Gebouwgeïntegreerde zonnepanelen (BIPV)

Gebouwgeïntegreerde fotovoltaïsche panelen, in vakjargon BIPV, naar de Engelse term Building-Integrated Photovoltaics, verwijzen naar fotovoltaïsche installaties die op bouwkundige en esthetische wijze geïntegreerd zijn in een bouwwerk. BIPVs kunnen delen van de gevel of dak van een gebouw vervangen, door bijvoorbeeld als energieopwekkende gevelbekleding of zonnedakpan te dienen.[1][2][3] Hiervoor kunnen semitransparante,[4][5] doorschijnende[6] en gekleurde[7] fotovoltaïsche panelen gebruikt worden.

BIPVs onderscheiden zich van gebouwtoegepaste fotovoltaïsche panelen, in vakjargon BAPV, naar de Engelse term Building-Applied Photovoltaics, die zonder bouwkundige aanpassingen op gebouwen geïnstalleerd worden. Dit onderscheid is in het Nederlands taalgebied echter niet zo gebruikelijk en wordt algemeen gesproken van in gebouwen geïntegreerde fotovoltaïsche installaties.

Geschiedenis

De eerste zonnepaneelinstallaties op daken werden gerealiseerd vanaf de jaren 1970. Deze panelen verdienden zichzelf echter nog niet terug en de toepassingen beperkte zich vaak tot afgelegen gebouwen zonder verbinding met het elektriciteitsnet. In de jaren 90 kwamen er ook installaties beschikbaar specifiek voor gebouwintegratie, de BIPVs.[8]

Echter, tot ongeveer 2010 waren zonnepanelen relatief duur, waardoor het economisch niet aantrekkelijk was om extra kosten te maken voor esthetische aanpassingen zoals doorschijnende of gekleurde panelen. In die periode was men al tevreden wanneer een zonnepaneel zich binnen de technische levensduur kon terugverdienen. Tevens suggereerde een economische analyse van het Amerikaanse instituut National Renewable Energy Laboratory (NREL)[9] in 2011 dat er nog technische obstakels waren voor het rendabel maken van BIPV systemen.

Door de sterke kostendaling van zonnepanelen [10] en de verbetering van het rendement en kleurtechnieken is de economische haalbaarheid sindsdien aanzienlijk toegenomen. Gekleurde zonnepanelen worden steeds vaker toegepast[11], mede doordat zij dakpannen of gevelbekleding kunnen vervangen en daarmee extra bouwkosten vermijden.

Met verdere ontwikkelingen en kostenreductie wordt BIPV ingeschat als een cruciale factor voor de energietransitie en het energieneutraal maken van de gebouwde omgeving[12].

Paneeltypes

Gekleurde zonnepanelen

Het gebruik van juiste kleuren kan bijdragen aan de sociale acceptatie van zonnepanelen.[13]

Oude methode: variatie dikte anti-reflectiecoating

Gekleurde zonnepanelen zijn doorgaans technisch gebaseerd op conventionele fotovoltaïsche cellen, meestal van kristallijn silicium, waarbij het uiterlijk wordt aangepast door optische ingrepen. In vroegere ontwikkelingen werd de gewenste kleur vaak verkregen door de dikte van de antireflectiecoatingvan de zonnecel aan te passen. Dit had echter als nadeel dat de kleur over het paneel vaak niet homogeen was: bij multi-kristallijne cellen kregen de afzonderlijke kristallen elk een iets andere tint. Bovendien hadden de ruimtes tussen de cellen en het frame doorgaans geen bijpassende kleur, wat de visuele uitstraling verstoorde [14].

Er bestaan verschillende technieken om zonnepanelen van kleur te voorzien [15][16]. Op celniveau kunnen coatings op basis van dunne-film interferentie gebruikt worden. Daarnaast kunnen er op moduleniveau kleurdeeltjes in het glas of de encapsulant verwerkt worden, of kan het glas worden voorzien van een kleurcoating aan de binnen- of buitenzijde. Elke kleurtechniek zorgt voor een toename van de reflectie van het inkomende zonlicht, waarbij de kleur van het zonnepaneel bepaald wordt door het reflectiespectrum. Hierbij moet een balans gevonden worden tussen rendement en kleurhelderheid: een zwart paneel heeft het hoogst mogelijke rendement en een wit paneel het laagste rendement.

Kleur op basis van interferentie en absorptie

Met kleurtechnieken op basis van interferentie wordt vaak 10 tot 20% van het inkomende licht gereflecteerd; de rest wordt doorgelaten naar de cellen. Door de toename in reflectie bereikt er minder licht de zonnecellen , waardoor het rendement van gekleurde zonnepanelen typisch 80 tot 90% is ten opzichte van een vergelijkbaar zwart paneel, afhankelijk van de kleur [15][17][18]. Voor heldere kleuren zoals wit of andere kleurtechnieken kan het rendementsverlies 40% of meer zijn [19].

De techniek met het minste rendementsverlies werkt op basis van interferentielagen, waarbij kleur ontstaat door selectieve reflectie zonder significante absorptie. Interferentietechnieken leveren een hoger rendement op doordat er geen licht aan absorptie verloren gaat [20][21]. De dikte van de interferentielaag bepaalt de uiteindelijke kleur. De laagdikte kan bijvoorbeeld zo gekozen worden dat er bij rood licht van 600 nanometer constructieve interferentie optreedt. De waargenomen kleur is dan rood. De andere golflengtes (kleuren) worden vrijwel volledig doorgelaten naar de zonnecellen vanwege destructieve interferentie. Op deze manier is een breed scala aan kleuren te produceren [22]. Deze kleurtechniek kan ook worden toegepast op multi-junction zonnepanelen [23].

Andere technieken, waarbij kleuren of afbeeldingen zichtbaar zijn, maken veelal gebruik van absorptie van licht in gekleurde lagen of printtechnieken. Dit geabsorbeerde licht bereikt de zonnecel niet en leidt daardoor tot een lager elektrisch rendement.

Dunne-film zonnepanelen

Installatie van dunne-film zonnepanelen

Dunne-filmzonnepanelen maken geen gebruik van silicium zonnecellen, maar van alternatieve materialen zoals perovskiet cellen of organische zonnecellen met een absorberende laag bestaande uit polymeren. Deze zonnecellen bestaan doorgaans uit een stack van vijf lagen, waarvan de dikte nauwkeurig gecontroleerd kan worden. De elektrodes kunnen gemaakt worden van transparante oxides. Door de laagdiktes en absorptieprofielen van de materialen in de stack te optimaliseren, kunnen cellen ontworpen worden die maar een klein deel van het zonnespectrum absorberen en omzetten in elektriciteit, terwijl het overige deel wordt doorgelaten[4]. Dit kan zorgen voor een aansprekende uitstraling en voordelen voor klimaatbeheersing in gebouwen[5]. Door de dunne-filmarchitectuur met laagdiktes in de orde van 100 nm kunnen deze panelen tevens als een flexibele zonnefolie worden geproduceerd en daardoor op ronde oppervlakken worden geïntegreerd[24].

Doorschijnende zonnepanelen

In doorschijnende zonnepanelen wordt gebruikgemaakt van typische siliciumzonnecellen die niet transparant zijn, maar wordt er ruimte tussen de cellen gelaten, waardoor daar het licht (bijna) volledig wordt doorgelaten. Er ontstaat een geblokt patroon, waarbij de transmissie van het paneel bepaald wordt door de pakkingsgraad van de zonnecellen. Het rendement van het paneel zal grofweg lineair afnemen met de hoeveelheid ruimte die tussen de cellen wordt gelaten. Dit type zonnepanelen wordt vaak toegepast op carports en parkeerplaatsen, maar kan ook als lichtdoorlatende dakbedekking gebruikt worden[25].

Toepassingen

Rijksmonumenten

Monumentale boerderij met terracotta zonnepanelen

Diverse Nederlandse bedrijven richten zich op het maken van gekleurde zonnepanelen die geschikt zijn voor (rijks)monument en beschermde stadsgezichten [26][27][28]. Vrijwel alle gemeentes hebben beleid dat ruimte laat voor bijpassende oranje zonnepanelen op (rijks)monumenten met oranje dakpannen.

Terracotta zonnepanelen passen bij terracotta dakpannen, en kunnen helpen bij vergunningsverlening bij monumentale panden.[29]

Opdaksystemen

Bij opdaksystemen worden gekleurde zonnepanelen gebruikt op vergelijkbare manier als zwarte panelen, men spreekt over gebouwtoegepaste zonnepanelen. Hierbij gaat het vaak om terracotta zonnepanelen op terracotta daken, panelen in zinkkleur op felsdaken of leisteen-gekleurde panelen op leidaken[30].[31]

Indak PV systeem met terracotta panelen

Indaksystemen

Gekleurde zonnepanelen kunnen ook in het dak geïntegreerd worden. Dit levert esthetisch gezien vaak het beste eindresultaat op. Dit kan zowel met zonnepanelen met een standaardformaat, als met speciale stroken met de hoogte van een dakpan of zelfs met gekleurde zonnedakpannen, waarbij een klein zonnepaneeltje is geïntegreerd in een dakpan [27].

Zonnegevels

Gevel met diverse gekleurde panelen Façana Fotvoltaica.
Zonnegevel met gekleurde zonnepanelen

Gekleurde zonnepanelen kunnen ook op gevels geplaatst worden, zowel op een bestaande gevel als geïntegreerd in een gevel. In Nederland is een groot beschikbaar potentieel oppervlak voor zonnegevels [32][33]. Hoewel de jaaropbrengst van zonnegevels in kWh/jaar iets lager is dan voor een dakopstelling, is de gegenereerde waarde in euro's vaak vergelijkbaar of hoger. Dit komt door enkele gunstige factoren:[34]

  • Paneeloriëntatie. Hoewel de totale zoninstraling op een verticaal vlak over een heel jaar lager is dan voor een zuidgeoriënteerd paneel onder een optimale hoek, heeft het plaatsen van zonnepanelen op gevels diverse voordelen. Zo wekken oost- en westgevels respectievelijk veel energie op in de ochtend en avond, en wekken panelen op een zuidgevel relatief veel energie op in de winter [35]. Dit zijn momenten dat er veel vraag is en traditionele zonne-installaties minder opbrengen, en de dynamische (EPEX) elektriciteitsprijzen hoog zijn [36].
  • Impact op elektriciteitsnet. In veel gevallen zal het grootste deel van de opgewekte stroom direct gebruikt worden in het gebouw. Zonnepanelen op gevels kunnen zo bijdragen aan het verminderen van netcongestie en meer waarde creëren per opgewekte kWh dan optimaal georiënteerde panelen. Voor utiliteitsgebouwen geldt dat de jaaropbrengst van een zuidgevel slechts 14% lager is dan die van een platdakopstelling.[37]

Het idee voor het integreren van zonnepanelen in gevels stamt al uit de jaren 90, toen vooruitstrevende architecten hier al over nadachten. Destijds waren zonnepanelen echter dermate duur en inefficiënt dat dit nog geen realistische optie was. Anno 2025 wordt meer aandacht gegeven aan de mogelijkheden van zonnepanelen als gevelbekleding vanwege de hogere duurzaamheid, uitstraling en de BENG-wetgeving. [38]

Zie ook

Bronnen en referenties

Dit artikel is uitgegeven door Wikipedia. De tekst is beschikbaar onder Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0, tenzij anders vermeld. Voor de mediabestanden kunnen aanvullende voorwaarden gelden.