacji światła dziennego i redukcji ciepła stanowi pewnego rodzaju konflikt, do czego dochodzi jeszcze problem zapewnienia odpowiedniej widoczności przez szklany materiał. Częściowo transparentne, wielofunkcyjne szkło BiPV może efektywnie spełniać wyżej wymienione zadania. Jego zastosowanie w fasadach pozwala zapewnić wysoki komfort użytkownikom przy jednoczesnym ograniczeniu zużycia energii konwencjonalnej na potrzeby chłodzenia, wentylacji i oświetlenia.

24

Tabela 1. Porównanie wartości współczynnika zysków energii cieplnej z promieniowania słonecznego dla różnych typów szkła, systemów przeciwsłonecznych i semitransparentnych modułów ASI THRU® [na podst. SCHOTT Solar] Rodzaj szklenia / systemu przeciwsłonecznego

g [%]

Pojedyncze szkło

~80

Podwójne szklenie bez powłoki

~80

Podwójne szklenie z powłoką

Izolacja akustyczna Szklane moduły fotowoltaiczne o konstrukcjach wielowarstwowych mogą być stosowane jako przegrody izolujące od hałasu. Użycie specjalnej folii PVB do laminowania ogniw nie tylko zapewnia bezpieczeństwo i większą wytrzymałość mechaniczną, ale też zwiększa izolację akustyczną szklanego elementu. Dobry stopień izolacji można osiągnąć w przypadku użycia izolacyjnych szyb zespolonych w szklanej obudowie modułu PV.

Widoczność Zapewnienie kontaktu wzrokowego pomiędzy dwiema strefami, zewnętrzną i wewnętrzną, jest ważnym elementem wpływającym na komfort i samopoczucie użytkownika budynku. Przy aktualnym stanie technologii nie ma możliwości uzyskania szklanej przegrody BiPV o całkowitej transparentności. Najczęściej nie przekracza ona 50%, z uwagi na efektywność energetyczną instalacji. Półprzeźroczyste moduły w obudowie szklanej umożliwiają jednak widoczność na wskroś. Jej poziom zależy od przyjętej technologii – rozstawu ogniw (z krzemu krystalicznego c-Si) lub rodzaju perforacji materiałów cienkowarstwowych (a-Si, CIS, CdTe). Niezbędne jest więc odpowiednie dostosowanie systemu do potrzeb i charakteru wnętrza. Efekt częściowej transparentności odbierany przez obserwatora zależy dodatkowo od jego usytuowania i kierunku głównego oświetlenia. Z tego powodu zupełnie innych cech nabierają semitransparentne fasady BiPV w ciągu dnia i nocą.

Przykłady realizacji Tobias Grau, Rellingen

30-70

Podwójne szklenie PV– ASI THRU®

10

Zewnętrzne żaluzje

12

Zewnętrzna markiza

9

Wewnętrzna roleta

40

Wyjątkowo efektywnym rozwiązaniem jest integracja fotoogniw ze szklanymi systemami zacieniającymi (w formie zadaszeń, żaluzji poziomych lub brise-soleil). Ustawione idealnie względem słońca elementy pozwalają regulować oświetlenie, chronić od przegrzania i oślepienia, optymalnie wykorzystując przy tym energię solarną dla konwersji fotowoltaicznej. Latem zacienianie pomieszczeń redukuje jednocześnie obciążenie związane z koniecznością ich chłodzenia, zimą z kolei systemy BiPV pozwalają promieniom słonecznym przedostawać się do środka ogrzewając i doświetlając wnętrze.

Światło i transparentność są wiodącym tematem projektu. Duże powierzchnie przeszkleń pozwalają dobrze wykorzystać promieniowanie słoneczne i zredukować zużycie energii elektrycznej. Dwie szklane fasady zorientowane w kierunku południowym wykonano ze szkła fotowoltaicznego (fot. 13). Częściowo transparentne instalacje BiPV o powierzchni 51 m2 i 128 m2 rocznie generują ~10 800 kWh zielonej elektryczności. Ogniwa fotowoltaiczne zintegrowano z systemem szyb zespolonych, dzięki czemu szklane panele BiPV osiągają dobre parametry przenikalności ciepła. Wadą tego rozwiązania jest brak przewietrzania nagrzewających się fotoogniw, co prowadzi do obniżenia ich sprawności. Polikrystaliczne ogniwa solarne ułożone w odstępach 9 mm od siebie (w kierunku pionowym i poziomym) oraz 5 cm od rantów modułu tworzą semitransparentną siatkę, przez którą przenika do wnętrza jedynie pewien procent światła

WYDANIE SPECJALNE


Szklane fasady fotowoltaiczne – energooszczędność i komfort ralne światło dzienne przenika do pomieszczeń biurowych. Fotowoltaiczna skóra jest zdublowana od wewnątrz kasetami z podwójnego szkła niskoemisyjnego. Znajdująca się pomiędzy nimi pustka powietrzna szerokości 11 cm zapewnia stałą cyrkulację powietrza. Zimą ogrzane słońcem i pracującymi modułami powietrze kierowane jest do wnętrza budynku, latem wyrzucane jest na zewnątrz. Dla optymalizacji zysków energii cieplnej w górnej części fasad umieszczono czerpnie powietrza połączone z systemem wentylacji. Od przegrzania pomieszczeń dodatkowo chronią zamocowane przed wewnętrznym

Fot. 13. Tobias Grau, Rellingen. Semitransparentna szklana fasada BiPV w systemie SCHUCO SG 50 N ze szkleniem strukturalnym [fot. materiały reklamowe SCHÜCO]

słonecznego. W ten sposób zapewniono doświetlenie wnętrza unikając jednocześnie jego przegrzania i oślepiania pracowników. Instalacja BiPV dobrze widoczna zarówno w ciągu dnia, jak i nocą, stanowi ważny element transparentnej architektury budynku, pełni przede wszystkim rolę demonstracyjną. Ilość generowanej energii elektrycznej jest w skali roku stosunkowo niska z powodu mało korzystnej lokalizacji geograficznej obiektu i dużego odchylenia od idealnej orientacji (S -65o).

Biuro turystyczne, Alès Budynek powstał na bazie ruin XIwiecznego kościoła, z którego pozostały jedynie dzwonnica i długa nawa z trzema wysokimi arkadami. Dla powiększenia przestrzeni biurowej w arkadach zaprojektowano wykusze w postaci lekkiej, metalicznej struktury wypełnionej szkłem fotowoltaicznym (fot. 14).

Fot. 14. Centrum turystyki, Alès. Realizacja tego obiektu jest dowodem na to, że ochrona dziedzictwa architektonicznego i krajobrazowego może pozostawać w zgodzie z nowoczesnymi technologiami alternatywnej generacji energii [fot. SOLARTE]

Fot. 15. Szpital Onze-Lieve-Vrouw, Aalst. Widok pochylonej szklanej struktury BiPV [fot.http://www.sapasolar.com]

Fot. 16. Hall wejściowy szpitala Onze-Lieve-Vrouw, Aalst. Zalaminowane w szkle ogniwa krystaliczne rozmieszczono w zmiennych odstępach. Przechodzące przez fasadę światło słoneczne tworzy we wnętrzu charakterystyczne efekty wizualne [fot.http://www.sapa-solar.com]

Fotowoltaika w architekturze

25

dokończenie na s. 42

W ten sposób połączono dwie różne strefy: nową konstrukcję wyeksponowaną w kierunku słońca i starą z grubymi kamiennymi murami, charakteryzującą się bardzo dużą inercją termiczną. Celem projektu była optymalizacja klimatu wnętrza w obu strefach, poprzez efektywną eksploatację zysków energii solarnej. Wielofunkcyjna instalacja BiPV poza generowaniem energii elektrycznej izoluje budynek, wykorzystuje zyski energii cieplnej z promieniowania solarnego oraz naturalne oświetlenie. Każdą z trzech identycznych struktur BiPV tworzy 70 szklanych, semitransparentnych paneli fotowoltaicznych. Rozstaw ogniw zapewnia częściową (15%) transparentność modułów, dzięki czemu natu-


Magdalena Muszyńska-Łanowy

Ekologia dla oczu Estetyka powłoki BIPV Przekształcić coś użytecznego, praktycznego, funkcjonalnego w coś pięknego – oto powinność architektury (Karl Friedrich Schinkel) Z końcem lat 70. XX wieku amerykański Departament Energii (DOE) rozpoczął w Massachusetts Institute of Technology (MIT) program mający na celu rozwój fotowoltaiki, który objął projektowanie i demonstracje sposobów zastosowania tej technologii w budownictwie. Firma projektowa Solar Design Associates skupiła się wówczas na „artystycznej integracji energii solarnej” w budynkach [8]. W rezultacie powstały pierwsze obiekty, w których system fotowoltaiczny (PV) stanowił zaplanowany element architektoniczny [2]. Początkowo standardowe elementy instalacji dodawano do istniejących konstrukcji. Dość toporne w wyglądzie, obramowane moduły PV wraz ze wspierającymi je strukturami i przewodami w pewnym sensie nadawały obiektom charakter zaawansowanej technologicznie maszyny.

Fot. 1. Instalacja fotowoltaiczna na dachu budynku mieszkalnego w Arizonie [fot. www.renewableenergyworld.com]

Wizualnie był to jednak efekt zupełnie przypadkowy, wypadkowa określonego rozwiązania technicznego. Nowe rozwiązania pojawiły się na początku lat 90., gdy moduły zintegrowano bezpośrednio ze strukturą budynku. Innowacyjna technologia, nazwana Building Integrated Photovoltaics, w skrócie BiPV, umożliwiła zupełnie inny sposób kształtowania solarnych budynków. Projektanci zyskali kolejne narzędzie, a architektura zaawansowanych technologii nowy image. Współczesne urządzenia fotowoltaiczne nie mają już wyłącznie na celu generowania czystej energii elektrycznej. Pod postacią coraz bardziej zróżnico wanych, zaawansowanych elementów stały się wielofunkcyjnymi, innowacyjnymi materiałami budowlanymi, które w wielu wypadkach są w stanie efektywnie zastąpić konwencjonalne komponenty „skóry” budynku. Co jest szczególnie istotne dla współczesnej architektury i jej

26

twórców to fakt, iż nowoczesne systemy BiPV wspomagające architekturę przyjazną dla środowiska oferują coraz większe możliwości kreowania nowej estetyki.

Integracja fotowoltaiki Odpowiednia integracja fotowoltaiki z powłoką budynku jest dużym wyzwaniem. Powiązanie komponentów generatora PV z architekturą powoduje wzajemne oddziaływania na różnych płaszczyznach: wywiera wpływ na efektywność energetyczną, cechy funkcjonalno-użytkowe obiektu oraz jego jakość w aspekcie estetycznym. Interakcja pomiędzy solarną technologią a architekturą jest bardzo ważna dla sprawnego funkcjonowania całości. Źle zintegrowany system fotowoltaiczny będzie nie tylko przeszkadzał w sprawnym użytkowaniu budynku, ale też psuł jego obraz. Jak twierdzi James Wines: bez sztuki wszystko upada, ponieważ ludzie nigdy nie zechcą nieestetycznego budynku, niezależnie od całej techniki, jaką będzie posiadał [7]. Wysoki standard instalacji BiPV powinien zatem dotyczyć zarówno parametrów technicznych, jak i kwestii wizualnych. W praktyce dążność do osiągnięcia wysokiej efektywności energetycznej nie zawsze idzie jednak w parze z jakością architektoniczną. Szczególnie w pierwszych realizacjach integracja fotowoltaiki z budynkiem była często przypadkowa i pod względem estetycznym rozczarowująca. Wówczas wynikało to głównie z ograniczeń technicznych. Obecnie, gdy możliwości są w zasadzie nieograniczone, pozostaje problem wysokich kosztów, braku wiedzy i umiejętności projektantów, złej koordynacji pomiędzy specjalistami z różnych branż czy też niezrozumienia wzajemnych potrzeb (fot. 1). Z pewnością dla każdego przypadku kwestię jakości estetycznej należy rozpatrywać indywidualnie. Inne działania będą optymalne w przypadku budowy nowego obiektu, inne podczas renowacji obiektu historycznego, czy dodawa-

nia systemu do istniejącej struktury w trakcie remontu lub modernizacji. Atrakcyjny wygląd powłoki BiPV przyciąga wzrok, wywołuje zainteresowanie obiektem i solarną technologią. Odbiór wizualny jest jednak kwestią subiektywną, trudno zatem o jednoznaczną interpretację.

Różnorodność materiałów Do niedawna rynek komercyjny oferował wąską gamę produktów solarnych dla integracji z budynkiem. Wizualny aspekt dostępnych materiałów BiPV zdeterminowany był rozwiązaniami technicznymi, przemysłowymi i ekonomicznymi. W konsekwencji wielu potencjalnych inwestorów rezygnowało z aplikacji fotowoltaiki. Z biegiem lat coraz bardziej zdawano sobie sprawę ze znaczenia wyglądu poszczególnych komponentów generatora PV oraz jego roli w dalszej ewolucji i upowszechnianiu technologii. W rozwój nowych produktów BiPV, ich zróżnicowanie i optymalizację pod kątem estetycznym, zaangażowali się m.in. architekci tacy jak Kiss i Cathcart. Skupili się w szczególności na materiałach szklanych, częściowo transparentnych, o różnych poziomach transmisji światła, nowych wzorach, kolorach fotoogniw, itp. Dziś firmy solarne wiedzą, że projektanci chcą mieć wybór.

Fot. 2. Oekotherm, Schörfling. Okładzinę fasady tworzy 27 różnego kształtu modułów z niebieskimi ogniwami z krzemu polikrystalicznego [fot. www.ertex-solar.at]

WYDANIE SPECJALNE


Ekologia dla oczu. Estetyka powłoki BIPV Obok standardowych materiałów coraz częściej na indywidualne zamówienie wytwarzają produkty specjalistyczne, spełniające nawet bardzo wysokie i niecodzienne wymagania. Z różnych komponentów systemu fotowoltaicznego moduły PV są najbardziej widocznymi, podstawowymi elementami dla integracji z budynkiem. Gdy stanowią integralną część jego „skóry”, w kwestii walorów estetycznych znajdują się w samym centrum uwagi. Ich wielkość, kształt, kolor, materiał, struktura, transparentność, w różny sposób wpływają na ukształtowanie architektury. Dzięki swoim właściwościom mogą nawet kształtować wygląd wnętrza. Technologie produkcji i budowa modułów są ściśle określone, możliwość wyboru poszczególnych komponentów i ich parametrów pozwala jednak uzyskać bardzo zróżnicowane rezultaty. Obejmuje to elementy takie, jak: • materiał, kolor, wielkość i kształt ogniw, • struktura i kolor układów elektrycznych, • układ ogniw w module, • budowa modułu – obudowa, obramowanie, materiał laminujący ogniwa, • kształt i wielkość modułu. Najczęściej stosowane moduły fotowoltaiczne zbudowane są z ogniw krystalicznych, które zależnie od struktury mają jednolite zabarwienie (krzem monokrystaliczny m-Si) lub widoczne są poszczególne kryształy w różnych kształtach i odcieniach (krzem polikrystaliczny p-Si). Materiały monokrystaliczne są zazwyczaj koloru granatowego lub czarnego, polikrystaliczne w różnych odcieniach niebieskiego (fot. 2).

wykorzystujące krzem amorficzny (a-Si) i selenek indowo-miedziowy (CIS). Wygląd tego typu modułów zależy od rodzaju materiału półprzewodnikowego oraz podłoża, na którym ogniwa są osadzane – może to być szkło, plastik, taśmy stalowe, miedziane. Szklane moduły charakteryzuje ciemny kolor (brunatny a-Si, czarny CIS) oraz zdecydowanie bardziej jednorodna niż w przypadku ogniw krystalicznych powierzchnia (fot. 4). Szczególne walory estetyczne prezentują gładkie, czarne panele CIS [3]. Würth Solar jako pierwsza wprowadziła niedawno nowe

Fot. 4. Modelowy budynek mieszkalny SCHÖNER WOHNEN Haus. Czarne fasady BiPV ze szklanych modułów CIS firmy Würth Solar [fot. www.wuerth-solar.de]

kolory modułów CIS specjalnie dla integracji fasadowych – GeneCIS mogą być niebieskie, czerwone, białe, żółte i zielone [9]. Atrakcyjnym produktem dla zastosowań budowlanych są ogniwa częściowo transparentne (mechanicznie perforowane lub wzornikowane laserem cienkowarstwowe materiały osadzone na przezroczystym podłożu). Rozszerzają one możliwości kształtowania nowoczesnej powłoki budynku – filtrując promieniowanie, zapewniają dodatkowo możliwość tworzenia zmiennych efektów optycznych za pomocą gry światła i cienia (fot. 5). Stopień transparentności materiałów BiPV można kształtować na różnym poziomie. Rezultat uzależniony będzie od rodzaju ogniw i ich układu - zupełnie inaczej wyglądają rozsunięte ogniwa krystaliczne, a inaczej częściowo przezroczyste z natury materiały cienkowarstwowe (fot. 6). W obu wypadkach na wrażenia wizualne wpływa również miejsce obserwacji oraz kierunek oświetlenia głównego. Semitransparentne instalacje BiPV są coraz bardziej zróżnicowane i wyszukane. Firmy solarne proponują szereg możliwości, zarówno jeśli chodzi o poziom transparentności ogniw, jak i kwestie plastyczne.

Fot. 5. Le Losserand, Paryż. Semitransparentna szklana fasada z rozsuniętymi ogniwami, widok od wnętrza [fot. Emmanuel Saadi, www.cyberarchi.com] Fot. 3. Kolorowa fasada BiPV w budynku szkoły, Blandford. Wentylowana okładzina z nieprzezroczystych modułów typu szkło-szkło ze złotymi ogniwami firmy SUNWAYS [fot.www.vidur.es]

Na rynku dostępne są również inne kolory, np. zielone, złote, czerwone, srebrne, brązowe itd., ale są to nadal produkty niszowe ze względu na wysokie koszty oraz niższe sprawności energetyczne (fot. 3). Pierwsze kolorowe ogniwa fotowoltaiczne o wysokiej efektywności od niedawna wytwarza tajwańska firma LOF™ SOLAR. Obok 15 standardowych kolorów ciekawą propozycją jest możliwość grawerowania napisów i wzorów na ogniwie oraz podział kolorystyczny w obrębie jednego elementu [4]. Coraz bardziej popularne w architekturze solarnej stają się technologie cienkowarstwowe

Fot. 6. SCHOTT Ibérica, Sant Adrià de Besòs. Fasada BiPV z cienkowarstwowych semitransparentnych modułów ASI THRU™, zintegrowanych ze szkłem kolorowym SCHOTT IMERA™ [fot. SCHOTT Ibérica SA]

Fotowoltaika w architekturze

27


Magdalena Muszyńska-Łanowy Przykładowo Würth Solar opracowała własne technologie produkcji modułów CIS z różnymi wariacjami transparentności w zakresie 0-50% i wzorami - dostępna jest perforacja pasmowa, okrągłe otwory lub rombowe o różnej wielkości i zagęszczeniu. Poprzez zmianę zagęszczenia otworów można tworzyć np. transparentne napisy, rysunki. Jak dotąd żadna z technologii PV nie umożliwia całkowitej transparentności, efekt dematerializacji, efemeryczności przegrody nie będzie więc równie silny jak w konwencjonalnych strukturach szklanych. Na zewnętrzną aparycję modułu PV wpływa także kształt i wymiary ogniw. Ogniwa krystaliczne powstają z cienkich wafli krzemowych grubości 150-300 µm. Ich standardowe wymiary kształtują się w przedziale od 100x100 do 150x150 mm. Monokrystaliczne ogniwa w kształcie okrągłych płytek najczęściej przycina się w tzw. pseudokwadraty w celu lepszego ułożenia na powierzchni modułu, polikrystaliczne mają wyjściowo kształt kwadratowy lub prostokątny. Obok standardowych rozwiązań prowadzone są prace nad innymi kształtami. Trójkątne, trapezowe, sześciokątne czy ośmiokątne ogniwa to interesująca alternatywa, która wiąże się jednak ze wzrostem kosztów i spadkiem efektywności materiału BiPV m.in. dlatego, że trudno je optymalnie ułożyć na powierzchni modułu. Wielkości i kształty ogniw cienkowarstwowych uzależnione są od rodzaju podłoża, na którym są osadzane w trakcie produkcji. Zazwyczaj są to elementy prostokątne o wymiarach typowych tafli szkła.

Fot. 7. Moduł PQ-120D z ogniwami DIAGONAL, prod. POWERQUANT [fot.www.powerquant.com]

Istotnym elementem kompozycji estetycznej jest ułożenie ogniw w module. Ze względów technicznych (energetycznych) odległości pomiędzy nimi powinny być minimalne, ale w praktyce często rozsuwane są na większą odległość, dla stworzenia efektu częściowej transparentności czy uzyskania konkretnego wyglądu materiału. W zależności od kształtu użytych ogniw i ich układu mogą powstać rozmaite motywy. W typowych modułach z ogniwami krystalicznymi połączonymi szeregowo, dystans między nimi wynosi zazwyczaj ok. 2 mm. Same szeregi ułożone są równolegle w odległości ~2-10 mm od siebie. W przypadku materiałów cienkowarstwowych ogniwa tworzą jednolitą całość. Zróżnicowane efekty wizualne zapewnia dodatkowo kolor i kompozycja kontaktów elektrycznych. W standardowych ogniwach krystalicznych układ srebrnych elektrod kontakto-

Fot. 8. Szklana fasada BiPV w fabryce SCHEUTEN Solar, Gelsenkirchen. Ze względów estetycznych obok prostokątnych modułów Optisol® użyto moduły trapezowe i trójkątne z nieaktywnymi ogniwami [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

28

wych (na stronie wystawionej w kierunku słońca) tworzy widoczną kompozycję złożoną z linii prostych w określonych odstępach, najczęściej na wzór litery „H”. Wielu projektantów uznaje standardowe szyny zbiorcze na frontowej stronie ogniwa za wizualnie „nudne”, lub wręcz nieestetyczne, dlatego naukowcy próbują je przekształcać w bardziej artystyczny sposób. Unikatowe produkty powstają m.in. dzięki współpracy czołowych producentów ogniw solarnych i firmy POWERQUANT, która opracowała specjalne wzory ogniw monokrystalicznych dla integracji z budynkiem. Nowy, diagonalny wzór elektrod w kolorze miedzi i złota występuje w 4 rodzajach, inne wzory robione są na specjalne zamówienie (fot. 7). Dla projektantów udostępniono specjalny program komputerowy PQ-Designer, który w zależności od układu ogniw pozwala osiągnąć różne efekty plastyczne. Innym rozwiązaniem są ogniwa typu Back Contact, w których kontakty elektryczne umieszczone na tylnej stronie widoczne są jedynie w modułach z transparentną obudową tylną. Możliwość wyboru wielkości, grubości i kształtu modułów fotowoltaicznych pozwala wykorzystać je w architekturze na wiele sposobów. Zasadniczo kształty i wymiary mogą być takie, jak w przypadku szkła budowlanego. Powierzchnia standardowych modułów krystalicznych zwykle wynosi 0,5-2,0 m2, jednak elementy specjalne mogą być też bardzo niewielkie (np. dla integracji z dachówkami) lub w formacie XL. Fasadowe moduły ze szkła laminowanego produkowane przez ERTEX-SOLAR są dostępne w rekordowych rozmiarach, do 2440x5100 mm. Pod względem estetycznym dużej wielkości panele PV mają tę zaletę, iż pozwalają tworzyć bardziej homogeniczne, gładkie powierzchnie. Grubości szklanych modułów zależą od ich wielkości i przyjętej technologii konstrukcyjnej. Standardowo dla laminatów typu szkło-folia jest to ~4-5 mm, dla elementów typu szkło-szkło ~11 mm lub więcej, w zależności od ilości i rodzaju tafli szklanych w obudowie. Ze względu na optymalne wykorzystanie powierzchni aktywnej (generującej energię) moduły są zazwyczaj prostokątne, wielu producentów jest jednak w stanie wykonać elementy każdego w zasadzie kształtu geometrycznego, np. trójkątne, trapezowe, okrągłe (fot. 8). Wówczas niepodłączone do układu elektrycznego kwadratowe/prostokątne fotoogniwa przycinane są w celu ich dopasowania do kształtu obudowy lub poza strefą aktywną zostawiane są puste ranty (fot. 9). Moduły z ogniw cienkowarstwowych składające się z kilku warstw różnych materiałów, osadzonych na materiale nośnym, mogą być produkowane w dowolnym kształcie, ale w praktyce najczęściej wytwarzane są w formie

WYDANIE SPECJALNE


Ekologia dla oczu. Estetyka powłoki BIPV

Fot. 9. Przykłady modułów PV różnych kształtów, wielkości i kolorów, prod. ERTEX SOLAR [fot. www.ertex-solar.at]

każdego w zasadzie kształtu. Niezależnie od technologii, frontowa obudowa modułów PV (od strony wystawionej na działanie promieni słonecznych) musi być zawsze transparentna. Cechuje ją gładka lub specjalnie teksturyzowana powierzchnia, która różnie odbijając światło kreuje odpowiednie efekty wizualne: jedne materiały nie odzwierciedlają obrazów, inne jedynie niewyraźnie widoczne kształty, niektóre są prawie jak lustra. Tylna warstwa obudowy modułu daje najwięcej możliwości dla kształtowania estetyki – może być kolorowa, pokryta nadrukiem, nieprzeźroczysta lub transparentna. W szklanych fasadach często wykorzystywana jest do tworzenia ciekawych efektów wizualnych, widocznych z obu stron (fot. 10-12). Moduły semitransparentne czy kolorowe filtrują naturalne światło, tworząc grę światłocienia i inne efekty optyczne wewnątrz budynku (fot. 11).

Fot. 10. Kolorowa kompozycja BiPV w szklanej elewacji budynku przedszkola, Drezno [fot. www.reiter-rentzsch.de]

prostokąta. Niektóre firmy oferują tzw. patchworki – podmoduły, które razem zalaminowane i pokryte jednym frontowym szkłem tworzą element o dużej powierzchni. Nowe możliwości kreowania estetyki zapewniają moduły zakrzywione oraz giętkie, nadające się do użycia na powierzchniach

Szczególne możliwości pojawiły się wraz z rozwojem technologii ogniw cienkowarstwowych osadzanych na giętkich materiałach (metalicznych, plastikowych). Mogą być one wykorzystane na powierzchniach każdego kształtu – prostych, zakrzywionych, wklęsłych czy wypukłych – co dla twórców współczesnej architektury jest szczególną zaletą.

Fot. 11. Szkoła podstawowa, Grass Valley. Artystyczna wizja szklanej fasady BiPV autorstwa Sary Hall [fot. www.sarahhallstudio.com]

Wraz z rozwojem technologii BiPV paleta produktów budowlanych poszerzyła się o nowatorskie, wielofunkcyjne materiały, będące kombinacją tradycyjnych elementów z innowacyjną koncepcją solarnej technologii. Moduły fotowoltaiczne można bowiem wyprodukować w bezpośrednim połączeniu z konwencjonalnymi materiałami budowlanymi.

Fot. 12. The Wind Tower, Regent College, Vancouver. Matryca ogniw PV zintegrowanych z barwionym szkłem Lux Nova. Energia fotowoltaiczna wykorzystywana jest w nocy do oświetlenia wieży za pomocą sterowanych komputerowo diod LED [fot.http://www.sarahhallstudio.com]

Fotowoltaika w architekturze

Początkowo integracja fotoogniw możliwa była jedynie ze szkłem, dziś jest już możliwe i z powodzeniem wykorzystywane trwałe połączenie z większością materiałów stosowanych w konstrukcji budynków. Komercyjne produkty takie jak okładziny elewacyjne, dachówki, gonty, blachy, tworzywa sztuczne, częściowo transparentne szkło fotowoltaiczne, itd., prezentują zupełnie odmienne aspekty wizualne (fot. 8, 13-14).

Możliwość doboru parametrów wg potrzeb oraz różnorodność rozwiązań przyczyniają się do wzrostu zainteresowania fotowoltaiką i jej

Fot. 13. Fabryka SCHEUTEN Solar, Gelsenkirchen. Fasada BiPV z trzech rodzajów szkła fotowoltaicznego – połączenie nieprzeźroczystych i częściowo transparentnych modułów [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

29


Magdalena Muszyńska-Łanowy

Fot. 14. Fotowoltaiczna blacha Quick Step –Rheinzink Solar PV. Blachy cynkowo-tytanowe trwale zintegrowane ze szklanym modułem PV [fot. www.rheinzink.de]

szerszego zastosowania we współczesnej architekturze, w której kompleksowe powłoki muszą odpowiadać coraz wyższym standardom. Integracja modułów fotowoltaicznych ze znanymi i sprawdzonymi materiałami budowlanymi zwiększa wiarygodność nowej generacji BiPV, które posiadają już certyfikaty trwałości i jakości. Prawdopodobnie jest tylko kwestią czasu, żeby przemysł budowlany w pełni zaakceptował ogniwa fotowoltaiczne jako integralny element swoich produktów, na dużą skalę udostępniając na rynku komercyjnym wielofunkcyjne, trwałe, atrakcyjne kosztowo i zróżnicowane pod względem wizualnym materiały solarne. Nieustannie powstają prototypy nowych rozwiązań (fot. 15), można więc przypuszczać, że wraz z rozwojem rynku estetyka i różnorodność będzie rosnąć, a trudności związane z powszechną akceptacją i aplikacją zmniejszą się. Na posiedzeniu PV-SEC w Barcelonie (2005) Stefan Behling, kierownik projektu w Norman Foster Architects, powiedział: Ogniwa

Fot. 15. Prototyp szklanych paneli BiPV opracowanych przez Solarmer Energy i Joel Berman Glass Studios. Wypalane w piecu, teksturyzowane szkło laminowane połączono z transparentnymi, plastikowymi ogniwami [fot.http://www.designbuildsolar.com]

są piękne, kocham je. Ale niewielu podejmuje wyzwanie na poważnie i próbuje tworzyć realizacje, które są piękne. Ta sytuacja nie tylko kreuje biedną architekturę, ale też powoduje ryzyko wywołania sprzeciwu wobec fotowoltaiki. Zastosowanie fotowoltaiki w budynku wywiera wpływ na ukształtowanie przestrzenne i plastyczne jego powłoki. W przypadku BiPV związki technologii z architekturą są szczególne, jako że zintegrowane systemy solarne dla efektywnego funkcjonowania wymagają spełnienia konkretnych warunków. Różnorodność opcji materiałowych i kompozycji elementów zapewniają szerokie pole dla działań architektonicznych.

Widoczność W zależności od rozwiązania fotowoltaiczna skóra budynku wywołuje u odbiorcy słabsze lub silniejsze wrażenia wizualne. Widoczność generatora PV może być ważnym i pozytywnym elementem kształtującym architekturę, w

Fot. 16. V-Zug AG, Zug. Fasada budynku łączy utrzymane w podobnej konwencji estetycznej, tego samego kształtu i rozmiaru (1000x4500 mm) szklane panele oraz moduły fotowoltaiczne. Laminaty PV ze szkła bezpiecznego wyprodukowała na specjalne zamówienie firma ERTEX-SOLAR specjalizująca się w modułach dużej powierzchni [fot. ERTEX-SOLAR]

30

niektórych wypadkach bywa jednak niepożądana – np. w budynkach zabytkowych o określonych cechach architektonicznych, a także wtedy, gdy zostanie po prostu źle zaprojektowana lub wykonana. Odpowiedni wybór materiałów BiPV oraz sposobu ich integracji sprawia, że system fotowoltaiczny tworzy logiczną, naturalną część architektury i dopełnia całości. Włączenie fotowoltaiki do określonego projektu lub charakterystycznego wizerunku architektonicznego prowadzi do osiągnięcia różnych rezultatów. Dobrze wkomponowana w architekturę, „bezszwowa” integracja nie rzuca się specjalnie w oczy, tym bardziej, gdy użyte materiały BiPV, dostosowane pod względem koloru, faktury, kształtu i wielkości, pozostają w harmonii z innymi elementami powłoki (fot. 16). Czasami, z pewnej odległości instalacja solarna jest wręcz niezauważalna. Mniej lub bardziej widoczny system BiPV może dobrze współgrać z kontekstem, ale nie dominować lub wręcz przeciwnie – zdeterminować cały obraz budynku (fot. 17). Różnorod-

Fot. 17. Fabryka modułów SCHEUTEN SOLAR, Gelsenkirchen. Zakrzywiona struktura BiPV stanowi główny element architektury budynku – fasada przechodzi płynnie w dach nad strefą wejściową i administracyjną. Centralną część tworzy pas szklenia, z którym zintegrowano ogniwa fotowoltaiczne. Po jego obu stronach zastosowano aluminiowe panele Kalzip trwale złączone z pasami modułów PV [fot. M. MuszyńskaŁanowy]

WYDANIE SPECJALNE


Ekologia dla oczu. Estetyka powłoki BIPV

Fot. 18. BOSCH SOLAR ENERGY, Holzminden. Czarna fasada BiPV z modułów CIS powstała w ramach remontu domu towarowego z lat 70. ubiegłego wieku. Głównym celem było przywrócenie budynkowi walorów estetycznych oraz wykonanie izolacji termicznej ściany kurtynowej. Moduły PV (prod. JOHANNA SOLAR TECHNOLOGY) nachylono pod kątem 10º dla lepszych zysków energetycznych. Wolne przestrzenie między elementami przykryto perforowanymi blachami aluminiowymi dla umożliwienia wentylacji fasady [fot. www.energie-und-technik.de]

ność materiałów i sposobów integracji modułów PV pozwala projektantom odpowiednio ukryć je lub wyróżnić. Przykładowo, szkło fotowoltaiczne zintegrowane z typowym systemem fasady słupoworyglowej będzie mniej zwracało uwagę niż zamontowane na zewnątrz ruchome, przeciwsłoneczne lamele BiPV. Ciemnoniebieskie moduły z krzemowymi ogniwami polikrystalicznymi, ze względu na charakterystyczną „migoczącą” w słońcu strukturę kryształów, silniej wyróżnią się w elewacji niż bardziej jednolite pod względem kolorystycznym czarnobrunatne materiały z krzemu amorficznego a-Si. Z kolei coraz bardziej powszechne i uznawane za „eleganckie” cienkowarstwowe moduły z selenku indowo-miedziowego CIS/CIGS (fot. 18) są z pewnej odległości w zasadzie nie do odróżnienia od czarnego szkła budowlanego [5]. Zupełnie różne efekty wizualne związane są z oświetleniem instalacji BiPV. Dotyczy to przede wszystkim modułów semitransparentnych, które ujawniają swoją strukturę w zależności od miejsca obserwacji i kierunku głównego oświetlenia. Wzornikowane laserem materiały cienkowarstwowe pozwalają uzyskać bardziej dyskretne wrażenia optyczne (fot. 19) niż szkło zintegrowane z rozsuniętymi ogniwami krystalicznymi, które tworzy charakterystyczną szachownicę światła i cienia. W wielu obiektach instalacja fotowoltaiczna specjalnie projektowana jest w taki sposób, aby przyciągać wzrok i wzbudzać zainteresowanie.

W budynkach o charakterze komercyjnym czy industrialnym wynika to przede wszystkim z potrzeb marketingowych lub ze względów edukacyjno-informacyjnych. Obok prezentacji najnowszych osiągnięć techniki solarnej i budowlanej jest to jednocześnie demonstracja zaangażowania w kwestie związane z ochroną środowiska, podążania za postępem technologicznym. Wraz z postępującą modą na ekologię interesujące wizualnie instalacje fotowoltaiczne stają się skuteczną reklamą dla każdego inwestora (fot. 20). Coraz większa różnorodność produktów BiPV oraz malejące ograniczenia techniczne stymulują projektantów do dalszej kreatywności, niektórzy z nich próbują więc wyróżnić się czymś szczególnym. Z drugiej strony można zauważyć, iż rynek materiałów BiPV kieruje się wyraźnie w stronę standaryzacji i ujednolicenia rozwiązań, co prowadzi do kształtowania solarnej architektury na podobieństwo znanych, konwencjonalnych struktur. Z tego względu np. szklane moduły PV produkowane są w kształtach, rozmiarach i kolorach na podobieństwo typowego szkła budowlanego. Niezależnie od podejścia i rezultatu widoczne jest, iż moduły PV przestają być czysto

tyczne wymagania dla tego typu instalacji są bardzo wysokie. Dodatkowym wyzwaniem jest w tym wypadku takie rozmieszczenie elementów systemu elektrycznego (okablowania, falowników, itd.), aby były one w miarę możliwości ukryte, przy czym jednocześnie efektywnie spełniały swoje zadanie i zapewniały bezpieczeństwo użytkownikom. Zazwyczaj przewody ukrywa się więc w profilach konstrukcyjnych, pod listwami maskującymi itp.

Fot. 19. Smart SolarFab®, Alzenau. Fasadę BiPV wykonano w systemie słupowo-ryglowym Schüco z wypełnieniem w postaci szklanych modułów PV. Semitransparentne ogniwa z krzemu amorficznego ASI-THRU® zintegrowano ze szkłem izolacyjnym Voltarlux® [fot. RWE SCHOTT SOLAR]

Fot. 20. Dom mody ZARA, Kolonia. Wedle koncepcji architekta zamiast marmurowej okładziny elewacji inwestor wybrał ciemnoniebieskie, połyskujące panele z polikrystalicznych ogniw krzemowych. Instalacja BiPV zwraca uwagę przechodniów i klientów, pokazuje możliwości wykorzystania techniki solarnej [fot. SOLON AG]

technicznym elementem, „niezgrabnym” dodatkiem do budynku. Poprawnym środowiskowo, efektywnym energetycznie, ale nieestetycznym i nieinteresującym architektonicznie. Zamiast ukrywać fotowoltaikę na dachach, znani projektanci coraz częściej integrują ją z elewacjami budynków, podkreślając jako ważny element swoich projektów. Systemy zintegrowane z fasadami są najbardziej widoczne (w przypadku szklanych konstrukcji – nawet z obu stron), dlatego este-

Przestrzenny charakter powłoki BiPV zależy od sposobu integracji modułów fotowoltaicznych. Gdy zastępują one konwencjonalne komponenty struktury (np. okładzinę wentylowanej fasady) lub są z nimi trwale połączone, efekt będzie zupełnie inny, niż kiedy doda się coś do już istniejącej konstrukcji (fot. 21). Moduły PV montuje się w płaszczyźnie zewnętrznej przegrody (fot. 22) lub w oddaleniu od niej, co wpływa na jej ostateczną grubość, kształt i formę.

Fotowoltaika w architekturze

Kompozycja przestrzenna Potrzeba maksymalizacji zysków z promieniowania słonecznego dla konwersji fotowoltaicznej wpływa na cechy przestrzenne budynku i jego powłoki. Korzystne ustawienie modułów PV względem słońca wiąże się z ich odpowiednią orientacją i nachyleniem oraz z takim ukształtowaniem struktury, aby nic nie zacieniało powierzchni aktywnej. W praktyce może się to objawiać np. specjalnie wydłużoną lub nachyloną, silnie wyeksponowaną elewacją południową.

31


Magdalena Muszyńska-Łanowy

Fot. 22. Budynek zeroenergetyczny, Tübingen. Na elewacji południowej i zachodniej połączono tradycyjne materiały, takie jak drewno i szkło, z dwoma rodzajami materiałów solarnych. Firma SUNWAYS wyprodukowała na specjalne zamówienie szklane moduły z wysoko wydajnymi ogniwami mono- i polikrystalicznymi [fot. SUNWAYS] Fot. 21. Budynek socjalny, Köln-Bocklemünd. Demonstracyjny projekt powstał w ramach remontu „50 osiedli mieszkaniowych z energią słoneczną w Nadrenii Północnej-Westfalii”. Moduły fotowoltaiczne w trzech kolorach: czerwonym, zielonym i niebieskim zintegrowano z fasadą budynku [fot. ECOFYS Germany GmbH, www.pvdatabase.org/]

Najbardziej „rozrzeźbione” formy przestrzenne powstają w wyniku zamocowania paneli fotowoltaicznych w pewnej odległości od skóry budynku, równolegle lub pod innym kątem (fot. 18, 23). Dotyczy to szczególnie różnego rodzaju struktur specjalnych dodawanych do powłoki, tj. zadaszeń, żaluzji, ekranów, itp. (fot. 24), tym bardziej jeśli są one ruchome. Nowoczesne materiały BiPV funkcjonują nawet w gorszych warunkach nasłonecznienia, dlatego mogą tworzyć integralny element zarówno typowej wertykalnej fasady, horyzontalnego pokrycia dachowego, jak i różnego typu struktury nachylonej a nawet zakrzywionej.

Wysoko efektywne w pozyskiwaniu energii solarnej (zarówno w sposób pasywny jak i aktywny) pochylone fasady BiPV są często ze względów estetycznych projektowane w strefie wejściowej, najbardziej reprezentacyjnej, jako charakterystyczny element architektoniczny. W niektórych nowoczesnych realizacjach zatracony zostaje tradycyjny podział na elewacje i dach, budynek pokrywa wówczas jedna wielofunkcyjna fotowoltaiczna skóra (fot. 17, 25). Szczególne możliwości dla kształtowania formy architektonicznej pojawiły się wraz z rozwojem technologii giętkich laminatów cienkowarstwowych, które można osadzać na powierzchniach każdego kształtu, także wklęsłych lub wypukłych. Zmiana krzywizny w płaszczyźnie elewacji, zadaszenia czy innego elementu BiPV stanowi pewne utrudnienie ze względu na różny kąt padania promieni słonecznych na poszczegól-

Fot. 23. Budynek firmy FISCHER, Waldachtal. Pochylona struktura BiPV z modułów krystalicznych tworzy interesująca kompozycję przestrzenną [fot. www.solarintegration.de]

32

ne moduły PV, jednak tego typu konstrukcje także są z powodzeniem realizowane.

Układ elementów Charakterystyczną, widoczną cechą systemu fotowoltaicznego jest modularność. Instalacja BiPV jest niczym kolaż powtarzających się w rytmicznym układzie elementów. W zależności od odległości i miejsca, które zajmuje obserwator, jej odbiór wizualny będzie różny. Z daleka bardziej homogeniczna z bliska ukazuje więcej szczegółów – panele fotowoltaiczne składają się z modułów, które z kolei zbudowane są z fotoogniw [1]. Wygląd całości uzależniony jest od odpowiedniej kompozycji modułów i doboru poszczególnych ich komponentów. Dziś obok standardowych rozwiązań na zamówienie wytwarzane są materiały spełniające rozmaite wymagania architektów czy inwestorów. Mają oni do dyspozycji elementy różnej budowy, wielkości, kształtu, koloru [4]. Połączone ze sobą, powtarzalne elementy BiPV tworzą mniej lub bardziej zwarte kompozycje pokrywające płaszczyzny rozmaitych kształtów i wielkości - od pojedynczych paneli okładzin (fot. 16), okien, żaluzji przeciwsłonecznych, pasów między okiennych (fot. 22), po całe pokrycia dachowe i fasadowe (fot. 26, 27). Ograniczeniem jest wyłącznie odpowiednia powierzchnia skóry budynku spełniająca wymagania techniczne niezbędne dla sprawnego i efektywnego funkcjonowania systemu fotowoltaicznego [2]. Istnieją nieograniczone wręcz możliwości kompozycyjne (fot. 21, 22), jeśli chodzi o układ elementów BiPV – ich wielkość, odległości od siebie, nachylenie, zestawienie różnych kształtów, materiałów, kolorów, itd. Ułożone horyzontalnie lub wertykalnie, przylegające do siebie moduły PV tworzą statyczną kompozycję. Z kolei nachylone pod różnym kątem, obrócone lub rozsunięte nadają powłoce BiPV znacznie bardziej dynamiczny charakter.

WYDANIE SPECJALNE


Ekologia dla oczu. Estetyka powłoki BIPV

Fot. 24. Fabryka Würth Solar, Schwäbisch-Hall. Czarne moduły CIS zintegrowano ze strukturą zadaszenia. Dla lepszych zysków energetycznych fotowoltaiczne panele nachylono pod kątem w stosunku do fasady [fot. www.kraehe-woehr.de]

Moduły PV tworzą też rozmaite kompozycje z tradycyjnymi materiałami budowlanymi znajdującymi się w ich sąsiedztwie (fot. 20, 26). Mogą wyróżniać się kolorem, strukturą, wielkością, kształtem, ułożeniem. Kontrastowe zestawienia dodatkowo podkreślają obecność nowoczesnej instalacji solarnej (fot. 22). W innych realizacjach jest wręcz przeciwnie, poszczególne elementy dopasowane są kształtem, wielkością, strukturą, itp. W takich wypadkach, na zamówienie wytwarza się moduły PV o konkretnych cechach lub na odwrót – do wybranych elementów instalacji solarnej dobierane są parametry konwencjonalnych materiałów. Niektóre systemy fasadowe, takie jak ALUHIT Wyss AG, Sj-Fassadensysteme czy Voltarlux PV-F-Typ, umożliwiają wymienne stosowanie konwencjonalnych paneli (szklanych, metalowych, z tworzyw sztucznych itd.) oraz modułów fotowoltaicznych (fot. 26). Bez dodatkowych kosztów i konieczności dopasowywania elementów mocujących można łatwo modyfikować kompozycję elewacji. Zróżnicowanie właściwości poszczególnych produktów BiPV stanowi ogromną zaletę technologii – rozmaite materiały, kształty, wielkość, giętkość i inne cechy, pozwalają tworzyć niezliczoną ilość kombinacji. Poprzez odpowiedni układ, dobór materiałów i kolorystyki powstają nawet wzory, napisy, obrazy (fot. 29). Dalsze możliwości kształtowania estetyki wiążą się ze zróżnicowaną budową poszczególnych modułów PV. Niektóre z realizacji BiPV to istne dzieła sztuki, w których kwestie wizualne pełnią główną rolę (fot. 30). Indywidualne efekty plastyczne tworzone są zarówno z wykorzystaniem typowych produktów BiPV, jak i nowatorskich materiałów, wytwarzanych specjalnie dla konkretnego projektu. Przykładowo, standardowo prostokątne moduły na zamówienie wykonywane są w każdym

Fot. 25. Novartis-Campus, Bazylea. Fragmenty szklanej powłoki budynku zaprojektowanego przez Franka O’Gehry zintegrowano z modułami fotowoltaicznymi [fot. www.badische-zeitung.de/]

Fot. 26. GLASWERKE ARNOLD GmbH + Co. KG, Merkendorf. System fasady wentylowanej Voltarlux PV-F-Typ – kompozycja ze szklanych laminatów z cienkowarstwowymi ogniwami amorficznymi (a-Si) i paneli z zielonego szkła [fot. GLASWERKE ARNOLD GmbH + Co. KG]

Ze względu na kwestię efektywności energetycznej i skrócenie okablowania elektrycznego, układ modułów PV jest zazwyczaj w miarę zwarty, choć odległości pomiędzy nimi można różnie kształtować (fot. 28). Rezultatem są mniej lub bardziej jednolite i monotonne kompozycje. Rytmiczny układ jest jedną z charakterystycznych cech wizualnego aspektu instalacji fotowoltaicznej zintegrowanej z budynkiem (fot. 27). Zestawienie typowych modułów PV z metalowym obramowaniem tworzy widoczną, charakterystyczną siatkę, która może być zamierzonym elementem kształtującym estetykę, w niektórych wypadkach będzie ją natomiast zaburzać. Regularny, geometryczny układ pionów i poziomów można w pewnym stopniu ukryć poprzez zastosowanie bezramowych szklanych laminatów PV, które nadają powłoce lekkości i ujednolicają jej wygląd. M.in. z tego powodu cieszą się one dużą popularnością wśród architektów.

Fot. 27. Fabryka Isofotón, Malaga. Charakterystyczny, regularny i rytmiczny układ elementów BiPV na elewacji. W roli okładziny wentylowanej użyto specjalnie wyprodukowane moduły laminowane na podłożu ceramicznym, przeszklone fragmenty wykonano w konstrukcji podwójnej fasady kurtynowej [fot. Isofotón]

Fotowoltaika w architekturze

33


Magdalena Muszyńska-Łanowy w zasadzie kształcie geometrycznym. W razie potrzeby ogniwa są przycinane lub układane w odpowiedni sposób na ich powierzchni, a niejednokrotnie ze względów czysto estetycznych instaluje się po prostu moduły nieaktywne. Krzemowe ogniwa krystaliczne produkowane w rozmaitych kształtach i wielkościach, można zestawiać w różnych układach i odległościach od siebie oraz od rantu modułu. Produkowane z rolki cienkowarstwowe laminaty można ciąć na wymiar, a dzięki giętkości osadzać na powierzchniach różnego kształtu. Jeżeli fotowoltaika ma być wykorzystywana w architekturze na znacznie większą skalę, niż dotychczas, musi wzbudzać zainteresowanie zarówno projektantów jak i inwestorów. Z pewnością więc jakość i różnorodność produktów BiPV oraz możliwości ich wykorzystania muszą być stale poszerzane i optymalizowane.

Fot. 28. Centrum Kultury Prøvehallen, Ovnhallen. W ramach renowacji budynku z lat 30. ubiegłego wieku na południowej ścianie zamontowano moduły fotowoltaiczne. Charakterystyczny sposób montażu i nieuporządkowana wizualnie kompozycja elementów przyciągają uwagę zarówno w ciągu dnia jak i nocą [fot. www.buildup.eu]

wania słonecznego we wnętrzu powstaje charakterystyczna gra światła i cienia. Efekt ten architekci wykorzystują często jako ważny element kształtowania estetyki wnętrza, np. w hallach wejściowych, strefach rekreacyjnych itd.

Podsumowanie

Fot. 14. Wienstrom, Wiedeń. Moduły fotowoltaiczne tworzą obraz słońca na elewacji wiedeńskiej elektrowni [fot. ERTEX SOLAR]

Obok podstawowej funkcji, jaką jest generowanie czystej energii elektrycznej, elementy generatora fotowoltaicznego można z powodzeniem wykorzystać w kreowaniu estetyki współczesnych budynków. Nieustannie rozwijająca się technologia BiPV posiada wyjątkowy potencjał wizualnej ekspresji.

Zmienność Zdecydowana większość instalacji BiPV jest nieruchoma, ale montowane na powłokach struktury specjalne, takie jak sterowane automatycznie żaluzje czy brise-soleil będą zmieniały w czasie swoje położenie tworząc dynamiczne efekty wizualne. Dodatkowy efekt plastyczny można uzyskać poprzez użycie na szkle holograficznych powłok, które rozpraszają światło w spektralne kolory – wrażenia odbierane przez obserwatora będą zmieniały się w zależności od natężenia oświetlenia, jego kierunku oraz pozycji. Zmienność wrażeń optycznych zapewniają też materiały częściowo transparentne. Zupełnie inaczej będą one odbierane przez obserwatora w zależności od jego pozycji oraz głównego oświetlenia. W ciągu dnia szklane fasady, świetliki i inne elementy zintegrowane z ogniwami z zewnątrz wyglądają dość jednolicie, z kolei nocą, przy sztucznym oświetleniu, ujawniają wyraźnie swoją strukturę. W przypadku ogniw krzemowych, które rozsuwa się na większe odległości od siebie, w ciągu dnia wraz ze zmianą natężenia promienio-

34

Dla architektów estetyka solarnej technologii jest szczególnie ważna, często nawet bardziej niż kwestie funkcjonalne i techniczne. Coraz większa różnorodność produktów i malejące ograniczenia techniczne powinny stymulować projektantów do kreatywności, a inwestorów zachęcać do realizacji indywidualnych, nowatorskich rozwiązań. W większości dotychczasowych realizacji powłok BiPV powtarzają się jednak znane formy i rozwiązania. Tak jak w przypadku każdej innowacji, znalezienie dla niej odpowiedniej ekspresji, wyrazu, stylistyki z pewnością nie nastąpi od razu. Zmiana jest procesem stopniowym, ewoluującym. Nowe pomysły są jednak potrzebne, a dalszy postęp być może doprowadzi do wytworzenia zupełnie nowej, specyficznej estetyki. Atrakcyjne realizacje wzbudzają zainteresowanie, wzmacniają akceptację dla solarnej technologii, inspirują innych. Dlatego estetyka jest szczególnie ważna dla dalszego rozwoju zarówno fotowoltaiki jak i współczesnej architektury. dr inż. arch. Magdalena Muszyńska-Łanowy Politechnika Wrocławska

Fot. 15. Pearl Avenue Branch Library, San Jose. Artystyczna instalacja łącząca możliwości szkła i materiałów solarnych powstała w wyniku współpracy Lynn Goodpasture i Peters Glass Studies. Fragment fasady tworzą 4 tafle szkła float, z którymi zintegrowano fotoogniwa. Dodatkowo wykorzystano technikę aerografii dla umieszczenia na szkle różnych warstw koloru oraz liter i znaków z różnych alfabetów, m.in. wietnamskiego, łacińskiego [fot. http://img.geocaching.com]

Bibliografia [1] Hagemann I. B.: Gebäudeintegrierte Photovoltaik. Architektonische Inte gration der Photovoltaik in die Gebäudehülle, Müller, Köln 2002. [2] Muszyńska-Łanowy M.: BiPV – fotowoltaika zintegrowana z budynkiem, „Świat Szkła” 5/2010. [3] Muszyńska-Łanowy M.: Czarne fasady - fotowoltaiczne okładziny CIS, „Świat Szkła” 7-8/2010. [4] Muszyńska-Łanowy M.: Fotowoltaika w kolorze, „Świat Szkła” 4/2011. [5] Prasad D., Snow M. (eds.): Designing with solar power. A Source Book for Building Integrated Photovoltaics (BIPV), Images Publishing, Mulgrave, Earth scan, London, Sterling 2005 [6] Reijenga T.: PV in Architecture, in: Hegedus S., Luque A. (eds.): Handbook of Photovoltaics Engineering, John Wiley & Sons, New York 2002 [7] Wines J.: Green Architecture, Taschen, Köln 2000 [8] http://www.solardesign.com [9] http://www.wuerth-solar.de [10] http://www.interiordesign.net [11] http://www.ertex-solar.at [12] http://www.pvdatabase.org

WYDANIE SPECJALNE


Budownictwo zintegrowane z fotowoltaiką KALKULATOR PV DLA ARCHITEKTÓW

Budownictwo zintegrowane z fotowoltaiką Budynki zintegrowane z fotowoltaiką (ang. BIPV) są wyzwaniem dla współczesnego budownictwa. BIPV (ang. Building Integrated PhotoVoltaic) polega na zastąpieniu standardowych materiałów używanych w budownictwie przez moduły fotowoltaiczne.

Możliwości zastosowania fotowoltaiki w budownictwie jest dużo, a najważniejsze z nich to: • fasady słupowo-ryglowe, • fasady wentylowane, • świetliki, • zadaszenia, wiatrołapy itp., • podłogi, • mała architektura. Moduły fotowoltaiczne oprócz generowania energii elektrycznej, mogą pełnić ponadto: • funkcje estetyczne (element architektury), • funkcje izolacji termicznej poprzez zmniejszenie ilości energii cieplnej przenikającej do kubatury budynku, • funkcje izolacyjności akustycznej. Rys. 1. Możliwości integracji fotowoltaiki w budownictwe

Projektując instalacje fotowoltaiczne warto zwrócić uwagę na następujące aspekty: 1. Usytuowanie względem stron świata. Najbardziej optymalny dla instalacji fotowoltaicznych jest południowy azymut, czyli ustawienie modułów fotowoltaicznych do słońca (tabela poniżej). 2. Pochylenie płaszczyzny paneli do poziomu. W Polsce nachylenie pod kątem 35o od

płaszczyzny poziomej jest najbardziej optymalne (tabela poniżej). 3. Dobór technologii ogniw fotowoltaicznych, zależnej od lokalizacji i natężenia promieniowania słonecznego. 4. Wymagany współczynnik LT w przypadku montażu ogniw w elementach przeziernych.

Korzyści wynikające z integracji fotowoltaiki w budynku: 1. Zacienienie poprzez ogniwa monokrystaliczne powierzchni wewnątrz i ograniczenie dopływu energii cieplnej (ochrona przed przegrzaniem). 2. Ograniczenie szkodliwego promieniowania IR i UV.

Tabela 1. Przedstawienie uzysków elektrycznych [kWh] z 100 kWp instalacji fotowoltaicznej w Warszawie, w zależności od azymutu (kolumny) i kąta pochylenia (wiersze). Straty systemu fotowoltaicznego wynikające z wysokiej temperatury, odbić oraz elektryki przyjęto na poziomie 24%. N - północ

NW – północny zachód

W – zachód

SW- południowy zachód

S - południe

SE- południowy wschód

E- wschód

NE – północny wschód

N - północ

-180o

-135o

-90o

-45o

0o

45o

90o

135o

180o

90o

17,3

28,2

47,3

61,8

65,7

61,1

46,6

27,8

17,3

70o

26,3

39,7

61,3

77,8

83,3

77,1

60,5

39,2

26,3

50o

38,8

51,4

72

87,5

93

87

71,2

50,9

38,8

35o

51,7

60,3

77,3

90,4

95,1

89,9

76,7

59,9

51,7

20o

65,6

70,1

80,6

89,4

92,7

89,1

80,2

69,9

65,6

10o

74,5

76,8

82

86,8

88,6

86,6

81,8

76,7

74,5

0o

82,6

82,6

82,6

82,6

82,6

82,6

82,6

82,6

82,6

Źródło: Strona internetowa http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php

Fotowoltaika w architekturze

35


Paweł Bytnar

Rys. 2. Instalacja fotowoltaiczna na świetliku w siedzibie firmy RECONAL

Rys. 3. Strona internetowa z darmowym kalkulatorem

3. Oszczędności energii elektrycznej zużytej na klimatyzację i wentylację kubatury. Miesiące między kwietniem a październikiem są najbardziej efektywnym okresem dla fotowoltaiki, stąd idealnie nakłada się on na czas pracy urządzeń klimatyzacyjno-wentylacyjnych. 4. Obniżenie kosztów eksploatacji budynków o wartość nie zakupionej energii elektrycznej, którą wyprodukuje instalacja. 5. Poprawa parametrów akustycznych. 6. Nowoczesny wygląd i innowacyjność.

MWh energii elektrycznej (co odpowiada 1/5 rocznego zużycia energii dla rodziny 2+2). Uzysk elektryczny naszej instalacji fotowoltaicznej można łatwo i za darmo sprawdzić na stronie internetowej (powyżej z prawej): http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/ pvest.php

Na fotowoltaikę zintegrowaną z budynkiem BIPV nie powinno się patrzeć tylko przez pryzmat wygenerowanej energii elektrycznej. Dobrze zaprojektowana instalacja fotowoltaiczna oprócz generacji energii elektrycznej, może doskonale współpracować z systemem klimatyzacji budynku. Dopiero po uwzględnieniu wszystkich aspektów użycia fotowoltaiki, można sporządzić rzetelny zwrot z inwestycji. W przyszłości tego typu rozwiązania będą stosowane w budownictwie. W maju 2010 r. Komisja Europejska przyjęła tzw. przekształconą Dyrektywę 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków, która stawia zdecydowanie wyższe wymagania budynkom. Z końcem 2020 roku wszystkie nowe oraz modernizowane budynki (budynki użyteczności publicznej już od 2018 r.) będą się charakteryzowały niemal zerowym zużyciem energii.

Metodologia obliczania mocy instalacji fotowoltaicznej oraz uzysku rocznego z fotowoltaiki Standardowy panel fotowoltaiczny ma dziś 250 Wp (Wp – ang. wat peak, czyli maksymalna moc panela w warunkach laboratoryjnych) Cztery panele fotowoltaiczne to moc 1000 Wp. Taka moc paneli fotowoltaicznych zainstalowana w Warszawie na południowym dachu pod kątem 35o generuje w ciągu roku ok. 0,95

36

• •

• •

Jak użyć tego narzędzia? Zaznaczamy na mapie miejsce gdzie ma być umieszczona instalacja fotowoltaiczna. Pojawi się tam znacznik w postaci czerwonego markera. Wybieramy typ modułu fotowoltaicznego. Najpopularniejsze obecnie są moduły krzemowe, mono- i polikrystaliczne. Zaznaczamy jaka jest nominalna moc paneli fotowoltaicznych i wpisujemy ją w polu „Installed peak PV power”. Następnie określamy kąt, pod jakim ten panele będą ustawione do słońca. Optymalny dla Polski jest 35o, ale jeśli chcemy ustawić panel na fasadzie, to zaznaczamy 90o. Określamy azymut, czyli ustawienie instalacji do słońca: 0 – południe, -90 – wschód, 90 – zachód. Na samym końcu wciskamy przycisk Calculate i otrzymujemy wynik.

Firma RECONAL jest firmą działającą na rynku polskim od 1993 r. Jej oferta obejmuje projektowanie, doradztwo, produkcję i realizację inwestycji budowlanych w zakresie konstrukcji aluminiowo-szklanych. W zakresie fotowoltaiki usługi obejmują: • przeprowadzenie studium wykonywalności projektu budynku z użyciem fotowoltaiki; • analizę danych środowiskowych, tj. położenia geograficznego, orientacji budynku itp.; • analizę zacienienia przez sąsiadujące obiekty; • analizę natężenia promieniowania, sumaryczną ilość godzin solarnych;

• •

wizualizację obiektów zintegrowanych z PV; zaproponowanie koncepcji integracji BIPV.

Projekty instalacji fotowoltaicznych wykonywane są w oparciu o oprogramowanie CAD, z rozszerzeniem, pozwalającym na projektowanie i symulację systemów fotowoltaicznych na budynkach. Wynikiem symulacji jest raport zawierający informację na temat nasłonecznienia w podanej lokalizacji, wizualizacja instalacji fotowoltaicznej, analiza zacienienia instalacji przez sąsiadujące budynki w różnych porach roku oraz roczne uzyski energetyczne potrzebne do policzenia opłacalności inwestycji. Paweł Bytnar e-mail: solar@reconal.com.pl

WYDANIE SPECJALNE


Fotowoltaika w architekturze

37


Magdalena Muszyńska-Łanowy

Fotowoltaika w kolorze Kolor jest jednym z najważniejszych elementów determinujących wizualny aspekt instalacji fotowoltaicznej (PV). W przypadku systemów zintegrowanych z budynkiem (tzw. BiPV, ang. Building Integrated Photovoltaics) odgrywa szczególną rolę w kształtowaniu estetyki jego powłoki. Typowa, powszechnie kojarzona z solarną technologią kolorystyka to połączenie ciemnoniebieskich ogniw ze srebrnym kolorem kontaktów elektrycznych i obramowania modułów (fot. 1). Nie zawsze spotyka się ona z akceptacją architektów czy potencjalnych inwestorów. Pomijając subiektywną kwestię gustu i ograniczenia kreatywności projektantów, niebieskosrebrne panele często są po prostu zbyt widoczne, „krzykliwe” wręcz, co może być niepożądane w wypadku ich integracji z niektórymi obiektami, np. o charakterze historycznym. Przez lata, ze względów technicznych i ekonomicznych, paleta kolorystyczna materiałów BiPV była bardzo ograniczona. Postęp technologiczny ostatniej dekady oraz rosnące zainteresowanie estetyką urządzeń fotowoltaicznych pozwoliły znacznie poszerzyć komercyjny asortyment. Choć w praktyce nadal dominują standardowe rozwiązania, różnorodność dostępnych materiałów i możliwości ich łączenia pozwalają dziś osiągać coraz bardziej zróżnicowane pod względem kolorystycznym rezultaty. Barwy wprowadzane są do architektury dla zwrócenia uwagi, nadania nowej jakości estetycznej, czy też zmiany zimnego, technicznego charakteru nowoczesnego budynkumaszyny na bardziej „przyjazny”, wkomponowany w naturalne otoczenie. Kolor instalacji PV/BiPV uzależniony jest przede wszystkim od budowy modułów fotowoltaicznych: rodzaju użytych ogniw, obudowy ochronnej, obramowania, oraz kompozycji poszczególnych elementów.

Ogniwa fotowoltaiczne Wybór materiału półprzewodnikowego implikuje konkretne efekty wizualne. W praktyce najczęściej wykorzystywane są ogniwa z krzemu krystalicznego.

Fot. 2. Standardowe, ciemnoniebieskie ogniwa z krzemu krystalicznego. Od lewej: ogniwo monokrystaliczne i polikrystaliczne [fot. M. MuszyńskaŁanowy]

38

Fot. 1. Przykład typowej instalacji solarnej na dachu budynku mieszkalnego. Standardowe, obramowane moduły typu szkło-folia z ciemnoniebieskimi ogniwami krystalicznymi na białym tle [fot. http://www.sunsetsolar.de]

Materiały monokrystaliczne (m-Si), standardowo granatowe lub czarne, mają dość jednolite zabarwienie. Ogniwa polikrystaliczne (p-Si) występujące w różnych odcieniach niebieskiego charakteryzuje widoczna struktura kryształów, która tworzy efekt świetlistych, „migoczących” kolorów zmieniających się wraz z oświetleniem i kierunkiem patrzenia (fot. 2). Surowa płytka krzemowa, z której powstaje ogniwo ma kolor szaro-metaliczny. Końcowy rezultat uzależniony jest od rodzaju i grubości powłoki antyrefleksyjnej nakładanej na przednią stronę ogniwa w celu redukcji strat energii następujących w wyniku odbicia promieni słonecznych. Wpływ na ostateczny kolor odbierany przez obserwatora może mieć też rodzaj obudowy ochronnej modułu i szorstkość jej powierzchni, folia laminująca, a także rodzaj i kąt padania światła oraz punkt patrzenia. Od połowy lat 90. ub. w. obok standardowych odcieni niebieskiego i czarnego dostępne są także inne kolory ogniw, np. szary, zielony, czerwony, złoty, brązowy. Ich użycie daje projektantom znacznie większe możliwości kształtowania estetyki, wiąże się jednak z wyższymi kosztami materiału oraz mniejszą

Fot. 3. Paul-Horn Arena, Tübingen – detal okładziny BiPV i widok budynku od strony południowej. Kolorowe moduły PV typu szkło-folia wyprodukowano na specjalne zamówienie. Szmaragdowe ogniwa SUNWAYS zalaminowano pomiędzy szkłem bezpiecznym o grub. 8 mm i białą folią Tedlar [fot.http://www.allmannsattlerwappner.de ]

efektywnością energetyczną generatora PV, ponieważ nałożenie dodatkowej warstwy antyrefleksyjnej obniża sprawność ogniw (tab. 1).

WYDANIE SPECJALNE


Fotowoltaika w kolorze Tabela 1. Porównanie sprawności ogniw z krzemu polikrystalicznego w zależności od koloru – na przykładzie ogniw SUNWAYS

Nie wszystkie kolory mają praktyczny sens – ogólnie im ciemniejszy kolor ogniw tym lepsza absorpcja światła słonecznego. Trzeba jednak zauważyć, że w przypadku instalacji BiPV czynniki estetyczne bywają czasami ważniejsze niż maksymalizacja zysków energetycznych. Na rosnące zapotrzebowanie w stosunku do estetyki i różnorodności materiałów fotowoltaicznych odpowiada coraz więcej firm oferując specjalistyczne produkty spełniające różnorodne wymagania. SUNWAYS wytwarza na zamówienie pod konkretny projekt ogniwa w kolorze srebrnym, złotym, brązowym i szmaragdowym (tab. 1, fot. 3). Te ostatnie zastosowano m.in. w budynku hali sportowej Paul-Horn Arena w Tübingen, gdzie zrealizowano największą na świecie elewację BiPV z kolorowymi ogniwami. Wentylowaną fasadę o powierzchni 525 m2 pokryto okładziną ze specjalnie wyprodukowanych, bezramowych laminatów typu szkło-folia.

Szmaragdowozielony kolor ogniw wyraźnie odcina się od białego tła uzyskanego poprzez użycie w tylnej obudowie modułu białej folii plastikowej. Dla osiągnięcia efektu szerokiego, jednolitego białego obramowania dodatkowo pokryto ścieżki lutowania na krawędziach. Kolorowa fasada BiPV dobrze wpisuje się w otoczenie, symbolizuje przejście z miasta na otwartą przestrzeń terenów zielonych (fot. 3). Nie pozwól, by markotne niebieskie ogniwa zniszczyły estetyczne piękno budynku – reklamuje się tajwańska firma LOF™ SOLAR, która od niedawna wytwarza pierwsze kolorowe ogniwa fotowoltaiczne o wysokiej efektywności (fot. 4). C-CellTM osiągają parametry bliskie wydajności typowych niebieskich ogniw - opatentowana nanotechnologia pozwoliła osiągnąć ponad 15% sprawność, co potwierdził niedawno Fraunhofer ISE (Institute for Solar Energy). Nanomateriały wykorzystują oprócz światła widzialnego także promieniowanie podczerwone, dzięki czemu zyski energii rosną o 30%. Dobrze funkcjonują w świetle rozproszonym, co jest szczególnie korzystne dla zastosowań architektonicznych. Ogniwa występują w wersji mono- i polikrystalicznej w dwóch podstawowych seriach: classic oraz marble (fot. 5). Aktualnie dostępnych jest 15 standardowych kolorów, m.in. zielony, fioletowy, czerwony, złoty, szary. Interesująca jest możliwość grawerowania (custom engraving) oraz podziału kolorystycznego w obrębie jednego ogniwa – skośnie (diagonal cut) lub na pół (middle cut). Wyłączność na dystrybucję tajwańskich ogniw w Europie posiada francuska ENERGIE +,

która na bazie C-CellTM wytwarza kolorowe panele o nazwie E+ COLOR (fot. 15). Produkty dostępne są na rynku od 2010 roku, ich cena kształtuje się w granicy 23-25 tys. euro za 20 m2 instalacji. Dla integracji z budynkiem coraz częściej wykorzystuje się moduły z ogniwami cienkowarstwowymi. W przypadku tych technologii kolory zależą od zastosowanych materiałów półprzewodnikowych oraz podłoża, na którym są one osadzane. I tak ogniwa z krzemu amorficznego (a-Si) na szklanym podłożu mają kolor brunatny (fot. 6), z kolei osadzone na taśmach stalowych materiały Uni-Solar® są ciemnoniebieskie z purpurowo-

Fot. 6. Dachowa instalacja BiPV ze szklanych modułów z krzemu amorficznego (a-Si). Bezramowe panele ASIOPAK®, zaprojektowane specjalnie dla integracji z budynkami, składają się z cienkowarstwowych ogniw ASI® na szklanym podłożu, zalaminowanych folią PVB z tylną obudową ze szkła hartowanego [fot. http://www.solengy.com]

fioletowymi odblaskami na obrzeżach. Wyjątkowo charakterystyczne pod względem kolorystycznym są różowo-fioletowe ogniwa FLEXCELL® na podłożu plastikowym (fot. 7). Standardowe, szklane moduły z tellurku kadmu (CdTe) mają kolor czarno-zielony, z selenku indowo-miedziowego (CIS) - czarny. Estetyka gładkich, jednolitych modułów CIS uznawana jest za szczególnie atrakcyjną dla zastosowań architektonicznych [2], czarne panele zyskują więc ostatnio na popularności (fot. 8).

Fot. 4. Paleta kolorystyczna ogniw C-CellTM, prod. LOFTM SOLAR. W standardowej ofercie dostępne są dwie grupy ogniw: classic (6 kolorów ogniw polikrystalicznych i 5 monokrystalicznych) oraz marble (wyłącznie ogniwa polikrystaliczne w 4 kolorach). Istnieje też możliwość grawerowania (custom engraving) lub podziału kolorystycznego w obrębie jednego ogniwa (diagonal cut i middle cut dostępne są we wszystkich kolorach) [fot. http://www.lofsolar.com]

Fot. 5. Ajax Operations Center, Ontario. „Szklany żagiel solarny” z kolorowymi ogniwami C-CellTM to kombinacja sztuki i zaawansowanej technologii. Specjalnie koloryzowane ogniwa polikrystaliczne typu metallic gold o sprawności 14,1% zalaminowano pomiędzy dwiema warstwami szkła hartowanego (6+6 mm) [fot.http://www.lofsolar.com]

Fotowoltaika w architekturze

Fot. 7. FLEXCELL® - cienkowarstwowe ogniwa na podłożu plastikowym, prod. VHF-Technologies [fot. http://www.flexcell.com]

39


Magdalena Muszyńska-Łanowy Firma SUNWAYS opracowała wówczas m.in. prototyp matowego modułu fotowoltaicznego dla budynków zabytkowych [8].

Fot. 8. Fabryka Honda Soltec, Kumamoto - fasadowa instalacja fotowoltaiczna z czarnych modułów CIGS [fot. http://world.honda.com]

Od niedawna ODERSUN produkuje moduły z ogniwami CIS na podłożu z taśm miedzianych (opatentowana technologia CISCuT ang. Copper Indium Disulphide on Copper Tape). W zależności od potrzeb mogą one mieć rozmaite kolory, wzory, możliwe są nawet nadruki na frontowej lub tylnej obudowie. Niezależnie od technologii dodatkowe efekty wizualne zapewnia kolor kontaktów elektrycznych na ogniwach. W standardowych materiałach krystalicznych są one srebrne (miedziane), ale mogą też mieć kolor materiału ogniwa. Przez długi czas nie przykładano do nich specjalnej wagi, obecnie jednak wraz ze wzrostem znaczenia estetyki systemów fotowoltaicznych opracowywane są już różne rozwiązania. Najbardziej powszechne, metaliczne siatki kontaktów układające się w literę „H” często nie podobają się architektom (fot. 2), stąd prace nad nowymi układami idą m.in. w kierunku ich umieszczenia na spodniej, niewidocznej stronie ogniwa (tzw. backcontact cell). W ogniwach cienkowarstwowych elektrody tworzą serie cienkich metalicznych linii, mogą być też transparentne – w efekcie w przypadku osadzenia ogniwa na podłożu przepuszczającym światło tj. szkle czy PMMA uzyskuje się mniej lub bardziej transparentny produkt końcowy. Interesujące możliwości kształtowania efektów kolorystycznych pojawiły się wraz z innowacyjnymi technologiami ogniw organicznych oraz nanokrystalicznych. Prototypy materiałów PV/BiPV oraz pierwsze eksperymentalne realizacje z ich wykorzystaniem już powstały. Przykładowo KONARKA TECHNOLOGIES wraz z ARCH ALUMINIUM & GLASS testują aktualnie możliwości kolorystyczne szkła fotowoltaicznego z organicznymi ogniwami Konarka Power Plastic® [3]. W nanokrystalicznych ogniwach uczulonych barwnikiem DSC (ang. Dye-sensitised Solar Cells) światło słoneczne ulega przekształceniu przy pomocy molekuł barwnika. Organiczne barwniki mogą być produkowane w szerokiej gamie kolorystycznej, co daje projektantom wyjątkową swobodę w kreowaniu wzorów (fot. 9).

40

Fot. 9. Prototyp kolorowego modułu DSC, prod. FRAUNHOFER ISE [fot. FRAUNHOFER ISE, http:// www.sciencedaily.com]

Materiał laminujący Dla ochrony przed zniszczeniem, korozją i wpływem warunków atmosferycznych ogniwa fotowoltaiczne są zakapsułowane w hermetycznej strukturze typu „sandwicz”. Poszczególne warstwy zalaminowane są pomiędzy ochronną obudową przy pomocy silnych spoiw, takich jak płynne żywice czy termoplastyczne materiały EVA, PVB. W laminatach typu szkłoszkło i szkło-folia zazwyczaj stosuje się folię EVA, która po zalaminowaniu jest przezroczysta. Dodanie barwników pozwala uzyskać inny kolor, np. niebieski lub czarny, ale takie materiały mogą być użyte tylko z tyłu ogniw, aby nie ograniczyć przepuszczalności światła.

Nieograniczone możliwości plastyczne oferuje tylna strona modułu (zwrócona do wewnątrz budynku) – może być nieprzeźroczysta, częściowo lub całkowicie transparentna, neutralna kolorystycznie, kolorowa, z wzorami czy nadrukiem. W zależnosci od miejsca i sposobu integracji z powłoką budynku będzie zauważalna lub nie. Pewne fragmenty tylnej obudowy mogą być widoczne od strony frontowej dookoła powierzchni aktywnej ogniw lub pomiędzy nimi (fot. 3, 11). W modułach typu szkło-folia tylna obudowa z tworzywa sztucznego (np. folia Tedlar) jest zwykle nieprzeźroczysta. Standardowe panele najczęściej produkowane są z użyciem folii w kolorze białym lub antracytowym. Białe materiały najmniej się nagrzewają, co jest korzystne dla wydajności energetycznej modułów PV, występują też jako przeświecające. Na rynku dostępne są również inne kolory, np. niebieski, szary, zielony, czarny. Zupełnie różne rezultaty można osiągnąć przez zastosowanie folii Tedlar w tym samym kolorze co ogniwa (fot. 11, 12) lub przy zestawieniu kontrastowym, np. połączeniu czarnych ogniw z białą folią (fot. 1, 11), czy pozostawieniu szerokiego kolorowego rantu dookoła powierzchni aktywnej (fot. 3). W modułach typu szkło-szkło opcje kolorystyczne dla tylnej obudowy są bardzo różne: można użyć szkło barwione w masie, lakierowa-

Obudowa modułu Frontowa warstwa obudowy ochronnej modułu PV (tzn. znajdująca się przed ogniwami) musi być transparentna, aby przepuszczać maksymalną ilość promieniowania słonecznego dla konwersji fotowoltaicznej. W zależności od technologii tworzy ją gładkie białe szkło, szkło ornamentowe lub tworzywo sztuczne [3]. Nowe rozwiązania frontowej obudowy szklanej o różnej strukturze, kolorystyce i refleksyjności testowano w latach 20012004 w ramach niemiecko-włoskiego projektu badawczego PVACCEPT.

Fot. 10. Żłobek El Blauet, Sant Celoni – semitransparentna szklana elewacja BiPV z modułów fotowoltaicznych typu szkło-szkło w 4 kolorach [fot.http://www.etsav.upc.edu]

WYDANIE SPECJALNE


Fotowoltaika w kolorze bezpośredniej integracji ze strukturą budynku moduły są jej najczęściej pozbawione, wówczas są produkowane podobnie jak normalne tafle szklane. Takie instalacje są bardziej homogeniczne pod względem kolorystycznym.

Kompozycje kolorystyczne

Fot. 11. Moduły PV typu szkło-folia z czarnymi ogniwami monokrystalicznymi na białym i antracytowym tle. Kolor tylnej obudowy modułu oraz obramowania można dobrać na zasadzie kontrastu lub podobieństwa do ogniw [fot. M. Muszyńska-Łanowy]

ne, ornamentowe, z kolorowym wzorem, nadrukiem itd. Ważne jest, aby barwnienie szkła było przeprowadzone w taki sposób, by nie spowodowało niepożądanych reakcji chemicznych z ogniwami i materiałem laminującym. Najprostszą metodą jest zastosowanie barwnych folii, jednak takie materiały bywają mało solidne i nietrwałe. W szklanych systemach przeciwsłonecznych szkło często pokrywane jest sitodrukiem. Producenci oferują standardowo punktowe rastry w różnych gęstościach. Tylną obudowę modułu może tworzyć transparentny materiał (plastik, szkło). W szklanych fasadach pozwala to tworzyć ciekawe efekty plastyczne, widoczne z obu stron. Przykładem może być kolorowa elewacja BiPV w katalońskim Sant Celoni, o demonstracyjnoedukacyjnym charakterze. Zintegrowane z pochyloną fasadą moduły szklane w 4 różnych kolorach tworzą półprzezroczysty filtr. Atrakcyjna gra światła i projekcja kolorowych cieni widoczna na ścianach wewnętrznych wzbudza zainteresowanie użytkowników w każdym wieku (fot. 10).

Poprzez odpowiedni dobór kolorów poszczególnych komponentów modułu PV efekty plastyczne można kształtować na wiele sposobów – np. kolorystycznie skoordynować ogniwa z obramowaniem, tylną folią Tedlar lub przeciwnie, na zasadzie kontrastu. Ciekawe rezultaty można uzyskać poprzez zestawienie modułów w różnych kolorach, jak np. w budynku Centrum Kultury w hiszpańskim Alcobendas (fot. 13). Możliwe jest zastosowanie różnokolorowych ogniw w jednym module, co pozwala tworzyć obrazy, reklamy, napisy. Z elektrotechnicznego punktu widzenia nie jest to łatwe, ponieważ mieszanie kolorów ogniw powoduje zróżnicowanie parametrów elektrotechnicznych - ogniwa o różnej sprawności połączone w szereg będą miały sprawność najsłabszego z nich. Jedną z najbardziej znanych realizacji tego typu jest budynek należący do producenta ogniw Q-CELLS. Instalacja BiPV z charakterystycznym logo firmy w postaci litery „Q” zastępuje konwencjonalne pokrycie jednej z fasad (fot. 14). Dla uzyskania zamierzonego efektu wizualnego użyto ogniwa z krzemu polikrystalicznego w dwóch kolorach: niebieskim i szarym. Aby podkreślić kontrast między kolorami, niebieskie ogniwa pokryto dodatkowo specjalną warstwą, dzięki której uzyskano bardziej

jednorodną powierzchnię. Tylko wprawne oko dostrzeże, że są to ogniwa polikrystaliczne a nie materiał monokrystaliczny. Szare ogniwa mają natomiast widoczną, typową polikrystaliczną strukturę. Dodatkowo, dla ujednolicenia koloru ciemnoniebieskiej płaszczyzny w modułach zastosowano tylną folię (Tedlar) w kolorze antracytowym, elektrody pokryto czarną folią. Połączenie modułów PV z konwencjonalnymi materiałami budowlanymi silnie wpływa na kolorystykę budynku. Odpowiednia kompozycja sąsiadujących ze sobą materiałów sprawia, że generator fotowoltaiczny jest mniej lub bardziej widoczny. Przykładowo, w najbardziej powszechnych instalacjach dachowych, szczególnie tych polegających na nakładaniu standardowych

Fot. 12. Protechno Card, Paderborn - wentylowana fasada BiPV z laminatami typu szkło-folia. Nieprzeźroczyste moduły mają granatowo-czarny kolor dzięki połączeniu ciemnych ogniw monokrystalicznych i tylnej folii Tedlar w czarnym kolorze [fot.http://www.solarintegration.de]

Fot. 14. Fotowoltaiczne logo firmy Q-Cells, Thalheim. Okładzinę elewacji tworzą jedno- i dwukolorowe moduły typu szkło-folia (szkło ESG 6 mm + EVA + Tedlar) z ogniwami z krzemu krystalicznego. Dla uzyskania wyraźnej litery „Q” niezbędny był podział kolorystyczny ogniw w obrębie jednego elementu. Niebieskie ogniwa mają zwykłą sprawność 15%, szare osiągają niższą wartość 11%. Połączenie fotoogniw o różnej wydajności jest skomplikowane, dlatego w mieszanych kolorystycznie panelach specjalnie dobierano je, wybierając niebieskie ogniwa o gorszej sprawności [fot. http:// aktien-blog.com/]

Obramowanie Dla celów montażowych moduły mogą być obudowane ramą aluminiową lub stalową. Zwiększa ona mechaniczną stabilność elementu, chroni krawędzie przed uszkodzeniami. Zazwyczaj wykonana jest z aluminium w kolorze naturalnym lub innym, np. czarnym (fot. 11). Obramowanie nie jest konieczne i w przypadku

Fot. 13. Casa de Cultura Carlos Muńoz Ruiz, Alcobendas. Martifer Aluminios i Martifer Solar zrealizowały instalację BiPV o wyjątkowych walorach artystycznych. Fasadę budynku wykonano z kolorowych szklanych laminatów fotowoltaicznych pokrytych sitodrukiem. Równomiernie rozłożone w odstępach ogniwa krystaliczne pozwoliły uzyskać 55% transparentność materiału [fot. http://www.construarea.com]

Fotowoltaika w architekturze

41


Magdalena Muszyńska-Łanowy moduły a-Si, CIS są w zasadzie nie do odróżnienia od czarnego szkła budowlanego. Nowoczesne, kolorowe materiały fotowoltaiczne mogą być interesującym, innowacyjnym narzędziem dla projektantów. Atrakcyjne rozwiązania wzbudzają zainteresowanie, wzmacniają akceptację dla nowej technologii, inspirują innych. Z pewnością potencjał technologii BiPV nie został jeszcze w pełni wykorzystany. Wraz z rosnącym zainteresowaniem i potrzebami rynku producenci przewidują dalsze poszerzanie oferty kolorystycznej standardowych produktów. dr inż. arch. Magdalena Muszyńska-Łanowy Politechnika Wrocławska

dokończenie ze s. 25

Fot. 15. Kolorystyczna integracja modułów fotowoltaicznych z pokryciem dachu – panele E+ COLOR (prod. ENERGIE +) z ogniwami C-CellTM (prod. LOFTM SOLAR) [fot. ENERGIE +, http://www.panneauxcouleurs.com]

elementów PV, niebieskie ogniwa krystaliczne silnie odcinają się od ceglastego koloru tradycyjnej dachówki (fot. 1). Dla odmiany nowoczesne panele E+ COLOR pozwalają uzyskać odpowiedni kolor dla lepszej integracji z pokryciem dachu, dzięki czemu instalacja PV nie będzie się tak rzucać w oczy (fot. 15).

Aktualną tendencją jest dostosowywanie nowych materiałów solarnych do znanych, konwencjonalnych rozwiązań budowlanych. Neutralny odcień jest często wymagany w procesie integracji modułów z fasadami. W rezultacie niektóre systemy BiPV są prawie niezauważalne – z pewnej odległości szklane

szkleniem lamele odbijające promieniowanie podczerwone. Ze względów estetycznych moduły PV wykonano na specjalne zamówienie. Projektanci chcieli uniknąć silnego kontrastu wizualnego pomiędzy starym murem z kamienia wapiennego a błyszczącymi, niebieskimi ogniwami krystalicznymi. W tym celu szkło pokryto specjalną warstwą antyrefleksyjną, która nadała modułom czarno-brunatny kolor. Instalacja BiPV o łącznej mocy 9,6 kWp generuje rocznie 6000 kWh energii, co pozwala pokryć 50% zapotrzebowania na energię elektryczną w budynku. Zyski z energii termalnej pokrywają 56% zapotrzebowania na ogrzewanie.

nym przegrzaniem i umożliwia doświetlenie naturalnym światłem dziennym. Budowę szklanej ściany poprzedziły wnikliwe analizy. Użyto 236 izolowanych modułów Optisol typu szkło-szkło, o wymiarach 120 x 240 cm. Monokrystaliczne ogniwa krzemowe ułożono w zmiennym rozstawie. U dołu atrium rozmieszczone w większych odstępach przepuszczają odpowiednią ilość światła dla znajdujących się w hallu roślin, w górnej części stopniowo się zwężają dla redukcji efektu oślepiania. Duży ciężar modułów PV wymagał bezpiecznej i wytrzymałej konstrukcji. SAPA BUILDING SYSTEM opracowała aluminiową strukturę ze specjalnymi profilami, w których ukryto wszystkie przewody i złącza. Samoczyszcząca fasada posiada system odwadniania, dzięki czemu osadzające się na modułach zanieczyszczenia są bez problemu spłukiwane. Każdy metr kwadratowy szklanej fasady fotowoltaicznej produkuje 100 W energii elektrycznej. Rocznie generowanych jest 31 122 kWh energii, którą wprowadza się do sieci energetycznej szpitala.

Szpital Onze-Lieve-Vrouw, Aalst Atrium z instalacją fotowoltaiczną jest najważniejszym elementem projektu renowacji budynku (fot. 15). Pochylona pod kątem 45o, szklana fasada solarna stanowi centralny punkt imponującego hallu wejściowego (fot. 16). Częściowo transparentna instalacja BiPV pełni potrójną funkcję: generuje energię elektryczną, izoluje hall wejściowy przed nadmier-

42

dr inż. arch. Magdalena Muszyńska-Łanowy Politechnika Wrocławska

Literatura: [1] Hagemann I. B.: Gebäudeintegrierte Photovoltaik. Architektonische Inte gration der Photovoltaik in die Gebäudehülle, Müller, Köln 2002. [2] Muszyńska-Łanowy M.: Czarne fasady – fotowoltaiczne okładziny CIS, „Świat Szkła” 7-8/2010, s. 10-14. [3] Muszyńska-Łanowy M.: Szkło fotowoltaiczne, „Świat Szkła” 6/2010, s. 34-39. [4] Prasad D., Snow M. (eds.), Designing with solar power. A Source Book for Building Integrated Photovoltaics (BIPV), Images Publishing, Mulgrave, Earth scan, London, Sterling 2005. [5] http://www.construarea.com [6] http://www.lofsolar.com [7] http://www.panneaux-couleurs.com [8] http://www.pvaccept.de [9] http://www.sunways.eu

Bibliografia [1] Addington M., Schodek D.: Smart Materials and Technologies for the architecture and design professions, Architectural Press, Elsevier 2005 [2] Bazilian M. D. et al.: Photovoltaic cogeneration in the built environment, Solar Energy Vol. 71, 1/2001, Elsevier 2001, s. 57–69. [3] Celadyn W.: Przegrody przeszklone w architekturze energooszczędnej, Politechnika Krakowska, Kraków 2004 [4] Daniels K.: Low-Tech, Light-Tech, High-Tech. Building in the Information Age, Birkhäuser Publishers, Basel 1998 [5] Prasad D., Snow M. (eds.): Designing with solar power. A Source Book for Building Integrated Photovoltaics (BIPV), Images Publishing, Mulgrave, Earth scan, London, Sterling 2005 [6] Wachenfeldt B. J., Bell D.: Building Integrated Photovoltaics in Smart Energy Efficient-Buildings, A State-of-theArt, Report SINTEF, STF22 A04503, Trondheim 2000 [7] www.iea.org [8] www.ipcc.ch [9] Aschehough Ø., Bell D.: BP Solar Skin. A facade concept for a sustainable future, SINTEF Report STF22 A03510, Trondheim 2003 [10] Schittich C. (ed.): Building skins. Concepts, layers, materials, Edition Detail, München 2001 [11] www.ademe.fr [12] www.ipcc.ch [13] www.sapagroup.com [14] www.schottsolar.com [15] www.suntech-power.com

WYDANIE SPECJALNE


Malowane słońcem – szkło artystyczne z ogniwami fotowoltaicznymi

Malowane słońcem – szkło artystyczne z ogniwami fotowoltaicznymi Architekci i artyści wciąż eksperymentują z materiałami szukając nowszych, bardziej inspirujących rozwiązań. Realizowane w ostatnich latach instalacje BIPV z użyciem szkła artystycznego są przykładem na to, jak zdumiewające rezultaty powstają w wyniku połączenia współczesnej technologii z nieograniczoną wyobraźnią i kreatywnością projektantów. Pokazują, że źródłem energii może być nie tylko zwykły panel fotowoltaiczny na dachu czy szyba w oknie, ale nawet i dzieło sztuki. Technika Sztuka zdobienia szkła opiera się w dużej mierze na znanych od wieków, tradycyjnych metodach. Jednak w ciągu ostatnich lat wprowadzono do niej szereg innowacyjnych technik i materiałów. Szkło artystyczne i fotowoltaika to relatywnie nowe, zaskakujące połączenie. Wykorzystanie zaawansowanej technologii solarnej w celach dekoracyjnych jest skomplikowane i kosztowne, ale pod wieloma względami interesujące i przyszłościowe. Kolorowe szkło zintegrowane z generującymi energię elektryczną ogniwami zyskuje zupełnie nową jakość estetyczną i użytkową. Technika osadzania ogniw PV w szkle artystycznym rozwija się mniej więcej od dekady (wcześniej, na początku lat 90. XX w. po raz pierwszy zintegrowano ogniwa z konwencjonalnym szkłem budowlanym). Parametry dostępnych materiałów solarnych są stale optymalizowane a ich różnorodność coraz większa, dzięki czemu można wykorzystać ogniwa różnej wielkości, kształtu czy koloru (choć trzeba je dostosować do pracy artystycznej). Przy pomocy specjalistycznych technik i materiałów połączone ze sobą w większe struktury ogniwa laminuje się ze szkłem. Ponieważ ich rozmieszczenie może być w zasadzie dowolne, powstają różne kreatywne układy, zależnie od

koncepcji mniej lub bardziej regularne. Czasami ze względów czysto wizualnych osadza się nawet dodatkowe, nieaktywne elementy. Materiał z przodu ogniw musi charakteryzować się bardzo dobrą przepuszczalnością światła, najczęściej jest to szkło białe o niskiej zawartości tlenku żelaza [10]. Od tylnej strony ogniw znajduje się przygotowane wcześniej szkło artystyczne. Możliwości kompozycyjne są tu nieograniczone, tym bardziej, że zazwyczaj łączy się różne techniki zdobienia. Wybór opcji jest duży: piaskowanie, szlifowanie, grawerowanie, emaliowanie, złocenie, aerografia, sitodruk, stapianie, itd. Po zintegrowaniu wszystkich elementów powstaje hermetyczny panel o wielowarstwowej strukturze. W przypadku zastosowań budowlanych ze szkłem izolacyjnym, bezpiecznym, konieczne jest bowiem spełnienie odpowiednich wymogów technicznych w tym bezpieczeństwa czy termoizolacyjności.

Estetyka i energia 10 lat temu w Niemczech inżynier Christof Erban, pionier osadzania ogniw fotowoltaicznych w szkle, szukał chętnych do współpracy. Gdy zademonstrował innowacyjną technikę w jednej z pracowni szkła, wszyscy – poza kanadyjską artystką Sarą Hall – uznali ją za zbyt skomplikowaną. Ona sama, jak mówi, zaintere-

Fot. 1. O Canada, Solar Decathlon House, Waszyngton – Szkło artystyczne z ogniwami PV, widok od zewnątrz i od wewnątrz (fot. http://www.sarahhallstudio.com)

Fotowoltaika w architekturze

sowała się ogniwami natychmiast. Przez następne dwa lata wspólnie udoskonalali technikę osadzania ogniw w szkle artystycznym. Innowacyjny materiał Hall pokazała po raz pierwszy w 2005 r. podczas konkursu Solar Decathlon w Waszyngtonie (fot. 1 a-b). We współpracy z Erbanem zrealizowała jak dotąd sześć szklanych instalacji solarnych zintegrowanych z budynkiem i wciąż podejmuje kolejne wyzwania artystyczne. Scalając tradycyjną sztukę barwienia szkła z najnowszymi osiągnięciami technologii solarnej artystka pokazuje estetyczny potencjał fotowoltaiki. Jej prace mają szczególny wymiar symboliczny. Hall chce inspirować ludzi z różnych branż, zachęcać ich do myślenia o energii w nowy sposób. Uważa, że sama w sobie technologia PV nie wzbudza w przeciętnym człowieku specjalnej ekscytacji, natomiast wprowadzenie elementu piękna całkowicie zmienia sposób jej postrzegania. Można na to popatrzeć też z drugiej strony: sprowadzenie zaawansowanej technologii do formy sztuki pokazuje nam jej nowe oblicze. Często zaskakujące i dalekie od tego, co uznawaliśmy za tradycyjne i niezmienne. W 2007 Hall zrealizowała pierwszą w Ameryce Północnej instalację BIPV ze szkłem barwionym. Lux Nova pokrywa południową ścianę szklanej konstrukcji usytuowanej przy głównym wejściu do Uniwersytetu British Columbia w Vancouver (fot. 2-3). Trójkątna w planie wieża zapewnia naturalną wentylację podziemnej biblioteki. Jest jednocześnie ważnym elementem sztuki w przestrzeni publicznej i symbolem zaangażowania szkoły w ochronę środowiska. Instalację BIPV tworzy 12 paneli o wymiarach 0,6x1,8 m ze szkła izolacyjnego, zdobionego, zintegrowanego z ogniwami PV. Ważące około tony hermetyczne panele spełniają wszelkie wymagania techniczne dotyczące bezpieczeństwa, są nawet wandaloodporne. Technologię solarną opracował Christof Erban (Schüco International). Ogniwa z krzemu polikrystalicznego zostały osadzone pomię-

43


Magdalena Muszyńska-Łanowy muzyki diody powoli zmieniają kolory oświetlając wieżę oraz otaczający ją park (fot. 3). Lux Nova stanowi ważny krok w kierunku estetycznej integracji fotowoltaiki ze współczesną architekturą. Fizyk Ursula M. Franklin napisała: …nowe okna Sary Hall oświetlają, ale też tworzą światło. Wykorzystując ogniwa fotowoltaiczne jej instalacja obdarza nas podwójnie: pięknem i przydatnością. Cóż więcej można chcieć? [6].

Fot. 2. True North/Lux Nova, Regent College, Vancouver – Szklana ściana wieży nad podziemną biblioteką. 3 warstwy dekoracji: ogniwa PV, napisy w języku aramejskim i krzyże ze szkła dichroicznego (fot. http://www.sarahhallstudio.com)

Fot. 3. True North/Lux Nova, Regent College, Vancouver – Nocą diody Z-Power LED (prod. Seoul Semiconductor) tworzą na szklanej wieży wodospad kolorowego światła w specjalnie dobranych odcieniach niebieskiego, fioletu i białego.(fot.http://www.dailyartfixx.com)

dzy taflami szkła o wyjątkowo dużej przepuszczalności światła, przy pomocy opatentowanej techniki ze specjalnie dobraną żywicą. Szklana ściana z ciemnoniebieskimi ogniwami wplecionymi w kompozycję ze szkła artystycznego zapewnia wspaniały przepływ światła i kolorów. Zdobienia wykonane we współpracy z Glasmalerei Peters z Paderborn łączą różne techniki: stapianie, aerografię, piaskowanie, laminowanie, hartowanie. Elementy ze szkła dichroicznego tworzą dodatkowe kolorystyczne efekty wizualne (fot. 2). Koncepcja artystyczna Hall jest wielowarstwowa i pełna znaczeń. Zorientowanie wieży ku niebu zainspirowało ją do wykorzystania w

dekoracji słów modlitwy zapisanych w języku aramejskim. Symboliczna liczba dwanaście, która pojawia się w instalacji (12 metrowej wysokości wieża, 12 szklanych paneli i krzyży z dichroicznego szkła) ma pobudzać do różnej interpretacji: dwanaście miesięcy w ciągu roku, dwanaście zadań Herkulesa, dwunastu uczniów, itd. Wg zamierzeń artystki szkło BIPV z jednej strony skłania do refleksji duchowej, z drugiej spełnia zdecydowanie bardziej przyziemną funkcję: generuje energię. Ogniwa o całkowitej mocy 400 W przekształcają światło słoneczne w elektryczność, która zasila system oświetlenia LED. Wraz z akompaniamentem (specjalnie dobranej)

Fot. 4. The Science of Light, Grass Valley Elementary School, Camas – Artystyczna instalacja BIPV i podłączona do niej lampa z kolorowego szkła. Widok z klatki schodowej (fot. broszura Glasmalerei Peters Studios)

44

Artystyczne instalacje fotowoltaiczne z barwionego szkła wykorzystują o wiele mniejszą ilość materiałów solarnych niż konwencjonalne PV/BIPV, dlatego w aspekcie energetycznym są od nich znacznie mniej efektywne. Ilość wygenerowanej energii nie jest tu jednak na pierwszym planie. Niecodzienne, zwracające uwagę rozwiązania mogą mieć też znaczący walor edukacyjny. Przykładem jest budynek szkoły Grass Valley w Camas (USA). Architekci wprowadzili tam różne rozwiązania proekologiczne, które są wykorzystywane jako narzędzia nauczania (m.in. zielony dach, turbina wiatrowa, odpowiednia orientacja budynku). Szukali pomysłu na energię solarną, uznali bowiem, że dachowa instalacja fotowoltaiczna, niewidoczna przez większą część dnia, nie miałaby wystarczającej wartości edukacyjnej. Sara Hall stworzyła artystyczne szyby fotowoltaiczne, które umieszczone zostały w oknie głównej klatki schodowej. The science of Light (2009) jest wspaniałą lekcją na temat energii odnawialnej (fot. 4-5). Każdego dnia prezentuje technologię i możliwości jej wykorzystania w prosty i jednocześnie widowiskowy sposób. Światło słoneczne przechodząc przez kolorowe okno nadaje wnętrzu przytulną i radosną atmosferę. Wzory i kolory zmieniają się dynamicznie wraz z warunkami oświetlenia oraz pozycją obserwatora. Jednocześnie użytkownicy

Fot. 5. The Science of Light, Grass Valley Elementary School, Camas – Płytki dichroiczne osadzone w szklanym panelu za ogniwami PV (fot.http:// www.sarahhallstudio.com)

WYDANIE SPECJALNE


Malowane słońcem – szkło artystyczne z ogniwami fotowoltaicznymi budynku wręcz widzą przepływ energii – elektryczność wygenerowana przez ogniwa PV odprowadzana jest bezpośrednio do lampy umieszczonej na ścianie. Gdy świeci słońce, świeci się też lampa. Cytując Hall: bez baterii, bez inwertera, tylko czysta i prosta demonstracja energii solarnej. Na instalację BIPV o wymiarach 3,7x7,9 m składa się 12 prostokątnych paneli w aluminiowych ramach. Zintegrowane z kolorowym szkłem

mi sięgają granic możliwości technicznych. Przekonano się o tym w katedrze w Saskatoon realizując pierwsze na świecie witraże generujące energię (fot. 6-8). Ta kolejna instalacja Sary Hall, Lux Gloria (2011-13), powstała w wyniku inspiracji niebem nad kanadyjską prerią. We współpracy z Christofem Erbanem i Glasmalerei Peters w 54 panelach ręcznie malowanego szkła osadzono 1000 kolorowych ogniw z krzemu krystalicznego (fot. 8).

wano dzieło artystki Lynn Goodpasture – Solarne oświetlenie I: Ewolucja języka. Okna z kolorowym szkłem fotowoltaicznym znajdują się w części budynku przeznaczonej dla dzieci (fot. 9). 4 szklane panele o wymiarach 248x88 cm każdy są potrójnie szklone dla zapewnienia odpowiedniej izolacji termicznej i akustycznej. 144 ogniwa fotowoltaiczne zalaminowano w szkle bezpiecznym o wysokiej przepuszczalności. Wewnętrzną stronę szklenia

Szklane moduły

Fot. 6. Lux Gloria, Cathedral of the Holy Family, Saskatoon – Trzy sekcje kolorystyczne fotowoltaicznych witraży – czerwony, złoty, niebiesko-zielony (fot. Grant Kerna,http://s1314.photobucket.com)

Mają kształt rombu i różne rozmiary, co dodatkowo utrudniało pracę (fot. 7-8). Aby osiągnąć efekt transparentności i odblasku z tyłu nieprzeźroczystych ogniw dodano szkło dichroiczne. Wg słów artystki po raz pierwszy udało się uzyskać tak mocne nasycenie kolorów, które są doskonale widoczne na zewnątrz budynku niezależnie od pory dnia i pogody. W trakcie realizacji, z powodu wadliwej inżynierii, połowa innowacyjnych witraży pękła i spadła do wnętrza kościoła. Po 14 miesiącach specjaliści z Niemiec ponownie zainstalowali rozbite okna. Koszty naprawy (180 000 $) pokryło ubezpieczenie oraz producent. Podłączona do sieci instalacja BIPV według podawanych informacji ma zapewnić 2500 kW/h zielonej elektryczności rocznie, co stanowi ekwiwalent około 1/3 rocznego zużycia energii dla typowego domu w Saskatoon.

kwadratowe ogniwa tworzą różne prostoliniowe wzory. Dodatkowe efekty estetyczne uzyskano dzięki płytkom z opalowego szkła dichroicznego umieszczonym z tyłu ogniw PV (fot. 5). Integracja fotowoltaiki ze szkłem artystycznym jest dużym wyzwaniem dla projektantów i wykonawców. Innowacyjne rozwiązania czasaFot. 7. Lux Gloria, Cathedral of the Holy Family, Saskatoon – Panele ze szkła artystycznego z kolorowymi ogniwami PV (fot. http://www.sarahhallstudio.com)

Sztuka publiczna

Fot. 8. Lux Gloria, Cathedral of the Holy Family, Saskatoon – Szkło ręcznie malowane techniką aerografii z polikrystalicznym ogniwem krzemowym (fot.http://www.sarahhallstudio.com)

Sztuka prezentowana w przestrzeni publicznej jest dostępna dla wszystkich. Docierając do szerokiego grona odbiorców angażuje ich, inspiruje, czasami prowokuje. Wchodzi też w dialog z miejscem, nadaje mu tożsamość i ożywia. W ten sposób pełni jednocześnie różne funkcje: estetyzuje przestrzeń, edukuje, wpływa na ukształtowanie opinii społecznej. San José było pierwszym miastem w USA, które w ramach programu sztuki publicznej zleciło wykonanie artystycznej instalacji BIPV. W 2008 w jednej z miejskich bibliotek zrealizo-

Fotowoltaika w architekturze

Fot. 9. Pearl Avenue Branch Bibliothek, San Jose – Instalacja artystyczna Lynn Goodpasture, widok z wnętrza biblioteki (fot. broszura Glasmalerei Peters Studios)

tworzy szkło artystyczne, ręcznie malowane i częściowo piaskowane. Za pomocą aerografu naniesiono na nim warstwy kolorów oraz liter i znaków w różnych alfabetach (łacina, wietnamski, rosyjski, języki indiańskie), które stanowią bazę dla słowa pisanego. Przenikające przez kolorowe szkło światło słoneczne kształtuje nastrój pomieszczenia. Rozmieszczone w różnych geometrycznych układach kwadratowe ogniwa PV jednocześnie pełnią rolę dekoracyjną, generują energię i chronią wnętrze od nadmiernego nasłonecznienia. Instalacja BIPV jest powiązana z systemem oświetlenia – lampą zawieszoną w strefie wejściowej, na której w sumeryjskim piśmie klinowym zapisano powtarzający się tekst: „wszyscy jesteśmy jednością”. Zaprogramowane diody LED w 30-minutowych odstępach powoli zmieniają kolory (przechodząc przez całe widmo barw). Prezentacja sztuki publicznej przybiera różne ciekawe formy. Egon Vaupel, burmistrz niemieckiego miasta Marburg, zafascynowany ideą połączenia tradycyjnej sztuki malowania szkła z ogniwami PV zainicjował w 2008 konkurs na projekt fasady parkingu wielopoziomowego Pilgrimstein. Zorganizowana przez miasto wystawa artystyczna SolarGlasKunst pokazała, jaki potencjał leży w połączeniu fotowoltaiki ze sztuką i jak

45


Magdalena Muszyńska-Łanowy wzór zagęszcza się ku górze szklanej ściany. Wygenerowana przez instalację fotowoltaiczną energia zasila system oświetlenia windy oraz kolorową tęczową wstęgę światła umieszczoną na szczycie szybu windowego. Jury Europejskiego Stowarzyszenia Energii Odnawialnej nagrodziło artystyczną instalację solarną w parkingu Pilgrimstein jako doskonały przykład połączenia sztuki szkła i elementów fotowoltaicznych w budynku publicznym [5].

Fot. 11. SolarGlasKunst, Marburg – Elewacja szybu windowego w parkingu wielopoziomowym Pilgrimstein zintegrowana z artystyczną instalacją Jochema Poensgena. Widok z wnętrza. (fot. broszura Glasmalerei Peters Studios)

różne formy może on przybierać. W konkursie wzięło udział 7 artystów. Każdy z nich zrealizował panel szkła artystycznego o wymiarach 1x1 m, który wyeksponowano publicznie w szklanym pasażu. W 2010 r. na ścianach szybu windowego wykonano zwycięski projekt Jochema Poensgena, znanego z minimalistycznej sztuki szkła (fot. 10-11). Jego koncepcję doceniono za walory wizualne a także za to, że nie przesłania nadmiernie widoku na miasto. Artysta pracował z ogniwami PV pierwszy raz. Wykorzystał ich dwa rodzaje: nieprzeźroczyste oraz częściowo transparentne (perforowane). Powiązał je kompozycyjnie z malowanym na szkle i częściowo piaskowanym wzorem z kwadratów i horyzontalnych pasów (fot. 10). Całość jest utrzymana w trzech kolorach: żółtym, niebieskim i białym. Na niebieskich kwadratach znajdują się ogniwa nieprzeźroczyste, na żółtych perforowane. Geometryczny

46

Fot. 12. Waterglass, Harbourfront Centre Enwave Theatre, Toronto – Panele z ręcznie malowanego szkła tworzą wzór światła na wodzie. Nocą zasilana energią PV sieć kolorowych diod LED oświetla okna i lobby teatru (http://www.sarahhallstudio.com)

ne źródło inspiracji artystycznej – woda wskakuje do budynku i łączy się z ogniwami solarnymi tworząc wzór światła i energii na wodzie. Każdy z ponad 100 szklanych paneli jest inny. Zdobienia wykonano ręcznie, nakładając mineralne pigmenty i emalie techniką aerografii. Trwale wypalone w szkle nie odbarwią się ani nie wyblakną. Seria 10 paneli na elewacji wschodniej posiada wyjątkową dekorację: metodą sitodruku naniesiono 360 historycznych fotografii dokumentujących historię Jeziora Ontario, pierwszych osadników i znaczących wydarzeń w rejonie (fot. 13). Tylna strona obrazu jest piaskowana i zalaminowana ze szkłem dichroicznym. Rezultatem jest wyraźny czysty obraz na tle, które zmienia kolor w zależności od kąta padania promieniowania słonecznego i pozycji obserwatora. Na ścianie zachodniej 10 paneli szkła artystycznego zintegrowano z ogniwami (fot. 14). W każdym module o wymiarach 1549x1260 mm osadzono 42 standardowe ogniwa z krze-

Fot. 13. Waterglass, Harbourfront Centre Enwave Theatre, Toronto – Panele ręcznie malowanego szkła z nadrukiem historycznych fotografii. Widok z lobby teatru. (http://www.sarahhallstudio.com)

WYDANIE SPECJALNE

dokończenie na s. 51

Fot. 10. SolarGlasKunst, Marburg – Szkło artystyczne z ogniwami PV - zwycięski projekt Jochema Poensgena (fot. Jochem Poensgen, http:// www.marburg.de)

W ubiegłym roku w Toronto elegancka szklana skóra owinęła z trzech stron odnowiony budynek Teatru Enwave (fot. 12). Centralnym punktem modernizacji obiektu była inicjatywa artystyczna, w wyniku której zlecono Hall stworzenie szklanej powłoki BIPV. Instalacja nazwana Waterglass symbolicznie związała tradycję z przyszłością, nowoczesną technologię z historią. Jezioro Ontario stanowiło głów-


Energooszczędność, komfort i efekty specjalne

Energooszczędność, komfort i efekty specjalne Nowe strategie projektowania architektury są próbą znalezienia równowagi między potrzebami rozwijającej się cywilizacji, postępem technologii a ochroną środowiska. W nowoczesnych budynkach szczególną rolę odgrywają zewnętrzne przegrody. W ich odpowiednim ukształtowaniu wykorzystuje się szereg zaawansowanych technologii. Jedną z nich jest fotowoltaika (PV) – innowacyjna technologia solarna. Jest to jedyna technologia odnawialnych źródeł energii, której urządzenia można wyprodukować w postaci elementów trwale zintegrowanych z konwencjonalnym materiałem budowlanym [1]. Rezultatem jest innowacyjny, wielofunkcyjny produkt, jak np. szkło fotowoltaiczne. Zasady O fotowoltaice napisano, iż jest to prawdziwie elegancka metoda generowania energii elektrycznej na miejscu, bezpośrednio ze Słońca, bez szkody dla środowiska. Podstawowym urządzeniem jest ogniwo fotowoltaiczne. Ogniwa połączone ze sobą w hermetycznej obudowie tworzą moduł PV, który stanowi bazowy element dla zastosowań budowlanych. Większa ilość modułów wraz z elementami instalacji elektrycznej tworzy kompletny system fotowoltaiczny. Technologia jest stosunkowo nowa – pierwsze praktyczne zastosowanie miało miejsce w latach 60. XX wieku, gdy NASA wykorzystała ogniwa w sztucznych satelitach. W latach 80. stwierdzono, iż to na budynkach powinno się umieszczać fotowoltaikę. Pierwsze realizacje polegające na nakładaniu niewielkich paneli na dachy istniejących obiektów były zarówno mało efektywne, jak i mało efektowne. Zupełnie nowe możliwości pojawiły się, gdy moduły zintegrowano bezpośrednio ze strukturą budynku. Innowacyjną technologię nazwano Building Integrated Photovoltaics – BiPV. Wkrótce integracja poszła jeszcze dalej. W roku 1991 firma FLACHGLAS osadziła ogniwa w transparentnej żywicy, pomiędzy dwiema warstwami szkła izolacyjnego [6], które wykorzystano w fasadzie budynku w Aachen. Od tej pory rynek materiałów BiPV znacznie się rozwinął i dziś mamy do dyspozycji szeroką gamę rozwiązań.

Szkło fotowoltaiczne można zastosować w zasadzie w każdym miejscu powłoki, pod warunkiem, że będzie odpowiednio wystawione na działanie promieniowania słonecznego. Zwykłe rozwiązania polegają na użyciu najtańszych, masowo wytwarzanych, standardowych modułów ze szklaną obudową, jednak dla zastosowań architektonicznych produkowane są materiały o znacznie bardziej wyspecjalizowanych właściwościach (fot. 1). Na zamówienie można też dobierać poszczególne komponenty i parametry. Jak dotąd najbardziej popularne są moduły z ogniwami krzemowymi. Monokrystaliczne (mSi) lub polikrystaliczne (p-Si) ogniwa są zalaminowane pomiędzy szkłem i specjalną folią (tzw. laminaty typu szkło-folia) lub dwiema taflami szkła (tzw. laminaty/moduły typu szkło-szkło). Technologie krystaliczne charakteryzują się najwyższymi sprawnościami energetycznymi (m-Si -19%, p-Si -15%). Wadą dla zastosowań

Technika W wyniku integracji z budynkiem moduł fotowoltaiczny staje się innowacyjnym materiałem budowlanym. Jego największą zaletą jest wielofunkcyjność. Jako integralny komponent powłoki nie tylko generuje energię elektryczną, ale też przejmuje dodatkowe funkcje: zabezpiecza strefę wewnętrzną, chroni przed warunkami atmosferycznymi, reguluje przepływ energii przez przegrodę, kształtuje jej estetykę.

Fot. 1. Szklane moduły dla zastosowań budowlanych, prod. VIDURSOLAR (fot. http:// www.vidursolar.com)

Fotowoltaika w architekturze

budowlanych jest wrażliwość na wysoką temperaturę. Wraz z jej wzrostem maleje wydajność, dlatego moduły wymagają chłodzenia. Najkorzystniejszym rozwiązaniem są w tym wypadku struktury wielowarstwowe, wentylowane – tzw. „zimne” fasady. Dużą zaletą technologii BiPV jest możliwość integracji ogniw z różnymi rodzajami szkła budowlanego [6]. Dla zapewnienia lepszych właściwości termalnych ogniwa integruje się z szybami zespolonymi, a tam, gdzie istnieje ryzyko zranienia – ze szkłem bezpiecznym. Jednym z najnowszych przykładów zastosowania laminowanego szkła bezpiecznego z ogniwami fotowoltaicznymi jest budynek WSPiA w Rzeszowie (fot. 2). Można wykorzystać także szkło rozpraszające światło, antywłamaniowe, kuloodporne itd., nawet gięte, organiczne. Alternatywą dla materiałów krystalicznych są moduły cienkowarstwowe z ogniwami z krzemu amorficznego (a-Si) i selenku indowo-miedziowego (CIS, CIGS). Bazowym materiałem jest zwykłe szkło okienne, na którym osadzany jest bardzo cienki materiał półprzewodnikowy. Po zalaminowaniu z drugą taflą szkła powstaje hermetyczny moduł. Mimo niższej sprawności energetycznej (a-Si – 7%, CIS – 11%) materiały cienkowarstwowe są atrakcyjne dla zastosowań architektonicznych, m.in. ze względu na niezawodność w gorszych warunkach oświetlenia i mniejszą wrażliwość na wysokie temperatury. Coraz większą popularność zyskują w ostatnich latach moduły CIS z charakterystyczną, czarną, jednolitą powierzchnią (fot. 3). Najbardziej atrakcyjnym i wielofunkcyjnym materiałem jest częściowo transparentne szkło BiPV [6]. Jak dotąd żadna z technologii nie pozwala na całkowitą przezroczystość materiału. Transparentność rzędu 10-30% (max. 50%) można uzyskać w różny sposób. Nieprzeźroczyste ogniwa c-Si rozstawia się na większą odległość od siebie (fot. 4). Światło przedostaje się pomiędzy nimi, co powoduje charakterystyczne efekty wizualne – dynamiczne kontrasty światła i cienia. Dodatkowo ogniwa można per-

47


Magdalena Muszyńska-Łanowy

Fot. 2. Szklana fasada fotowoltaiczna na budynku WSPiA, Rzeszów. (fot. http://www.wspia.eu)

forować. Taki materiał zastosował w jednym z budynków Frank O’Gehry, który wspólnie z producentem ogniw zaprojektował perforację z odpowiednio rozmieszczonymi okrągłymi otworami średnicy 2 mm. Inny rezultat osiągnie się stosując częściowo transparentne z natury materiały cienkowarstwowe. Po nałożeniu materiału półprzewodnikowego na szklane podłoże laserem można go usunąć w niektórych miejscach. Najczęściej powstają naprzemienne pasy przeźroczyste i nieprzeźroczyste, możliwe są także różnego kształtu otwory np. okrągłe, kwadratowe, rombowe.

Fot. 3. Czarna fasada z modułów CIS Ferdinand Braun Institut für Höchstfrequenztechnik, Berlin Adlershof. (fot. http://www.woche der umwelt.de)

ły dodatkowo przepuszczają pewną ilość światła i ciepła. Szklana fasada BiPV w budynku SMA w Niestetal jest jednym z wielu przykładów efektywnego połączenia pasywnej i aktywnej metody pozyskiwania energii słonecznej (fot. 4). Zorientowana idealnie w kierunku południowym, nachylona pod odpowiednim kątem, produkuje zieloną energię i reguluje warunki mikroklimatu we wnętrzu. Dla osiągnięcia optymalnych rezultatów system fotowoltaiczny powinien być podzespołem bardziej złożonej koncepcji energetycznej. W praktyce odpowiednie rozwiązania pozwoliły niejednokrotnie uzyskać standard budynku niskoenergetycznego, zero-energetycznego, zrealizowano nawet obiekty o dodatnim bilansie energetycznym [4, 5]. W centrum badawczo-rozwojowym SUNTECH, pierwszym zeroenergetycznym budynku w Chinach, jednym z elementów systemu energetycznego jest semitransparentna szklana fasada BiPV o powierzchni 20 000 m2. System o mocy 1 MW

Szkło fotowoltaiczne może odgrywać istotną rolę w spełnianiu różnych postulatów architektury proekologicznej. Holistyczne podejście do projektowania budynku i jego komponentów wymaga oceny całego cyklu życia: od wydoby-

cia surowców, przez projektowanie, produkcję elementów, użytkowanie, aż po demontaż i zagospodarowanie odpadów. Ekologicznej oceny cyklu życia technologii PV dokonano wielokrotnie – najnowsze wyniki badań jasno wskazują, iż większych zagrożeń dla środowiska nie ma. Z pewnością jednak, jeśli fotowoltaika ma stać się przemysłem globalnym, dotychczasowe standardy trzeba będzie podwyższyć. Odpowiednie użycie szkła fotowoltaicznego może pozytywnie wpływać zarówno na bilans energetyczny budynku, jak i komfort jego użytkowników. Wykorzystując odnawialne, darmowe, w skali ludzkiej niewyczerpalne promieniowanie słoneczne, generuje ono czystą elektryczność, którą można wykorzystać na miejscu lub sprzedać do sieci energetycznej. Efektem ubocznym procesu konwersji fotowoltaicznej jest powstanie niewielkich ilości ciepła, które także można odzyskać i użyć do konkretnych celów. Częściowo transparentne materia-

Fot. 4. Semitransparentna fasada BiPV SMA Solar Technologie AG, Niestetal (fot. Magdalena MuszyńskaŁanowy)

Fot. 5. Szklane lamele przeciwsłoneczne z ogniwami PV i folią holograficzną SCHEUTEN SOLAR, Gelsenkirchen (fot. Magdalena Muszyńska-Łanowy)

Ekologia

48

WYDANIE SPECJALNE


Energooszczędność, komfort i efekty specjalne

Fot. 6. GreenPIX Zero Energy Media Wall, Pekin. Medialna fasada oferuje niezliczone możliwości dla artystycznych instalacji (fot. http:// www.greenpix.org/)

Fot. 7. Szklana ściana osłonowa BiPV Zero Energy Media Wall, Pekin. Ze wsparciem SCHUECO i SUNWAYS projektanci Simone Giostra & Partners wraz z ARUP rozwinęli nową technologię laminowania ogniw polikrystalicznych ze szkłem, nadzorowali także produkcję pierwszych szklanych paneli przez chińską firmę SUNTECH (fot. http://www.greenpix.org/)

generuje rocznie ponad 1 mln kWh energii, co pozwala ograniczyć emisje CO2 o ponad 600 ton w skali roku. Szkło fotowoltaiczne wykorzystywane jest nawet w obiektach historycznych w ramach termomodernizacji czy rewitalizacji. W Francji, na bazie ruin XI-wiecznego, kamiennego kościoła powstał intrygujący budynek, w którym dla poprawy warunków klimatu we wnętrzu wykonano częściowo transparentną, podwójną szklaną fasadę BiPV ze szkłem izolacyjnym [5]. Korzystnym rozwiązaniem jest połączenie ogniw ze szklanymi systemami zacieniającymi. Ustawione idealnie względem Słońca elementy zapewniają wysokie zyski energetyczne. Jednocześnie regulują oświetlenie wnętrza światłem dziennym i chronią od przegrzania. Optymalizują zatem komfort użytkownika i pozwalają ograniczyć zużycie energii konwencjonalnej na potrzeby ogrzewania, oświetlenia, chłodzenia i wentylacji. Najbardziej efektywne są systemy ruchome podążające za Słońcem. Dodatkowo można zastosować folie holograficzne, które selekcjonują promieniowanie i tworzą ciekawe, dynamiczne efekty wizualne – zmieniające się tęczowe kolory (fot. 5).

wia się np. wydłużeniem lub nachyleniem fasady od strony południowej. Przestrzenny charakter elewacji zależy też od sposobu umieszczenia szklanych modułów PV – w płaszczyźnie ściany, w pewnym oddaleniu, równolegle lub pod innym kątem. W niektórych wypadkach zatracony zostaje tradycyjny podział na elewacje i dach, budynek pokrywa wówczas jedna wielofunkcyjna skóra [2]. Wygląd całości zależy od odpowiedniej

Estetyka Estetyka technologii BiPV jest szczególnie ważna. Dla architekta często bardziej niż kwestie funkcjonalne czy techniczne. Zastosowanie szkła fotowoltaicznego wpływa na odbiór wizualny budynku, jego ukształtowanie przestrzenne i plastyczne [2]. Instalacje fasadowe są najbardziej widoczne, stanowią więc szczególne wyzwanie dla projektantów. Odpowiednie ustawienie względem Słońca wiąże się z wyeksponowaniem elementów BiPV, co obja-

Kolor jest jednym z najważniejszych elementów kształtujących wizualny aspekt materiału. Konkretne efekty determinuje przede wszystkim rodzaj ogniw. Ze względów ekonomicznych dominują kolory standardowe – ciemnoniebieski i czarny, ale dostępne są też inne, choć stosuje się je rzadziej ze względu na wysokie ceny i gorsze sprawności energetyczne. Niedawno na rynku pojawiły się pierwsze wysokoefektywne kolorowe ogniwa tajwańskiej firmy LOFTM Solar [3]. Innym sposobem jest zastosowanie kolorowego szkła w tylnej obudowie modułu (za ogniwami). Oferuje ona nieograniczone możliwości plastyczne, dzięki

Fot. 8. KONARKA Power Plastic® MTA Transit Shelter, San Francisco. Lekkie, giętkie materiały BiPV z ogniwami organicznymi (OPV) (fot. www.konarka.com/)

kompozycji modułów i doboru poszczególnych ich komponentów. Producenci zdali sobie sprawę ze znaczenia wyglądu materiałów fotowoltaicznych, dlatego dziś, obok standardowych rozwiązań na zamówienie, wytwarzane są materiały spełniające rozmaite wymagania projektantów. Mają oni do dyspozycji elementy różnej budowy, wielkości, kształtu, koloru.

Fotowoltaika w architekturze

Fot. 9. Michael Grätzel Dye sensitised Solar Cell (DSSC). Fotoelektrochemiczne ogniwo uczulone barwnikiem (fot. www.greengadgetguide.wordpress.com)

49


Magdalena Muszyńska-Łanowy czemu powstają nawet wyjątkowo artystyczne realizacje z użyciem szkła barwionego, ornamentowego, z nadrukami, napisami itd. Interesującym przykładem połączenia technologii medialnej i fotowoltaicznej jest szklana ściana osłonowa kompleksu rozrywkowego w Pekinie (fot. 6, 7). Nieregularnie rozmieszczone ogniwa PV generują energię, która wykorzystywana jest do oświetlenia największego na świecie ekranu z kolorowymi diodami LED. Niskiej rozdzielczości ekran prezentuje prostą grafikę artystyczną, jak np. dobowy cykl klimatyczny, występy na żywo i instalacje wideo. Zmienne zagęszczenie ogniw zwiększa efektywność energetyczną budynku zapewniając dostęp światła dziennego i redukują zyski ciepła z energii solarnej [8].

Przyszłość Jakie będą rozwiązania w przyszłości? Trudno sobie nawet wyobrazić biorąc pod uwagę wyjątkowo szybki postęp technologii PV/BiPV. Testowane są m.in. materiały organiczne i nanokrystaliczne. KONARKA TECHNOLOGIES produkuje ogniwa organiczne na plastikowym podłożu. Technologia do niedawna wykorzystywana jedynie przez wojsko, obecnie jest poddawana eksperymentom architektonicznym (fot. 8). W zakładzie w New Bed-

Fot. 10. Hana Akari prototypy kolorowych ogniw DSSC w lampkach solarnych, prod. SONY (fot. http://www.sony.net/)

Fot. 11. Holographic Planar Concentrator (HPC), prod. PRISM SOLAR TECHNOLOGIES. Szklany moduł z paskami ogniw krzemowych i koncentrującą światło folią holograficzną (fot. www.prismsolar.com)

ford zrealizowano pierwszą na świecie semitransparentną ścianę osłonową z ogniwami OPV. Lekkie, elastyczne, przejrzyste i kolorowe ogniwa wydają się obiecującym rozwiązaniem dla szklanych ścian osłonowych, m. in. ze względu na zdolność funkcjonowania w słabym i zmiennym oświetleniu oraz dobrą izolacyjność termiczną. Problemem jest niska sprawność energetyczna oraz podatność materiału na degradację. Przedmiotem intensywnych badań są fotoelektrochemiczne ogniwa uczulone barwnikiem, które powstały w wyniku inspiracji procesem fotosyntezy. Ich wynalazca, Michael Grätzel z Politechniki w Lozannie, w 2010 r. otrzy-

Fot. 12. BeeHive PV, prod. SOLAROR. Prototyp szklanego panelu solarnego o wyglądzie plastra miodu (fot. www.gigaom.com)

50

mał niezwykle ważną dla naukowca nagrodę Millenium Technology Price (fot. 9). Ogniwa DSSC (ang. Dye-sensitised Solar Cells) składają się zazwyczaj z dwóch płyt szkła przewodzącego, pomiędzy którymi znajdują się nanowarstwy półprzewodnika pokrytego światłoczułym barwnikiem. Do tej pory miały one zbyt niską dla praktycznych zastosowań wydajność sięgającą zaledwie kilku procent. Jesienią tego roku naukowcy ogłosili w magazynie „Science”, iż w wyniku użycia nowej kompozycji barwników (ruten i jodynę zastąpiono kobaltem i porfiryną) uzyskali ogniwo o zielonkawym odcieniu, którego sprawność energetyczna przekroczyła 12% [7]. Możliwości estetyczne technologii DSSC pokazała m.in. firma SONY prezentując na targach w Tokio prototypy kolorowych ogniw z motywem roślinnym uzyskanym techniką sitodruku (fot. 10). Ogólnie, badania idą w kierunku zwiększenia wydajności ogniw, mniejszego zużycia materiału, ograniczenia toksycznych substancji i obniżenia kosztów. Kluczem do szerszego zastosowania w architekturze jest z pewnością uzyskanie większej niż dotychczas transparentności materiału BiPV. Jednym z rozwiązań może być zastosowanie w modułach tanich, cienkowarstwowych folii z holograficznymi elementami optycznymi HOE (fot. 11). Zalaminowane ze szklanym podłożem ukierunkowują światło, dzięki czemu ilość materiału ogniw w module można zredukować o 1/3. PRISM SOLAR TECHNOLOGIES opatentowała tego typu panele z paskami ogniw krzemowych. Wydajne w różnych warunkach oświetlenia moduły polecane są szczególnie dla gorzej nasłonecznionej strefy północnej [10]. Na tegorocznych targach Intersolar uwagę przyciągnął intrygujący panel solarny dla szklanych fasad, wyglądający niczym plaster miodu (fot. 12). Ogniwa krzemowe umieszczono

Fot. 13. SolarWindowTM, prod. NEW ENERGY TECHNOLOGIES (fot. http:// inhabitat.com).

WYDANIE SPECJALNE


Energooszczędność, komfort i efekty specjalne wewnątrz sześciokątnych komórek z trwałego akrylu. Heksagonalny kształt służy do koncentrowania promieni słonecznych, co pozwala ograniczyć ilość materiału ogniw nawet o połowę, zapewnia też większą o ~40% przepuszczalność światła widzialnego [11]. NEW ENERGY TECHNOLOGIES opracowała nowy sposób rozpylania na szkle ultracienkich ogniw grubości 1/1000 ludzkiego włosa. Opatentowana metoda pozwoliła wyeliminować metalowe elektrody, które blokują widoczność i przejście światła (fot. 13). Zastąpiono je przyjaznym dla środowiska transparentnym związkiem [9].

Podsumowanie

przyszłości będą musiały opierać się na odnawialnych źródłach energii. 30 lat temu w magazynie „Science” napisano: jeżeli istnieje technologia marzeń, jest nią fotowoltaika. (…) Jednocześnie najbardziej wyszukana technologia solarna i najprostsze, najbardziej przyjazne środowisku źródło elektryczności dotychczas wymyślone. Dziś technologia BiPV jest już na tyle rozwinięta i sprawdzona, aby jej zastosowanie mogło przyczyniać się do tego, iż szklane budynki będą bardziej przyjazne dla środowiska i użytkowników, a także bardziej efektowne. Zakładając, iż wraz z postępem technologii rozwijane będą nowe materiały a ich ceny będą malały, jest duża szansa na to, że to, co dziś wydaje nam się luksusowe i awangardowe, stanie się normą w niedalekiej przyszłości.

Czy szkło fotowoltaiczne stanie się powszechnym elementem architektury? Jedynie czas pokaże. Z pewnością jednak budynki

Bibliografia: [1] Muszyńska-Łanowy M., BiPV -Fotowoltaika zintegrowana z budynkiem, „Świat Szkła” 5/2010 [2] Muszyńska-Łanowy M., Ekologia dla oczu – estetyka powłoki BiPV. Część 2, „Świat Szkła” 9/2011 [3] Muszyńska-Łanowy M., Fotowoltaika w kolorze, „Świat Szkła” 4/2011 [4] Muszyńska-Łanowy M., Szklane fasady fotowoltaiczne – energooszczędność i komfort. Część 1, „Świat Szkła” 11/2010 [5] Muszyńska-Łanowy M., Szklane fasady fotowoltaiczne – energooszczędność i komfort. Część 2, „Świat Szkła” 1/2011 [6] Muszyńska-Łanowy M., Szkło fotowoltaiczne,„Świat Szkła” 6/2010 [7] www.epfl.ch [8] www.greenpix.org [9] www.newenerytechnologiesinc.com [10] www.prismsolar.com [11] www.solaror.com

dr inż. arch. Magdalena Muszyńska-Łanowy Politechnika Wrocławska

Podsumowanie

dokończenie ze s. 46

Ogniwa fotowoltaiczne to nie tylko czysta technologia i funkcja, to także nowa estetyka. Twórcze zmagania artystów z ich wykorzystaniem mogą prowadzić do estetyzacji dotychczas używanych materiałów BIPV, jak również tworzenia nowych impulsów dla ich rozwoju. Możliwość użycia ogniw jako nowego środka wyrazu otwiera nowe, obiecujące drogi dla rozwoju zarówno współczesnej sztuki, jak i architektury oraz technologii solarnej. Uważa się, że w najbliższej przyszłości to właśnie estetyka będzie priorytetową kwestią w dalszym rozwoju technologii BIPV. Artyści tworzą piękno. Ich prace przyciągają uwagę, wzbudzają emocje, inspirują. Dlaczego by więc nie wykorzystać ich potencjału do tworzenia piękna także w branży solarnej? dr inż. arch. Magdalena Muszyńska-Łanowy Politechnika Wrocławska Fot. 14. Waterglass, Harbourfront Centre Enwave Theatre, Toronto - 119 paneli szkła artystycznego na 3 ścianach, w tym 10 elementów zintegrowanych z ogniwami PV (http://www.sarahhallstudio.com)

mu monokrystalicznego, regulanie rozstawiając je co 10 mm. Szklana skóra nie tylko wygląda dobrze, ale też generuje energię i poprawia komfort wewnątrz obiektu. Jako pierwsza na świecie integruje szkło artystyczne, fotowoltaikę i technologię Heat Mirror, która zapewnia najwyższą wartość izolacyjności cieplnej. Potrójnie szklone jednostki tworzą następujące warstwy: 2,6 mm białe szkło / PVB – folia solarna / 3 mm szkło artystyczne Glasmalerei Peters / 6 mm pustka powietrz-

na / folia Heat Mirror / 6 mm pustka powietrzna / 6 mm szkło bezpieczne [4]. W projekcie brali udział specjaliści z kilku krajów. Ręcznie zdobione szkło artystyczne wykonano w 3 miesiące w niemieckim studio Glasmalerei Peters. Następnie panele przetransportowano do Austriackiej MGT-esys gdzie dodano warstwę Heat Mirror i zintegrowano ogniwa fotowoltaiczne. Na miejscu, w Kanadzie, okna zainstalowała ECO Insulating Glass.

Fotowoltaika w architekturze

Bibliografia: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8]

http://www.architectureweek.com http://www.glasmalerei.de/ http://www.marburg.de/ http://www.mgt-esys.at/ http://www.op-marburg.de http://www.sarahhallstudio.com/ http://www.solaripedia.com Muszyńska-Łanowy M.: Ekologia dla oczu. Estetyka powłoki BIPV. Cz. 1, „Świat Szkła” 7-8/2011 [9] Muszyńska-Łanowy M.: Ekologia dla oczu. Estetyka powłoki BIPV. Cz. 2, „Świat Szkła” 9/2011. [10] Muszyńska-Łanowy M.: Szkło fotowoltaiczne, „Świat Szkła” 6/2010

51


Zbigniew Błażejewski

Jak dobierać zabezpieczenie instalacji fotowoltaicznej? Instalacje fotowoltaiczne są poważnie narażone na przepięcia powstałe w wyniku bezpośredniego uderzenia pioruna, jak też na uszkodzenia w wyniku indukowanych przepięć spowodowanych przez pobliskie wyładowania atmosferyczne. Każda instalacja fotowoltaiczna musi być zabezpieczona przed przepięciami specjalnymi ogranicznikami przepięć, a większe instalacje wymagają ochrony specjalnymi wkładkami topikowymi przed prądami zwarciowymi. Jeżeli przy projektowaniu nie udało się zachować właściwych odstępów pomiędzy instalacją odgromową a instalacją fotowoltaiczną (zwykle powyżej 0,5 m, co wynika z wyliczeń) lub np. instalacja fotowoltaiczna jest zainstalowana na dachu pokrytym metalową dachówką, to wówczas należy koniecznie zastosować ograniczniki typu 1+2 czyli np. DS60VGPV firmy CITEL, jak też należy połączyć celem wyrównania potencjałów elementy zewnętrznej instalacji odgromowej lub metalowy dach z konstrukcją nośną i ramami instalacji PV. Ogranicznik przepięć DS60VGPVS firmy CITEL wyróżnia się spośród innych ograniczników na rynku kilkoma wyjątkowymi zaletami. Ogranicznik ten dzięki zastosowanej innowacyjnej i opatentowanej technologii VG (10 lat gwarancji na produkty wykonane w tej technologii), polegającej na szeregowym połączeniu specjalnego iskiernika gazowego i warystora, bardzo dobrze odprowadza prądy udarowe do 12,5 kA na biegun, powstałe w wyniku uderzenia pioruna, jak też

52

zapobiega powstawaniu bardzo szkodliwego dla warystorów prądu upływu. Ograniczniki DS60VGPV mają wytrzymałość zwarciową 1000 A, co w zupełności wystarcza w instalacjach fotowoltaicznych oraz są dostosowane do napięcia pracy 500, 600, 1000 lub 1500 V DC. Standardowo są one wyposażone zarówno w miejscową, jak i zdalną sygnalizację uszkodzenia. Ograniczniki te spełniają wymagania norm IEC PN 61643-11, 50939-11 i -12, a DS60VGPV-1000/51 ma dodatkowo certyfikat niemieckiego instytutu badawczego VDE potwierdzający deklarowane parametry. Jeżeli instalacja fotowoltaiczna nie jest zabezpieczona instalacją odgromową lub udało się zachować właściwe odległości pomiędzy instalacją odgromową a instalacją fotowoltaiczną, to wg normy minimum, co należy zastosować, to ograniczniki przepięć typu 2. Najlepszym rozwiązaniem są aparaty wykonane we wspomnianej powyżej technologii VG np. DS50VGPV firmy CITEL, ale można też zastosować ograniczniki wykonane w techno-

WYDANIE SPECJALNE


logii warystorowej, jak np. DS50PVS. Konstrukcja 3 modułowa typu „Y” zapobiega uszkodzeniu ogranicznika w przypadku zwarcia powstałego np. w wyniku uszkodzenia izolacji kabla. Ograniczniki DS50PV… typu 2 wytrzymują znamionowy prąd wyładowczy 15 lub 20 kA i maksymalny 40 kA i są dostosowane do napięć 500, 600, 800, 1000 i 1500 V DC. Istotnym tematem jest też kwestia usytuowania ogranicznika przepięć – powinien on znajdować się w pobliżu chronionego obiektu. Jeżeli długość przewodu pomiędzy panelami fotowoltaicznymi a falownikiem DC/AC nie przekracza 10 m, to wystarczy zainstalować 1 ogranicznik w takim obwodzie, jeżeli natomiast długość kabla jest większa, to przy panelach na każdym „łańcuchu PV” instalujemy ogranicznik typu 1+2 lub 2 w zależności od wyliczeń oraz drugi ogranicznik typu 2 w pobliżu falownika.

Małe domowe instalacje fotowoltaiczne rzadko wymagają ochrony przed zwarciami, bezpieczniki topikowe o charakterystyce gPV stosuje się dopiero, gdy połączy się równolegle więcej niż 2 łańcuchy PV. Firma Jean Mueller Polska oferuje nie tylko podzespoły i aparaty do ochrony fotowoltaiki, ale także gotowe rozdzielnice PV. Ze względu na możliwość zastosowania różnych ograniczników przepięć PV francuskiej firmy CITEL, we współpracy z polskim partnerem zostało stworzonych kilkaset wykonań standardowych rozdzielnic PV. Aparaty są montowane w skrzynkach odpornych na UV z IP65 do stosowania wewnątrz i na zewnątrz budynków, podłączenia dokonuje się przez standardowe wtyczki MC4. Wewnątrz obudów instalowane są ograniczniki przepięć PV typu 1+2 lub typu 2 oraz, jeżeli wymaga tego projekt, podstawy bezpiecznikowe do wkładek 10x38 do 1000 V DC i 30 A o charakterystyce gPV oraz rozłączniki DC. Wszystkie używane do montażu elementy zostały przebadane na napięcie minimum 1000 V DC. Rozdzielnice PV to produkty przeznaczone dla firm montujących instalacje PV, zarówno małe domowe, jak i całe farmy fotowoltaiczne, do ochrony zarówno paneli, jak i falowników wyposażonych w 1, 2 lub 3 pary wejść. Oprócz typowych wykonań oferowane są także konstrukcje dostosowane do indywidualnych potrzeb klientów. Więcej informacji można znaleźć na stronie www.jeanmueller.pl Zbigniew Błażejewski

53

Fotowoltaika w architekturze

53


Magdalena Muszyńska-Łanowy

Fotowoltaiczne systemy przeciwsłoneczne Szklane fasady od lat fascynują projektantów i inwestorów. Symbolizują nowoczesność, otwartość, powiązanie z naturą, tworzą estetyczne wrażenie lekkości i dematerializacji. Transparentne konstrukcje mają szczególne znaczenie w odniesieniu do architektury energooszczędnej – przepuszczają promieniowanie słoneczne, które ogrzewa wnętrze budynku i doświetla je naturalnym światłem dziennym. Jest też druga strona medalu – zbyt dużo słońca to nadmierne zyski ciepła, odblaski i olśnienie. Zjawiska te niekorzystnie wpływają na parametry środowiska wewnątrz budynku i przyczyniają się do zwiększonej konsumpcji energii elektrycznej (na potrzeby wentylacji, chłodzenia, sztucznego oświetlenia). Rozwiązaniem problemów związanych z fizyką budynku i komfortem jest odpowiednia ochrona przeciwsłoneczna. Budowa Osiągnięcie równowagi między światłem a cieniem stanowi duże wyzwanie. Konwencjonalne osłony zacieniające często blokują dostęp światła naturalnego i ograniczają widoczność, nie zawsze zapobiegając przegrzewaniu wnętrza. W rezultacie w niewygodnych, niezdrowych dla użytkownika budynkach zużywa się ogromne ilości energii na potrzeby chłodzenia i sztucznego oświetlenia. Dążenie do optymalizacji komfortu oraz wzrost świadomości proekologicznej wśród projektantów i inwestorów nadały impuls do tworzenia nowych rozwiązań. Środki ochrony przeciwsłonecznej nie muszą prowadzić do zwiększonego zużycia energii elektrycznej ani ograniczać dostępu światła naturalnego. W nowoczesnych budynkach powoli odchodzi się także od inwestycji w kosztowne i energochłonne instalacje klimatyzacji (chłodzenia, wentylacji). Nowe, holistyczne podejście do projektowania fasad polega na tworzeniu wielofunkcyjnej powłoki, adaptacyjnej i interaktywnej, która wykorzystuje energię odnawialną, zapewnia oszczędność energii w porównaniu do tradycyjnych technologii i jednocześnie utrzymuje odpowiednie warunki komfortu we wnętrzu.

Innowacyjnym rozwiązaniem dla nowoczesnej, szklanej architektury są fotowoltaiczne systemy przeciwsłoneczne. Silnie rozwijana w ostatnich latach technologia BiPV pozwala na integrację ogniw/modułów solarnych z komponentami fasady. Rezultatem są wielofunkcyjne struktury, które jednocześnie generują czystą energię elektryczną i pozytywnie wpływają na parametry komfortu oraz efektywność energetyczną budynku. Bezpośrednia, trwała integracja ogniw solarnych z konwencjonalnymi materiałami budowlanymi, takimi jak szkło, metal, tworzywa

54

fasadach, atriach i szklanych dachach. W zależności od funkcji i koncepcji estetycznych mocuje się je bezpośrednio do budynku lub w pewnej odległości, na specjalnej podkonstrukcji, w układzie wertykalnym, horyzontalnym, prostopadle do powłoki lub pod odpowiednim kątem. Wyeksponowane konstrukcje zapewniają dobrą wentylację tylnej strony nagrzewających się modułów PV, co jest korzystne dla ich wydajności energetycznej. Miejscem dla ogniw solarnych bywają też systemy zacieniające umieszczone w przestrzeni międzyszybowej, np. w szybach zespolonych, podwójnych fasadach. Fotowoltaiczne struktury przeciwsłonecz-

Fot. 1. Opatentowany system okiennic BiPV, proj. Astrid Schneider. Prototyp okiennic zainstalowano na odnowionym neoklasycystycznym budynku Centrum Solarnego w niemieckim Wietow. W ciemnozielonych ramach umieszczono moduły fotowoltaiczne z antracytowymi ogniwami polikrystalicznymi. Tylną warstwę szklanych laminatów PV tworzy zielone szkło. Specjalny mechanizm składania okiennic z podwójną dźwignią umożliwia ruch paneli po półkolu w taki sposób, aby aktywna solarnie strona pozostawała zawsze od strony zewnętrznej [fot. www.solarintegration.de]

sztuczne a nawet tkaniny, umożliwia efektywne wykorzystanie technologii fotowoltaicznej w budowie osłon przeciwsłonecznych. Nowej generacji materiały BiPV stanowią element konstrukcji zadaszeń, ekranów, markiz, systemów żaluzji, brise-soleil czy okiennic (fot. 1). Zróżnicowanej budowy, kształtów i rozmiarów struktury instalowane są nad otworami okiennymi lub wejściami, na przeszklonych

Fot. 2. Fabryka Isofotón, Malaga. Nieruchome, horyzontalne ekrany zacieniające tworzą zadaszenie nad centralnym pasem transparentnego szkła ściany kurtynowej. Specjalnie zaprojektowane bezramowe laminaty PV typu szkło-folia, częściowo transparentne i opalizujące, zamocowano poprzez system zacisków i konsoli [fot. www.isofoton.es]

WYDANIE SPECJALNE


Fotowoltaiczne systemy przeciwsłoneczne modułów PV zapewnia optymalne zyski energii solarnej dla konwersji fotowoltaicznej (fot. 4).

Fot. 3. CIEMAT, Madryt. Osłony przeciwsłoneczne nad oknami budynku wykonano z modułów PV z podwójnym szkleniem Vidursolar o transparentności 45%. Ogniwa polikrystaliczne zalaminowano w folii PVB w kolorze niebieskim. Mocowane punktowo moduły są nachylone pod dwoma różnymi kątami w stosunku do fasady [fot.www.vidursolar.es]

Osłony przeciwsłoneczne stanowią ważny element architektury budynku. Coraz większą wagę przykłada się nie tylko do ich funkcji, ale i wysokiej jakości estetycznej, dlatego wiele realizacji powstaje według indywidualnych koncepcji, z materiałów wytwarzanych na zamówienie. Niektóre ze znanych i sprawdzonych systemów przeciwsłonecznych umożliwiają zastąpienie konwencjonalnych materiałów modułami PV. Na rynku dostępne są też specjalnie opracowane standardowe rozwiązania BiPV. Przykładowo, w zadaszeniach typu Top Sky I (II) produkowanych przez SCHÜCO, w miejscu konwencjonalnego szkła można użyć zintegrowane z ogniwami szkło bezpieczne. REYNAERS oferuje systemy fotowoltaicznych brisesoleil o nazwie BS Solar, oparte na standardowym rozwiązaniu BS 30 lub BS 100 (rys. 1) ze szklanymi panelami.

układzie horyzontalnym (fot. 8, 10, 11), jak i wertykalnym (fot. 6). Lamele, wykonane ze szkła hartowanego grubości 8-16 mm, mogą być nieprzeźroczyste lub częściowo transparentne. Ogniwa fotowoltaiczne integrowane są od tylnej strony szklanych paneli lub zalaminowane pomiędzy dwiema taflami szkła bezpiecznego. W przypadku zewnętrznych konstrukcji, takich jak żaluzje czy brise-soleil, bardzo ważna jest odpowiednia odporność struktury na parcie wiatru – poza kwestią bezpieczeństwa i trwałości problemem może być hałas oraz wibracje i drgania. Należy też zapewnić możliwość dostępu do instalacji solarnej w razie konieczności naprawy czy okazjonalnego czyszczenia. W tym celu w niektórych obiektach instalowane są kratowe pomosty konserwacyjne (fot. 11). Niezależnie od rozwiązania, fotowoltaiczne systemy stanowią zawsze element instalacji

ne mogą być nieruchome (o stałym nachyleniu elementów) lub mobilne (sterowane). Zewnętrzne konstrukcje o stałym nachyleniu, takie jak zadaszenia (fot. 2), ekrany, markizy nad otworami okiennymi (fot. 3) lub drzwiowymi przytwierdzone są do powłoki budynku w celu ochrony od opadów atmosferycznych, zapewnienia prywatności, bezpieczeństwa czy też ze względów dekoracyjnych. Nieruchome lamele żaluzji i brise-soleil technicznie mogą wyglądać podobnie, jednak ich zadaniem nie jest ochrona od deszczu i śniegu. W obu wypadkach odpowiedni kąt nachylenia

Fot. 5. Clariti PVTM, prod. Levolux. Fotowoltaiczny system brise-soleil ze szklanymi lamelami [fot. http:// airsun.fr/]

Fot. 4. Centrum Zdrowia – Proyecto Alzheimer, Madryt. Żaluzje BiPV tworzą drugą skórę budynku chroniącą od słońca i zimna. Rzędy szklanych lameli nachylonych pod kątem 60o zamontowano na aluminiowej podkonstrukcji w odległości 80 cm od fasady [fot. Estudio lamela, www.pvdatabase.org/]

Zwykłe szkło zastępują w tym wypadku półprzezroczyste moduły fotowoltaiczne typu szkło-szkło (szkło-folia) z ogniwami krystalicznymi bądź amorficznymi. Różnorodne możliwości architektoniczne zapewnia inny standardowy system brise-soleil – Clariti PVTM firmy LEVOLUX (fot. 5). W wielu budynkach zrealizowano instalacje przeciwsłoneczne w postaci szklanych żaluzji zewnętrznych typu Shadovoltaic. Producent – COLT International – proponuje dwa standardowe systemy BiPV (nieruchome lub sterowane), a także wytwarzane na zamówienie różnorodne rozwiązania o indywidualnie dostosowanych parametrach technicznych i estetycznych. Szklane żaluzje wspierane na aluminiowej lub stalowej konstrukcji instalowane są zarówno w

Fotowoltaika w architekturze

elektrycznej, muszą więc spełniać jej wszelkie standardy bezpieczeństwa. Okablowanie przeprowadza się przez powłokę w wodoszczelnych przepustach, których liczbę należy zredukować do minimum. Zintegrowane rozwiązania pozwalają na ukrycie przewodów elektrycznych w aluminiowych lub stalowych profilach konstrukcyjnych (rys. 1). Zarówno system przeciwsłoneczny, jak i generator energii fotowoltaicznej, potrzebują odpowiedniego ustawienia względem słońca dla osiągnięcia optymalnej wydajności. Dostosowanie do różnych warunków pogodowych i zmiennych wymagań użytkowników nie jest łatwym zadaniem. Dla uzyskania pożądanych rezultatów na etapie projektowania przeprowadza się odpowiednie analizy i symulacje komputerowe, uwzględniające m.in. ruch słońca w

55


Magdalena Muszyńska-Łanowy

Fot. 6. Battery Park – One River Terrace, Nowy Jork. Żaluzje przeciwsłoneczne typu Shadovoltaic z lamelami w układzie wertykalnym. Autonomiczny system sterowania termohydraulicznego Girasol (prod. COLT International) pozwala śledzić ruch słońca [fot. www.shadinglouvres.com/projects/battery-park/]

zależności od pory dnia, roku i lokalizacji. Pozwala to uniknąć problemów związanych np. z niewystarczającym nasłonecznieniem powierzchni recepcyjnej modułów PV – przykładowo w systemach żaluzji zdarza się wzajemne zacienianie poszczególnych lameli. Interesującym rozwiązaniem jest kierowanie elementów za pomocą systemu termohydraulicznego, który do generowania ruchu wykorzystuje jedynie ekspozycję na słońce bez potrzeby dodatkowych urządzeń zasilanych energią elektryczną. Działanie mechanizmu oparte jest na systemie hydraulicznym złożonym z przewodów i siłowników. Dwie przeciwstawnie zorientowane tuby wypełnione płynem hydraulicznym są podłączone do obu końców cylindra. Jeżeli żaluzje nie są optymalnie ustawione względem słońca, jedna z tub jest silniej nasło-

Fot. 7. Termohydrauliczny system sterowania GIRASOL, prod. COLT International. Pojedynczy napęd kontroluje do 50 m2 żaluzji. Elementy wykonane są z wysokiej jakości materiałów, takich jak stal nierdzewna, aluminium, tworzywa sztuczne odporne na promieniowanie UV [fot. www.coltgroup.com/]

neczniona. Znajdujący się w środku płyn hydrauliczny nagrzewa się i rozpręża powodując wytworzenie ciśnienia w siłowniku, który powoli i bez hałasu obraca panel aż do pozycji prostopadłej do kierunku padania promieni słonecznych. W ten sposób podczas największego nasłonecznienia odpowiednio ustawione lamele efektywnie generują energię elektryczną jednocześnie dobrze zacieniając wnętrze. Przyjazny dla środowiska pasywny system sterowania termohydraulicznego o nazwie GIRASOL (z włoskiego „słonecznik”) produkuje COLT International (fot. 6-8).

Funkcja Dążenie do maksymalizacji zysków energii solarnej i równoczesna ochrona przed słońcem wydają się pozostawać w sprzeczności. Zinte-

growane z budynkiem fotowoltaiczne instalacje przeciwsłoneczne są efektywnym rozwiązaniem pozwalającym osiągnąć równowagę. Ich zadaniem jest: • zapewnienie optymalnych zysków energii słonecznej dla konwersji fotowoltaicznej, • przepuszczanie do wnętrza światła dziennego (rozproszonego), • ograniczenie bezpośredniego działania promieni słonecznych (redukcja odblasków, refleksów, przegrzania), • zmniejszenie zapotrzebowania na energię konwencjonalną zużywaną w instalacjach chłodzenia, klimatyzacji, ogrzewania oraz sztucznego oświetlenia, • wywarcie wpływu na estetykę budynku.

Energia elektryczna Wykorzystując darmowe, odnawialne źródło energii, jakim jest promieniowanie słoneczne, fotowoltaiczne systemy zacieniające generują czystą elektryczność. Ogniwa solarne przetwarzają promienie padające prostopadle na powierzchnię recepcyjną, a zatem optymalne dla generatora PV ustawienie osłon w kierunku słońca jednocześnie blokuje przedostawanie się do wnętrza promieniowania bezpośredniego odpowiedzialnego za przegrzewanie. Instalacja BiPV minimalizuje konieczność użycia konwencjonalnej energii na potrzeby sztucznego oświetlenia, chłodzenia, wentylacji, klimatyzacji, ogrzewania.

Światło dzienne

Rys. 1. BS 100 Solar, prod. REYNAERS. Fotowoltaiczny brise-soleil ze szklanymi lamelami o stałym lub zmiennym kącie nachylenia 0-45° [rys. www.reynaers.com]

56

W przypadku nowoczesnych systemów zacieniających jednym z głównych obszarów zainteresowań jest ukierunkowanie przechodzącego przez nie światła naturalnego. Częściowo transparentne elementy BiPV odgrywają tu znaczącą rolę. Zintegrowane ze szkłem

WYDANIE SPECJALNE


Fotowoltaiczne systemy przeciwsłoneczne fotoogniwa mogą być użyte zarówno do zacienienia, jak i poprawy jakości oświetlenia. Pozytywnie wpływają na komfort wnętrza budynku, a także pozwalają zredukować energię zużytą dla oświetlenia sztucznego. Częściowo transparentne materiały BiPV ukierunkowują i filtrują przechodzące przez nie światło słoneczne. Blokują promieniowanie bezpośrednie ograniczając odbicia światła i przegrzanie wnętrza, przepuszczają natomiast komfortowe dla oka światło rozproszone. Możliwość kształtowania warunków oświetlenia naturalnym światłem dziennym jest ważna ze względu na fizjologiczne i psychologiczne potrzeby użytkowników budynku (szczególnie w miejscach pracy przy monitorach komputerowych i przy produkcji, gdzie trzeba unikać olśnienia i odblasków). W przypadku materiałów krystalicznych światło przedostaje się do wnętrza wyłącznie przez przestrzenie pomiędzy rozsuniętymi ogniwami. W efekcie powstaje widoczna szachownica światła i cienia. Półprzezroczyste ogniwa cienkowarstwowe zapewniają zdecydowanie bardziej jednolity cień.

Energia cieplna Fotowoltaiczne systemy zacieniające są efektywnym sposobem kontroli klimatu wewnątrz budynku. Moduły PV częściowo absorbują i odbijają światło słoneczne. Promieniowanie bezpośrednie (padające prostopadle na powierzchnię recepcyjną) przekształcane jest przez ogniwa w zieloną elektryczność, dzięki czemu zyski ciepła przez przegrodę są znacznie mniejsze. Latem materiały BiPV chronią zatem od przegrzania: zapewniają komfort użytkownikom, jednocześnie konsumpcja energii dla wentylacji i chłodzenia jest częściowo zredukowana lub nawet całkiem ograniczona. Z kolei zimą te same urządzenia przepuszczają (ukierunkowują) promienie słoneczne do wnętrza, wspierając system ogrzewania. Odpowiednio zaprojektowane systemy BiPV pełnią w wielu obiektach rolę drugiej skóry, klimatycznej warstwy ochronnej, która w zimne i wietrzne dni minimalizuje straty ciepła przez przegrodę (fot. 4).

Estetyka

Przykłady realizacji

pomocą termohydraulicznego systemu Girasol (fot. 8). W czasach realizacji była to jedna z pierwszych instalacji tego typu w Europie. Obracane, szklane lamele BiPV zbudowano z dwóch warstw szkła TVG (gr. 4 mm), pomiędzy którymi zalaminowano polikrystaliczne niebieskie ogniwa EFG. Poprzez zwiększenie rozstawu ogniw uzyskano transparentność lameli rzędu 60%. Sterowanie żaluzjami zapewnia odpowiednią pozycję dla efektywnej generacji energii i redukuje zyski ciepła. Podwójna funkcja instalacji BiPV pozwoliła na dużą oszczędność kosztów w porównaniu do zastosowania zwykłego systemu fotowoltaicznego i dodatkowej markizy zacieniającej.

Zakład uzdatniania wody Mühlenscharrn, Schwerin (1999)

Fabryka okien SIMON Glas, Bückeburg (2000)

Szklane elewacje budynku ukazują wewnętrzną działalność. Życzeniem inwestora było zapewnienie maksymalnej transparentności budowli i wywołanie zainteresowania architekturą zakładu oraz jego funkcją. Na południowo-zachodniej fasadzie zamontowano żaluzje zacieniające typu Shadovoltaic sterowane za

Firma SOLON AG zrealizowała wielofunkcyjną szklaną instalację BiPV będącą jednocześnie elementem architektonicznym, generatorem energii i systemem zacieniającym (fot. 9). Zestawiono dwa różne systemy fotowoltaiczne o łącznej powierzchni 21 m2 i mocy 900 Wp. Po raz pierwszy zastosowano izolowane termicznie szkło ISO FIX PV, ze zintegrowanymi w przestrzeni międzyszybowej lamelami PV. Pióra lameli wykonano z podłużnych, cienkowarstwowych modułów z ogniwami z selenku indowomiedziowego (CIS). Generując energię elektryczną żaluzje jednocześnie chronią wnętrze od słońca. Drugi element osłony przeciwsłonecznej tworzą szklane panele, z którymi zintegrowano rozsunięte ogniwa z krzemu krystalicznego (c-Si). Częściowo transparentna szklana fasada BiPV zapewnia pracownikom widok na zewnątrz.

Estetyczny aspekt instalacji BiPV jest niezwykle istotny, szczególnie w przypadku najbardziej widocznych systemów fasadowych. Aktualny poziom technologii zapewnia nieograniczone wręcz możliwości kształtowania fotowoltaicznych osłon przeciwsłonecznych, dlatego też tego rodzaju konstrukcje są coraz częściej wykorzystywane w nowoczesnej architekturze. Interesujące mogą być w szczególności systemy ruchome, które zmieniając w czasie swoje położenie tworzą dynamicznie efekty wizualne.

Fot. 8. Zakład uzdatniania wody Mühlenscharrn, Schwerin. System Shadovoltaic zawieszono w pewnej odległości od szklanej fasady. Do pionowych, stalowych kolumn wspierających łupiny dachowe przytwierdzono podkonstrukcję, do niej na obrotowych tulejach zamocowano w układzie horyzontalnym szklane lamele BiPV. Całość składa się z 14 pól o wymiarach 2,7x3,6 m. Termohydrauliczny system sterowania bez użycia prądu umożliwia jednoosiowy obrót lameli w kierunku słońca [fot.www.solarintegration.de]

Kliniczne Centrum Badawcze Biologii Molekularnej, Erlangen (1998-2000) W budynku zrealizowano dwa semitransparentne systemy przeciwsłoneczne BiPV pełniące funkcję zarówno praktyczną, jak i dekoracyjną – zadaszenie oraz ruchome żaluzje zewnętrzne (fot. 10-11). Zadaszenie chroni od

Widoczność Częściowa transparentność systemu BiPV wpływa na możliwość i rodzaj kontaktu wzrokowego pomiędzy wnętrzem a strefą zewnętrzną, co jest ważnym czynnikiem psychologicznym dla użytkowników budynku. W zależności od zastosowanego materiału fotoogniw, uzyskuje się zupełnie różne efekty wizualne. Ogniwa krystaliczne ułożone w zwiększonym rozstawie stworzą charakterystyczną siatkę ciemnych i jasnych pól, natomiast w przypadku materiałów cienkowarstwowych nie będzie tak silnych kontrastów.

Fot. 9. SIMON Glas, Bückeburg. Szkło izolacyjne z 2 systemami przeciwsłonecznymi BiPV - widok elewacji od zewnątrz [fot. www.solar-experts.de]

Fotowoltaika w architekturze

57


Magdalena Muszyńska-Łanowy przegrzania wnętrza laboratoriów, gdzie nie ma możliwości otwierania okien. Solarny baldachim o zakrzywionym kształcie składa się z trzech rzędów modułów PV nachylonych pod różnym kątem: 20o, 30o i 35o. Polikrystaliczne ogniwa, zalaminowane pomiędzy dwiema taflami szkła grubości 6 mm, rozmieszczono w ściśle zdefiniowanym odstępie dla zapewnienia częściowej transparentności paneli. Dzięki temu moduły zacieniają pomieszczenia nie ograniczając całkowicie widoku na zewnątrz. Drugi system przeciwsłoneczny tworzą szklane żaluzje typu Shadovoltaic przytwierdzone do zewnętrznych, ewakuacyjnych klatek schodowych. Lamele żaluzji wykonano na zamówienie ze 140 szklanych modułów, w których wolne od ogniw miejsca pokryto sitodrukiem. Obracane jednoosiowo panele śledzą położenie słońca, co teoretycznie miało zwiększyć efektywność generatora PV o 15%. Osta-

Fot. 10. Kliniczne Centrum Badawcze Biologii Molekularnej, Erlangen. Widok elewacji z fotowoltaicznymi systemami zacieniającymi w postaci solarnej markizy oraz sterowanych żaluzji zewnętrznych [fot. Wolfram Murr, SOLON AG, www.solar.e-technik.uni-erlangen.de/]

tecznie roczne zyski energii okazały się większe niż przewidywano. Zielona elektryczność wprowadzana jest do sieci uniwersyteckiej lub wykorzystywana bezpośrednio w budynku. Systemy BiPV są stale monitorowane, aktualizowane dane i pomiary można obserwować na stronie internetowej uniwersytetu.

EWE Arena, Oldenburg (2006) Całkowicie przeszklony, okrągły budynek hali sportowej wymagał odpowiedniej ochrony od słońca. Dla uniknięcia instalacji dodatkowej osłony zacieniającej oraz energochłonnego systemu chłodzenia architekci Arat, Siegel i Schust z biura ‘ASP’ zaproponowali niecodzienne rozwiązanie: ruchomą ścianę solarną (fot. 12). Wielofunkcyjna struktura składa się z 72 szklanych modułów fotowoltaicznych oraz 72 paneli szklanych pokrytych sitodrukiem. Mobilny ekran pokrywający 30o okręgu budynku opiera się na stalowych szynach mocowanych do zewnętrznych opasek betonowych. Zawieszony jest na górnej szynie, dolna nadaje kierunek i chroni od obciążeń wywołanych parciem wiatru. Aby zmaksymalizować zyski słoneczne fotowoltaiczna ściana przesu-

Fot. 12. EWE Arena, Oldenburg. Ruchomą ścianę solarną o wadze 28 ton i wymiarach 6,7x36,0 m tworzy 18 identycznych szklanych segmentów na aluminiowej podkonstrukcji. Każdy segment posiada osobny napęd. System mocowania na rolkach wokół budynku zaprojektowała i wykonała firma COLT International [fot. www.colt-info.de/]

wa się wokół areny obejmując kąt 200°. Sterowana za pomocą systemu ICS 4-link zmienia pozycję w zależności od ruchu słońca – co ½ godziny o 7,5o. Instalacja BiPV o powierzchni 240 m2 produkuje rocznie 20% więcej energii niż przewidywano.

Q-Cells, Bitterfeld/Wolfen (2008)

Fot. 11. Żaluzje BiPV – system Shadovoltaic, Erlangen. Nocą i podczas wiatru szklane lamele ustawiane są horyzontalnie dla ograniczenia parcia wiatru na konstrukcję. Pomosty kratowe umieszczone między oknami a żaluzjami zapewniają łatwy dostęp zarówno do fasady, jak i osłony BiPV [fot. Wolfram Murr, SOLON AG, www.solar.etechnik.uni-erlangen.de/]

58

Fot. 13. Q-Cells AG, Bitterfeld/Wolfen. Częściowo przesuwane panele metalowe i fotowoltaiczne osłaniają budynek od słońca oraz wiatru [fot. bhss-architekten/Steffen Junghans, www.solarintegration.de]

tycznego sterowania synchronizuje ruch elementów osłony 2 razy na dobę. Mobilna instalacja pozwala budynkowi reagować na zmiany warunków atmosferycznych i pozycję słońca tak, by zoptymalizować przepływ światła i ciepła przez przegrodę. dr inż. arch. Magdalena Muszyńska-Łanowy Politechnika Wrocławska

W „Słonecznej Dolinie” pomiędzy Berlinem a Lipskiem powstał nowy budynek administracyjny Q-Cells AG. Znany producent ogniw po raz kolejny pokazał możliwości integracji fotowoltaiki z fasadą. BHSS Architekten zaprojektowali budynek otoczony z 4 stron pierścieniem balkonów. Dostępne ze wszystkich biur galerie są miejscem spotkań i komunikacji, zapewniają pracownikom widok na okolicę. Zewnętrzna, klimatyczna powłoka BiPV niczym kołnierz osłania od słońca i wiatru. Tworzą ją metalowe oraz fotowoltaiczne panele, częściowo ruchome. System automa-

Literatura: [1] Prasad D., Snow M. (eds.): Designing with solar power. A Source Book for Building Integrated Photovoltaics (BIPV), Images Publishing, Mulgrave, Earth scan, London, Sterling 2005 [2] Prag C.: Building Integrated Photovoltaic Shading Elements Application to an Institute Building, IHK Freiburg/Inter Solar 2003 [3] Roberts S., Guariento N.: Gebäudeintegrierte Photovoltaik. Ein Handbuch, Birkhäuser Verlag AG, Basel 2009 [4] www.coltgroup.com [5] http://isofoton.es [6] www.pvdatabase.org/ [7] www.reynaers.com [8] www.schueco.de

WYDANIE SPECJALNE


Fotowoltaika w budynkach historycznych

Fotowoltaika w budynkach historycznych Niestabilność rynku energii z paliw kopalnych oraz zwiększenie świadomości proekologicznej w społeczeństwie sprawiają, że zainteresowanie produkcją energii ze źródeł odnawialnych stale rośnie, a wraz z nim liczba instalacji solarnych w środowisku miejskim. Zintegrowane z budynkiem systemy fotowoltaiczne są coraz bardziej powszechne we współczesnej architekturze, rzadko natomiast spotyka się je w obiektach o charakterze historycznym. Jest wiele powodów, dla których użycie fotowoltaiki w istniejących budynkach, np. w ramach modernizacji czy rewitalizacji, można uznać za właściwe i korzystne. Kwestia staje się bardziej problematyczna, gdy obiekty przedstawiają pewną wartość historyczną. Jedynie niewielki procent stanowią wpisane do rejestru zabytki, zdecydowana większość nie podlega ochronie konserwatorskiej. Jednak nawet i tego typu „zwykłe” konstrukcje tworzą ważną część dziedzictwa kulturowego, wszelkie przekształcenia wymagają zatem indywidualnego podejścia i kompleksowej analizy. O możliwości instalacji systemu BiPV i jego charakterze decydują regionalne władze, które dla konkretnego przypadku wprowadzają specjalne procedury i mniej lub bardziej ścisłe restrykcje. Nie ulega wątpliwości, że powiązanie dawnego, tradycyjnego budownictwa i architektury z innowacyjnymi technologiami solarnymi jest dużym wyzwaniem, tym bardziej, że w praktyce wiele osób odnosi się do takich działań z nieufnością lub wręcz niechęcią. Dla pobudzenia szerszej dyskusji na ten temat w różnych krajach prowadzone są programy i projekty badawcze z udziałem naukowców, architektów i opinii publicznej. Analizując socjologiczno-kulturowy punkt widzenia przeprowadza się wśród mieszkańców stref historycznych ankiety dotyczące ich priorytetów i akceptacji dla solarnych technologii [6]. Wiele podejmowanych działań skupia się na rozszerzaniu potencjału fotowoltaiki w kwestii jej kompatybilności z architekturą. Za pomocą symulacji i fotomontaży bada się wpływ różnego rodzaju materiałów i sposobów ich integracji z budynkiem w celu maksymalnego ograniczenia wizualnego oddziaływania na historyczny kontekst. Badania koncentrują się m.in. na estetycznych aspektach komponentów BiPV i możliwościach ich powiązania z tradycyjnymi technikami budowlanymi. Przykładowo, w ramach międzynarodowego programu BiPV-CIS (2004-2007) testowano materiały bazujące na cienkowarstwowej technologii ogniw z selenku indowomiedziowego (CIS), modyfikując wygląd szklanych modułów

Fot. 1. Museo del Castello di San Georgio, La Spezia. Banner informacyjny z prototypowymi modułami CIS pokrytymi sitodrukiem (fot. www.panoramio.com)

Fot. 2. Tablica z cytatem z Schillera na murach miejskich, Marbach am Neckar. Aby zapewnić optyczną harmonię za wzór tła dla modułów PV przyjęto strukturę i kolorystykę kamienia tworzącego zabytkowe mury miasta. Podstawowy wzór wszystkich dziewięciu modułów jest identyczny, punktowy raster pokrywa 10-25 % powierzchni (fot. http://www.pvaccept.de)

dla lepszej integracji ze „skórą” istniejących budynków [1]. Rozwinięcie technologii dla zrównoważonej renowacji budynków historycznych z wykorzystaniem najnowszych osiągnięć materiałowych jest celem rozpoczętego w 2008 r. projektu SuRHiB (Sustainable Renovation of Historical Building). Podjęto próbę opracowania kryteriów i zaleceń, które pozwolą zdefiniować odpowiednią procedurę w przypadku użycia solarnych tech-

Fotowoltaika w architekturze

nologii w środowisku miejskim w obiektach, w których kwestie architektoniczne, historyczne i kulturowe muszą być starannie przeanalizowane. Skupiono się na niepodlegających ochronie budynkach z XIX i pocz. XX w [4].

Technika Dla sprawnego funkcjonowania zarówno instalacji solarnej, jak i budynku niezbędne jest

59


Magdalena Muszyńska-Łanowy odpowiednie powiązanie ich systemów. Rolą projektantów jest dopasowanie generatora fotowoltaicznego do istniejącej struktury i jego powłoki (konstrukcji, funkcji użytkowej, komfortu, estetyki) w taki sposób, aby wszystko razem sprawnie funkcjonowało, w miarę możliwości jako całość. Należy pamiętać, iż dodanie systemu PV do istniejącego budynku stanowi dodatkowe obciążenie dla jego konstrukcji, które nie zawsze będzie ona w stanie przyjąć. Standardowe moduły fotowoltaiczne są stosunkowo lekkie, natomiast wykonywane na specjalne zamówienie materiały o indywidualnie dostosowanych parametrach, np. z podwójnym lub potrójnym szkleniem, mogą być kilkakrotnie cięższe. Mechaniczne mocowanie, przeprowadzenie okablowania i innych komponentów generatora zawsze będzie w jakimś stopniu ingerencją w istniejącą strukturę powłoki – nieodpowiednio przeprowadzona instalacja może mieć różne negatywne skutki (utrata szczelności, itp.). Z technicznego punktu widzenia ograniczeń jest coraz mniej, dostępność szerokiej gamy produktów BiPV pozwala bowiem na odpowiedni wybór komponentów i metod integracji. Innowacyjne materiały, systemy mocowania itp. testowane są w przestrzeni publicznej, także tej o charakterze historycznym. Dla przykładu w ramach niemiecko-włoskiego projektu PVACCEPT (2001-2004) zrealizowano kilka eksperymentalnych instalacji z prototypami szklanych modułów CIS [8]. Solarną tablicę informacyjną z wielkimi, pokrytymi sitodrukiem modułami umieszczono na murach zabytkowego zamku San Giorgio w La Spezia (fot. 1). Z kolei na murach miejskich w Marbach am Neckar, w porozumieniu z konserwatorem zabytków, zainstalowano płytę PV z sentencją Schillera. W obu wypadkach nadruk wykonano innowacyjną techniką ceramic screen painting, która umożliwiła duży stopień adaptacji estetyki modułu (w kwestii koloru, wzoru i struktury) do historycznego kontekstu (fot. 2).

Fot. 3. Fotowoltaiczny dach: Bergkirche, Schönau (fot. www.wikimedia.org)

Energooszczędność Na całym świecie podejmowane są wysiłki mające na celu obniżenie zapotrzebowania na energię w budynkach – w krajach OECD jej zużycie pokrywa 25-40% całkowitej globalnej konsumpcji rocznej, w Europie sięga 40-45%. Budynki historyczne niespełniające obecnych przepisów wymagają odpowiedniej modernizacji dla osiągnięcia wyższych standardów efektywności energetycznej. Gdy powstawały, kwestia energooszczędności nie była brana pod uwagę, inne były też możliwości techniczne i technologiczne. W efekcie ilość energii zużywanej do ogrzewania pomieszczeń i wody w tego typu obiektach jest kilkakrotnie wyższa w porównaniu do nowoczesnych struktur, a i komfort termiczny pozostawia często wiele do życzenia. W przypadku modernizacji instalacji z wykorzystaniem energii ze źródeł odnawialnych technologia BiPV jest szczególnie korzystna, z uwagi

Fot. 4. Centrum Solarne, Wietov. Fotowoltaiczne okiennice zaprojektowane tak, aby pozostały w zgodzie z historyczną estetyką budynku i spełniały wymagania konserwatora zabytków, powstały we współpracy z firmą COLT INTERNATIONAL (fot. http://internationalesommeruni.wordpress.com)

60

na swoją wielofunkcyjność. Zintegrowane z budynkiem szklane moduły fotowoltaiczne generują czystą energię elektryczną, którą można wykorzystać bezpośrednio na miejscu lub sprzedać do sieci energetycznej. Jednocześnie odpowiednie rozwiązania materiałowe i konstrukcyjne umożliwiają poprawę termicznych właściwości powłoki i komfortu użytkownika. Termomodernizacja budynków historycznych jest trudna, m. in. z uwagi na konieczność ograniczenia ingerencji w konstrukcję powłoki i jej wizerunek (w miarę możliwości dąży się do zachowania jej pierwotnego wyglądu). Potrzeba zatem odpowiednich rozwiązań technologicznych, które poprawią efektywność energetyczną pozostając w odpowiednich relacjach z koncepcją estetyczną. Fakt, iż instalacja solarna zawsze jest w takim wypadku dodana do istniejącego już obiektu, a nie zaprojektowana wraz z nim od samego początku jako jeden z podzespołów holistycznej koncepcji, stanowi z pewnością duże utrudnienie. W praktyce spotyka się m. in. rozwiązania polegające na integracji modułów PV ze strukturą dachu. Sposoby są różne – od częściowego zastąpienia konwencjonalnych materiałów do całkowitej wymiany pokrycia. Wiele takich instalacji zrealizowano w ostatnich latach w ramach renowacji i remontów starych kościołów (fot. 3). Inna metoda wiąże się z wymianą istniejącego szklenia – w licznych obiektach otwory okienne z pojedynczymi szybami, dodatkowo w metalowej ślusarce, powodują znaczne straty ciepła. Pojawiają się też koncepcje polegające na dodaniu do istniejącej bryły nowoczesnych szklanych konstrukcji, jak np. podwójne fasady czy szklane dachy. Zazwyczaj są to rozwiązania umożliwiające pozyskiwanie energii słonecznej jednocześnie metodą pasywną i aktywną.

WYDANIE SPECJALNE


Fotowoltaika w budynkach historycznych Tego rodzaju szklane struktury BiPV generują elektryczność, chronią przed wpływem środowiska zewnętrznego, w pewnym stopniu zapewniają dostęp naturalnego światła dziennego Kwestia regulacji przepływu energii przez przegrodę budynku wiąże się też z problemem nadmiernego przegrzewania pomieszczeń – zastosowanie systemów ochrony przeciwsłonecznej ze szkłem BiPV daje pozytywne rezultaty.

emisyjną i lamelami odbijającymi promieniowanie podczerwone. Obie warstwy oddziela 11 cm szerokości pustka, która zapewnia stałą cyrkulację powietrza. Zimą ciepłe powietrze (nagrzane bezpośrednio od słońca oraz od pracujących modułów) dogrzewa przylegające do fasady pomieszczenia, latem wyrzucane jest na zewnątrz przez specjalne otwory w elewacji [2].

Interesującym przykładem są okiennice solarne opatentowane przez architekt Astrid Schneider z Berlina. Innowacyjne rozwiązanie zastosowano w zabytkowym budynku starej farmy w Meklemburgii (fot. 4), pełniącym obecnie funkcję Centrum Solarnego. Modernizacja obiektu była jednym z elementów szerszej koncepcji zaopatrzenia ośmiu okolicznych wsi przez odnawialne źródła energii. Fotowoltaiczna okiennica produkuje tyle energii, ile zużywa ~5 m2 budynku mieszkalnego [3].

Estetyka

We francuskim Alès wykorzystano ruiny XIwiecznego kościoła na potrzeby lokalnego centrum turystycznego. W ramach rewitalizacji w trzech wysokich kamiennych arkadach wyko-

Widoczność jest podstawowym problemem w wypadku umiejscowienia fotowoltaiki w kontekście historycznym, dlatego odpowiedni design jest szczególnie ważny. Im bardziej zauważalna instalacja solarna, tym większą wagę przykłada się do jej jakości estetycznej. Wiele czynników wpływa na ostateczny rezultat. Ważny jest zarówno wygląd poszczególnych komponentów, jak ich kompozycja, miejsce i sposób integracji z budynkiem. W większości wypadków implementacja systemu solarnego prowadzi do nadania budynkowi nowoczesnego wyglądu, estetyki typu high-tech. Fotowoltaikę uznaje się więc raczej

Fot. 5. Centrum turystyki, Alès. Szklane wykusze BiPV wypełniają kamienne arkady (fot. www.panoramio.com)

nano wykusze w lekkiej, metalowej konstrukcji wypełnionej szkłem fotowoltaicznym (fot. 5). Połączenie innowacyjnej struktury BiPV ze starymi, grubymi murami z kamienia miało na celu powiększenie przestrzeni oraz poprawę warunków klimatu w budynku. Podwójna szklana fasada z ogniwami fotowoltaicznymi izoluje wnętrze, jednocześnie pozyskując promienie słoneczne. W ten sposób generuje energię elektryczną, wykorzystuje zyski energii cieplnej oraz naturalne oświetlenie. Semitransparentne moduły BiPV przepuszczające 15% światła dziennego (przedostaje się ono pomiędzy rozstawionymi ogniwami) tworzą zewnętrzną warstwę szklanej konstrukcji. Od wewnątrz zastosowano kasety z podwójnego szkła izolacyjnego z warstwą nisko-

Fot. 6. Saint-Silas Church, Pentonville. Zabytkowy kościół z 1863 r. znajduje się w chronionej strefie. Panele fotowoltaiczne będące częścią pokrycia NuLok Slate są akredytowane przez Building Research Establishment BRE w ramach programu Micro Carbon MCI. Mają 25 lat gwarancji i długość życia określoną na 40 lat (fot. www.centrica.com)

za technologię odpowiednią do tworzenia współczesnej architektury, natomiast w obiektach historycznych, gdzie chroni się detal, oryginalny materiał i wizerunek jest kwestią znacznie bardziej problematyczną. Włączenie paneli PV do istniejącego budynku zaprojektowanego i zrealizowanego bez uwzględnienia tego typu dodatków zawsze w jakimś stopniu zmieni formę, fakturę czy kolorystykę powłoki i niekoniecznie będzie się dobrze komponować z bryłą oraz całościowym wizerunkiem. Standardowe elementy z widocznym, geometrycznym podziałem, w niebieskich kolorach i ze srebrnymi ramami, raczej nie będą odpowiednim rozwiązaniem w większości przypadków, aczkolwiek i takie koncepcje są realizowane (fot. 3).

Fotowoltaika w architekturze

Badania PVACCEPT dotyczące akceptacji technologii PV pokazały, że wyższy procent ankietowanych przykłada większą wagę do estetyki niż czynnika ekonomicznego. Standardowe moduły, tzn. prostokątne panele w czarnym lub ciemnoniebieskim kolorze z widocznymi kontaktami elektrycznymi, są neutralne pod względem estetycznym dla 71% Niemców, natomiast 62% Włochów uznało je za mało estetyczne [8]. Wykonywane na zamówienie materiały zapewniają więcej możliwości kształtowania estetyki, pozwalają na lepszą adaptację w kwestii koloru, struktury, kształtu, a nawet giętkości. Aktualny wybór materiałów BiPV na rynku komercyjnym daje projektantom duże pole manewru. W praktyce można zauważyć trzy metody podejścia do kwestii estetyki. Poprzez opozycję kolorów i faktur materiałów, czy dodanie zupełnie nowej konstrukcji powstają koncepcje działające na zasadzie kontrastu (fot. 3). Niektórzy podejmują dialog z historyczną strukturą – próbują na nowo zinterpretować pewne rozwiązania materiałowe czy konstrukcyjne, rozwinąć je w bardziej współczesny sposób. Taką reinterpretacją tradycyjnego elementu budowlanego są np. solarne okiennice (fot. 4).

Najtrudniejsze podejście to bardziej subtelna integracja polegająca na próbie maksymalnej adaptacji nowego ze starym, wtopienia się w kontekst (fot. 5-6). Niezależnie od przyjętej metody w przypadku budynków historycznych jasne jest, że estetycznie zadowalająca integracja fotowoltaiki wymaga wyjątkowo dużo dobrej woli i umiejętności projektantów. W opisywanym wcześniej budynku w Alès, jak twierdzą sami autorzy, udało się jednocześnie uzyskać obraz nowoczesności zamierzenie kontrastującej ze starym, zachować równowagę proporcji między istniejącą konstrukcją i dodanymi elementami oraz formalnie spoić wizerunek budynku. W tym celu zastosowano wykonane na specjalne zamówienie szklane moduły PV z ogniwami w czarnobrunatnym kolorze (fot. 5).

61


Magdalena Muszyńska-Łanowy Niezwykle starannie zaprojektowano także okablowanie, aby żadne elementy instalacji nie były widoczne. W zabytkowym kościele SaintSilas, w północnym Londynie, specjalnie dobrano kolor, kształt i sposób mocowania fotowoltaicznych elementów, co pozwoliło uzyskać dyskretny wygląd solarnego pokrycia na południowej połaci dachu. Tradycyjny łupek harmonijnie łączy się z odpowiednio zaprojektowanymi modułami PV (fot. 6). Jednym z najciekawszych przykładów osadzenia instalacji BiPV w historycznym kontekście jest z pewnością Le Losserand (fot. 7, 8). W 2008 r. dawną paryską podstację elektryczną przekształcono w inkubator dla nowych przedsiębiorstw. Nieczynny od lat, niewiadomego autorstwa budynek z 1929 r. nie podlegał ochronie konserwatorskiej. Idea projektu wynikała z chęci rewitalizacji dzielnicy silnie dotkniętej bezrobociem, w ramach Wielkiego Projektu Odnowy Urbanistycznej (Grand Projet de Renouvellement Urbain). Mimo stworzenia 180 nowych miejsc pracy budynek stał się znany przede wszystkim z innowacyjnych rozwiązań technicznych. Zachowując historyczny aspekt, tzn. mury z piaskowca, wysokie arkady i ceramiczny napis na frontowej elewacji świadczący o pierwotnym przeznaczeniu obiektu, architekt Emanuel Saadi zaproponował fotowoltaiczną szklaną „skórę”. Rocznie generuje ona ~80 000 kWh energii, pełni też funkcję ekranu przeciwsłoneczne-

Fot. 7. Elewacje BiPV w Le Losserand, Paryż. Ogniwa polikrystaliczne 15x15 cm (prod. PHOTOWATT) zintegrowano z różnego rodzaju szkłem. Wykonano 3 ekspertyzy techniczne ATEx (Appréciations Techniques d’Expérimentation) oceniające wykonalność, bezpieczeństwo i ryzyko wystąpienia zaburzeń w materiale, skupiając się m.in. na problemie uszczelnienia połączeń obwodowych szkła. Integracja nieprzezroczystych ogniw PV ze szkłem izolacyjnym powoduje wzrost temperatury, który może niekorzystnie wpłynąć na uszczelnienia na obrzeżach, prowadząc do zbyt szybkiego starzenia się materiału, odklejania elementów czy zamglenia szyb. Udowodniono, że mimo nagrzewania się ogniw laminująca żywica ma trwałość porównywalną do tej, jaką zwykle stosuje się w klasycznym szkle laminowanym (fot.www.wikimedia.org)

nie, tym bardziej, że wszystkie podjęte działania zawarły się w istniejącej bryle, bez zmiany jej wizerunku i przemysłowej tożsamości. W 2010 r. uwagę francuskich mediów przyciągnęła instalacja BiPV wykonana w alzackim

Fot. 8. Szklana podłoga w Le Losserand, Paryż. W podłodze tarasu wykonano 8 szklanych świetlików BiPV. Od środka zastosowano podwójne szklenie ze szkłem Pilkington Pyrostop® 60-401 i chroniącym od słońca Pilkington Suncool™ HP Neutre 70/40. Z zewnętrzną szybą zintegrowano fotoogniwa (fot. http://www.pilkington.com)

go. Oprócz wertykalnego, podwójnego szklenia na fasadach, ogniwa zintegrowano także ze szklaną podłogę i zadaszeniem na tarasie oraz balustradami. Charakterystyczne jest zmienne zagęszczenie ogniw. Chaotyczny układ nie jest przypadkowy – jak wyjaśnia architekt, pikselizacja zdjęcia piaskowca z elewacji doprowadziła do wyboru takiego ich rozstawu. W ten sposób uzyskano pewnego rodzaju podobieństwo do wyglądu porowatego kamienia, co nadało

62

budynkowi jedności i odpowiedniej jakości plastycznej. Poprzez instalację BiPV, zaprojektowany pierwotnie jako maszyna, budynek symbolicznie przedłużył swoją misję. Znów generuje energię elektryczną, tym razem jednak w sposób na miarę XXI wieku. Wg słów architekta każda architektura powstaje w wyniku ewolucji i tylko historia pokaże czy przyjęta opcja była słuszna czy nie. Wydawało się ważne, aby osadzić budynek w historii i dzielnicy, afirmując jego pierwotne przeznacze-

Fot. 9. Église Saint-Léger, Manspach. Fotowoltaiczne pokrycie dachu wykonano z 462 nieobramowanych szklanych modułów z ogniwami monokrystalicznymi (fot. Eric Leysens, www.lemoniteur.fr)

WYDANIE SPECJALNE


Fotowoltaika w budynkach historycznych

Fot. 10. „Fotowoltaiczny łupek” SG Solar Sunstyle, Manspach. Szklane płytki mają wymiary: 870x870x7,5 mm (szkło Securit 6 mm), ważą 10,4 kg (fot. www.technopoda.com)

Manspach. Ponieważ budynek XIX w. kościoła Saint-Léger wymagał renowacji od wielu lat, Dany Dietmann, ekologiczny mer, któremu nigdy nie brakuje pomysłów, zdecydował się na współczesną renowację zorientowaną w kierunku rozwoju zrównoważonego z poszanowaniem estetyki budynku. W rezultacie odnowiono wnętrza, odrestaurowano mury, wykonano termoizolację dachu, a stare dachówki z azbesto-cementu zastąpiono solarnymi płytkami (fot. 9, 11). Fotowoltaiczny łupek SG Solar Sunstyle z ogniwami z krzemu monokrystalicznego wyprodukowała w Luxemburgu firma SAINT-GOABIN. Estetykę innowacyjnego pokrycia zaadaptowano do historycznej architektury kościoła – ułożone na zakładkę grafitowe płytki w kształcie rombu dobrze zintegrowały się z budynkiem. Tylko, gdy świeci słońce, widać odbicie dzwonnicy na dachu co pozwala odgadnąć, że zastosowano tam nowoczesne szklane pokrycie (fot. 9). Wg informacji z końca września 2011 r., po sześciu miesiącach eksploatacji system produkuje energię w ilości znacząco przekraczającej

Fot. 11. Instalacja solarnych (fot. www.technopoda.com)

wstępne szacunki. Choć orientacja wschódzachód nie jest idealna ze względów energetycznych, 353 m2 instalacji produkuje ~900 Wh dziennie [9].

Podsumowanie W trakcie projektu PVACCEPT postawiono następującą tezę: jeśli innowacyjny design PV wytrzyma próbę integracji z obszarami chronionymi, będzie mógł być użyty wszędzie. Rezultaty pokazały, że nowoczesne technologie mogą dobrze integrować się z otoczeniem, niekoniecznie pozostając z nim w sprzeczności [8]. Rozmaite analizy sugerują jednak, że nadal częste jest raczej negatywne postrzeganie wprowadzenia fotowoltaiki do stref historycznych. Społeczeństwo nie jest jeszcze przyzwyczajone do formalnych aspektów ekotechnologii. Integracja fotowoltaiki jest ogromnym wyzwaniem dla architektów, zarówno w zakresie bilansu energetycznego jak i w aspekcie estetycznym.

płytek,

Mimo potencjału technologii, pozostaje wciąż wiele barier do pokonania. Rynek remontowanych i modernizowanych budynków jest znacznie większy niż rynek nowych konstrukcji, co oznacza, że jego otwarcie na BiPV to nie tylko problem odpowiedniego designu, ale i ważna kwestia ekonomiczna. dr inż. arch. Magdalena Muszyńska-Łanowy Politechnika Wrocławska Bibliografia [1] Muszyńska-Łanowy M.: Czarne fasady - fotowoltaiczne okładziny CIS, „Świat Szkła” 7-8/2010 [2] Muszyńska-Łanowy M.: Szklane fasady fotowoltaiczne – energooszczędność i komfort. Część 2, „Świat Szkła” 1/2011 [3] www.astrid-schneider.de [4] www.ccem.ch [5] www.cstb.fr [6] www.isaac.supsi.ch [7] www.lesechos.fr [8] www.pvaccept.de [9] www.saint-gobain.com [10] www.scheutensolar.de

WYDAWCA

REDAKCJA

REKLAMA

Euro-Media Sp. z o.o. ul. Rosoła 10a 02-786 Warszawa tel. 22 535 32 27

tel. 22 535 30 43 tel. 22 535 32 27 www.swiat-szkla.pl e-mail: szklo@swiat-szkla.pl

tel. 22 535 30 43 tel. 22 535 32 29

Katarzyna Polesińska – Prezes

Krzysztof Zieliński – Redaktor Naczelny

Joanna Jaworska – Dyrektor Wydawniczy

Wojciech Kołodziejski – Sekretarz Redakcji

Fotowoltaika w architekturze

Manspach

Aneta Kawczyńska tel. kom. 602 786 268 a.kawczynska@swiat-szkla.pl Agnieszka Roguska tel. kom. 698 455 355 a.roguska@swiat-szkla.pl

III


Fotowoltaika w architekturze 2015  

Fotowoltaika w architekturze 2015 - numer specjalny miesięcznika Świat Szkła omawiający rolę ogniw fotowoltaicznych zintegrowanych z obiekta...

Fotowoltaika w architekturze 2015  

Fotowoltaika w architekturze 2015 - numer specjalny miesięcznika Świat Szkła omawiający rolę ogniw fotowoltaicznych zintegrowanych z obiekta...

Advertisement