עיצוב מבנהים מתקדמים עם מערכות פוטו-וולטאיות משולבות

מבוא ל- Photovoltaic-Integrated Concrete Structures

הסביבה הבנויה צורכת כמעט 40% מהאנרגיה העולמית, כשהיא נוהגת בביקוש דחוף לטכנולוגיות שהופכות פני השטח הפסיביים לנרטור אנרגיה פעיל.עיצוב מבנים קונקרטיים עם מערכות פוטו-וולטאיות משולבות (PV) – לעיתים קרובות מונחות על ידי בנייה המתועדת בטון (BIPV-concrete) – מייצגים שינוי פרדיגמטי שבו אלמנטים מבניים כמו קירות, רצפות, גשרים, כבישים, ודרכים בו זמנית לטעון ומפיקים חשמל נקי, שלא כמו סוללות, שלא כמו סוללות, מבנים סולאריים, מבנים מודרניים, מבנים משובצים, מבנים משובצים, עיצוביים, מבנים מודרניים, עיצוביים, מבנים למערכות PV, מבנים, מבנים משובצים, מבנים משובצים, עיצוביים, מבנים, מבנים תואמים, מבנים מודרניים, מבנים, מבנים, מבנים, מבנים, מבנים , מבנים למערכות סוללות, מבנים , מבנים תואמים, מבנים למערכות רדיו-אטומיים, מבנים תואמים, מבנים מודרניים, מבנים מודרניים, מבנים למערכות רדיו-אטומיים, מבנים , מבנים , מבנים , מבנים למערכות סוללות, מבנים מודרניים, מבנים , מבנים למערכות רדיו-אטומיים, מבנים למערכות רדיו-קודמים, מבנים למערכות רדיו-קודמים, מבנים קונבנציונאליים,

הכדאיות של Concrete, המסה התרמית והעמידות הופכת אותו למארח אידיאלי עבור תאים PV, אבל האינטגרציה מציגה אתגרים מורכבים בצומת של חומרים, הנדסה מבנית ועיצוב חשמלי. מאמר זה חוקר את היתרונות הטכניים, מגבלות עיצוב, חומרים מתעוררים, יישומים בעולם האמיתי, ומחקר צופה קדימה המגדירה את השדה המתבגר במהירות.

יתרונות של Integrated Photovoltaic Concrete

הגדלת העוצמה הדחוסה של בטון עם לכידת אנרגיה סולארית מספקת מספר יתרונות ברורים שקשה להשיג עם מערכות נפרדות.

תפקוד כפול: מבנה וחשמל גנרטור

כל מטר רבוע של המעטפה של בניין הופך לנכס אנרגיה פוטנציאלי. Integrated PV בטון מבטל את הצורך במערך סולארי ייעודי, אשר לעתים קרובות דורש אדמה נוספת, חומרה עולה, חיזוק מבני.ההה קונקרטי עצמו משמש כפגז תת-קרקעי והגנתי עבור תאים פוטו-וולטאיים, צמצום הרקורד החומרי. גישה כפולה זו תואמת עם עקרונות מעגליים על ידי מיקסום התועלת של כל רכיב.

שיפור יכולת והגנת מזג האוויר

תאים פוטו-וולטאיים משובצים בטון מוגנים מפני ברד, רוח, קרינה UV, ורכיבה תרמית על ידי ממטריקס בטון. Tests הראו כי מודולים מטביעים כראוי בתוך לוחות בטון precast ניסיון פחות השפלה לאורך זמן בהשוואה לוחות חשופים, כי בטון סופג ומפיץ מחדש מתח תרמי.זה יכול להאריך את חיי רכיבי השמש כדי להתאים את החיים 50-100 של מחזור חיים קונקרטי, שיפור דרמטי של אנרגיה.

Aesthetics and Design Freedom

מערכות PV Embedded ניתן לתכנן כמו תאים סולאריים מחונפים, פריסות מתוחכמות, או translucent - המאפשר לאדריכלים לשמור קווים נקיים ללא הפרעה של הרמוניה חזותית. תאים סולאריים מאוישים צבע, פריסות דפוס, ורמות שקיפות שונות מציעים גמישות כי לוחות סולאריים מסורתיים לא יכולים להתאים. לדוגמה, פילם PV דק יכול להיות מיושם כמו ציפויים על פני השטח בטון, המאפשרים לייצר צורות אורגניות ללא עיצוב.

יציבות חלל ואינטגרציה עירונית

בסביבה עירונית צפופה שבה שטח הקרקע הוא בקושי, פני השטח האנכיים של גורדי שחקים, מבני חניה, ומחסומים קול לאורך כבישים מהירים הופכים לנדל"ן ראשוני לאיסוף אנרגיה. Integrated PV הופך את פני השטח האלה לנרטורים מבוזרים, צמצום אובדן השידור על ידי הפקת חשמל בדיוק היכן שהוא נצרך.

שיקולים עיצוביים לאינטגרליות ותפקוד חשמלי

שילוב מערכות PV לתוך בטון אינו רק עניין של גלימת תאים סולאריים על פני השטח.העיצוב חייב לקחת בחשבון אינטראקציות חומריות, שבילי עומס, התנהגות תרמית ובטיחות חשמלית.

התאמה חומרית ואתגר ההקלות

בטון טרי מייצר חום משמעותי במהלך היממה, עם טמפרטורות פנימיות לעתים קרובות מעל 60 מעלות צלזיוס תאים פוטו-וולטאיים סטנדרטיים רבים - במיוחד סיליקון גבישי - אובדן יעילות של מטבוליזם או נזק פיזי מעל 85 מעלות צלזיוס, ואת הסביבה אלקלית של בטון רטוב יכול לפוצץ מגעים מתכתיים.מהנדסים חייבים לבחור PV מדורג עבור טמפרטורה גבוהה יותר או עיכוב עד שהמדוייקט המדויק הוא ריפא באופן מלא, בין-מפלקס (כמו מחסומים) או קרמיקה) או קרמיקה (כמו קרמיקה) מחסומים).

המונחים: Structural loadingאינטגרציה

(המודולים הפוטו-וולטאיים מוסיפים עומס מת, אך ביקורתי יותר הם מציגים מתחים בנקודות בקשרים.כאשר תאי PV מוטבעים בלוח בטון, הטון שמסביב חייב להעביר עומסים סביב התאים מבלי לגרום לריכוזים המובילים לפצח.אנליזה של יסוד פינט (FEA) משמשת כדי להסיק כיצד החלק המורכב מתנהג תחת ריצוף, כלומר, מעצבים תרמיים של התרחבות תרמית של בטון (x10-F) מ- 10 - 0 {\displaystyle 1=kli) מ-K} ל- 10/Ki (xi) מ- 10.

אינטגרציה חשמלית ובטיחות

Wiring, קופסאות צומת, ו inverters כוח חייב להיות משולב בתוך העיצוב קונקרטי ללא שילוב של חיזוק מבני. Conduits חייב להיות ממוקם לפני לשפוך, ואת חיבורים חשמליים חייב להיות נגיש עבור תחזוקה.עבור מערכות voltage גבוהה, תיאום בידוד הוא קריטי להימנע מקשת או מקרקע בסביבה בטון לח. חלק עיצובים להשתמש במערכות DC עם microintage נמוך על פני השטח כדי למנוע את הביצועים של האש במקום גבוה.

חשיפה לאור השמש והאוריינטציה

בעוד פני השטח האנכיים מקבלים פחות זעזועים יומיומיים מאשר גגות מוטה אופטימלית, הם יכולים ליהנות מריאציות עונתיות - מזרח ומערב חזיתות ללכוד את הבוקר ואת השמש אחר הצהריים, בהתאמה. שינג מבניינים סמוכים, עצים או תכונות אדריכליות חייב להיות מודל באמצעות כלי ניתוח נתיב השמש. מבנים בטון קבוע לא יכול להיות מוטה כמו לוחות מכופים, כך זווית של שכיחות הוא קבוע; עם זאת, אבל ⁇ אלומיניום כי ניתן ללכוד מ-180 כי ניתן ללכוד מפנים סביב כדי ללכוד על פני השטח כדי לשפר את פני השטח על ידי 20 אחוזים על ידי צורות בטון סביב כדי לשפר את פני השטח על ידי צבעים על ידי מצעים על ידי לכידת על ידי מצעים לאחור כדי לשפר את פני השטח על ידי מצעים על ידי מצעים בטון על ידי מצעים על ידי מצעים על ידי מצעים בהירים על ידי מצעים על ידי מצעים על ידי מצעים על ידי מצעים על ידי מצעים בהירים.

חומרים וטכנולוגיות עבור PV-Integrated Concrete

ההתקדמות האחרונה בהנדסה חומרים יצרה מגוון טכנולוגיות המתאימות להטמיע בטון.

צילום: Photovoltaic Embedded Concrete Panels

לוחות בטון Precast עם תאי סיליקון גבישיים משובצים הם האפשרות הבוגר ביותר.התאים מלוטשים בין סרטים של ethylene tetrafluoroethylene (ETFE) ומוטבעים בגרף או הכיס בתוך הפאנל במהלך הליהוק. לוחות אלה יכולים להיות מיוצרים מחוץ לאתר עם בקרת איכות הדוקה, הבטחת מיקום תאים אחידים וחותמי מים.

Translucent Concrete

בטון Translucent המיוצר על ידי הטמעת סיבים אופטיים או אלמנטים המבוססים על שרף מאפשר אור טבעי לעבור דרך המבנה. בשילוב עם תאים PV להציב מאחורי או בתוך הממטריקס ברור, הבטון הופך להיות מחולל כוח עובר אור יום. טכנולוגיה זו אידיאלי עבור façades, שמים וגשרים הולכי רגל שבו אור יום הוא הרצוי.

סרטי PV גמישים ו-Keltings

תצלומים של תצלומים סרטניים דקים - כגון נחושת gloium סלנדל (CIGS) או תאים סולאריים רגישים צבע (DSSC) - ניתן לייצר על תת-שכבות גמישות וקשורה על משטחים קונקרטיים מעוקלים או לא סדירים לאחר שלב-cure. אלה סרטים הם קלים (תחת 2 ק"ג / m2) ויכולים להיות מיושם הרבה כמו כיסוי קיר.

יישומים אמיתיים ומקריות

כמה פרויקטים חלוצים מפגינים את יכולת הכדאיות וההיקף של בטון מופרש PV.

נתיבי השמש וכבישי אופניים

הולנד הכינה מספר מסלולי אופניים סולאריים באמצעות בטון מכוס זכוכית עם תאים מונוקריסטליים מוטבעים.פרויקט SolaRoad, שיתוף פעולה בין הממשלה ההולנדית ושותפות טכנולוגיה, שנוצר מעל 70 קילוואטה למ"ר בשנה הראשונה של התפעול שלה - מספיק כדי כוח שלוש משקי בית ל-100 מטרים של נתיב.

בנייה משולבת -Integrated Façades

המכון הפדרלי השוויצרי לטכנולוגיה לוזאן (EPFL) בנה את בניין "הירוקה" עם חזית בטון דרומה מוליד עם מודולים סיליקון דק-סרטים.הפאנלים היו עם משטח מרוקנת אשר הגדיל את ספיגת האור תוך מתן חימום סולארי פסיבי.המערכת מספקת כ -30% מהתאורה והטענות של הבניין.

גשר תשתיות

בפרייבורג, גרמניה, גשר הולכי רגל משתמש אריחים בטון פוטו-וולטאיים המשולבים בסיפון ובמסילות רכבת.האריחים עשויים מ בטון גבוה סטריאנט עם תאי נחושת משובצים (CIS) המוגנים על ידי שכבת זכוכית ממוזגת.הגשר יכול להיות לא רק כוחות תאורה LED הסמוכים ותחנת טעינה צמודה, אלא גם משמש כמקלט גשם.

Road Noise Barriers

חסמי רעש מהירים שבוצעו בטון precast עם PV משובצים יכולים לייצר אנרגיה משמעותית לאורך מסדרונות ליניאריים ארוכים.בשוויץ, פרויקט מחסום רעש המהיר A13 משתמש יותר מ-1,300 לוחות בטון PV שיוצרים 600 מגה-השנה מדי שנה - מספיק כדי כוח 170 בתים.ה בטון מספק בידוד אקוסטי (הפחתת רעש על ידי 30B) בעוד התאים PV עומדים דרומה, לכידת אור שמש מקסימלי זה, גישה כפולה תכליתית להפחית את הקרקעות צורך לחסל את הקירות הדרושים כדי לחסל את הקירות ולהפחית את הקירות הדרושים כדי למנוע רעשים ולהפחית את הקירות.

פרספקטיבה עתידית וגבולות מחקר

שדה בטון בעל גוף PV הוא מאיץ, מונע על ידי הצורך בבניינים אפס פחמן ותשתיות חכמות.כמה כיוונים מחקר מבטיח להתגבר על המגבלות הנוכחיות.

עידוד יעילות ותוחלת חיים

תאים סולאריים Perovskite, עכשיו מעל 25% יעילות במעבדה, יכול להיות ייצוב בסביבה קונקרטית באמצעות capsulation עם פולימרים הידרופוביים. מחקרים מוקדמים מראה כי הוספת שכבות בטון ⁇ יכול לעזור לנהל ללא השפעה על ביצועים perovskite. כמו, תאי Bifacial שיזוף (perovskite על סיליקון) יכול ללכוד אור ישיר ומשתקף מן פני השטח קונקרטי, להגדיל את סך הכל על ידי עד 30%.

מבנה עצמי ואקטיבי

הפחתת שיפור עם חיידקים עצמיים או חומרים פולימרים בצורת-זיכרון יכול לאטום microcracks כי אחרת לחשוף רכיבי PV לחות. חיישנים משולבים (למשל, מדדי זנים אופטיים) יכול לפקח הן בריאות מבנית והן פלט חשמל, המאפשר תחזוקה חיזוי וניהול עומס דינמי.

עיצוב ומרקם

כלים עיצוב Parametric מאפשרים לאדריכלים לייעל את המיקום PV, בצורת תאים וגיאומטריה קונקרטית עבור לכידת השמש המקסימלית ללא שילוב ביצועים מבניים. 3D- מודפס בטון, עדיין בחיתוליו, מציע את הפוטנציאל להדפיס תאים PV ישירות לתוך השכבה הבטונית, יצירת מבנה מפולני לחלוטין שמש- ⁇ עם ממשקים חלשים.

יציבות כלכלית ו Scalability

העלות נותרה המחסום הראשי. PV-integrated קונקרטית כיום עולה 30–50% יותר לוואט מאשר גג PV, בשל capsulation וטיפול.עם זאת, ככל שהגידולים והתהליכי הייצור משתפרים (למשל, מיקום תאים אוטומטיים במפעלים טרום-טק), עלויות צפויות ליפול מתחת ל-1.50/Watt בעשור הבא. כאשר העלויות של מבנים, קרקע, חיזוק מבני של מערכות נפרדות יכולות להיות בעלות תחרותית עבור עלויות גדולות של היום.

מסקנה: דרך לקראת תשתיות נטו-זארו

תכנון מבנים קונקרטיים עם מערכות פוטו-וולטאיות משולבות אינו מושג עתידני – זוהי אסטרטגיה מעשית ומופת יותר ויותר לדהמת הסביבה הבנויה.התכנסות של המרה השמש היציבה ויעילה מניבה חומר בניין שפועל באופן פעיל עבור תושביה ורשת מהנדסים ואדריכלים אשר מחבקים את האינטגרציה הזו מוקדם תוביל את המעבר למבנים פעילים באמת, אשר מייצרים יותר אנרגיה ממה שהם צורכים בחדשנות מתמשכת, עיצוב, כלים, עיצוביים, גם כן, כדי לראות את המבנים שלנו.

עבור אלה המבקשים לצלול עמוק יותר לתוך הנושא, את המחקר של הסוכנות הבינלאומית:0FLT:0V7 , פורטל המחקר BIPV פורטל מחקר פורטל מחקר 1V מציע הנחיות טכניות מקיף ומחקרי מקרה.