LYS OG ENERGI - solceller i transprente facader: Slutrapport for PSO F&U projektnr. 2006-1-6302

For english see below

En grundlæggende udfordring ved udvikling af nye typer solceller og anvendelse af disse i en arkitektonisk sammenhæng er, at solcellen oftest vurderes alene som tekniske og specialiserede monofunktionelle lag med fokus på at fungere som bygningens energieffektive hud. Formålet med projektet ’Lys & Energi - solceller i transparente facader’ er derfor at demonstrere og formidle potentialet for anvendelsen af lysfiltrerende solcellepaneler i forhold til at tilbyde brugeren en multifunktionel komponent, der tilfredsstiller de arkitektoniske målsætninger samtidig med at komponenten bidrager til et godt termisk indeklima, en god indendørs lyskvalitet samt producerer elektricitet.
Projektet er inddelt i seks aktiviteter, hvor den første aktivitet zoomer ind på de lysfiltrerende solceller der findes på markedet i dag, hvorefter der ’zoomes ud’ fra selve solcellen til byggekomponenten for at afsluttes i facaden og rummet bagved. Denne rækkefølge, der i vid udstrækning også afspejler den kronologiske udvikling af projektet, er gentaget i slutrapporteringen for at sikre bedst muligt overblik. I de enkelte aktiviteter er karakteriseringen gennemført ved at kombinere tekniske målinger, simuleringer og beregninger med en grundig arkitektonisk vurdering af solcellekomponent, facade og rum for at opnå en samlet, tværfaglig vurdering af solcellepanelerne. Det er vigtigt at understrege, at projektet tager udgangspunkt i de solcelleprodukter der findes på markedet i dag og i nærmeste fremtid.
Mulighederne og idéerne er evalueret og dokumenteret ved hjælp af mock-ups i skala 1:1, da enkelt-elementer, får helt andre kvaliteter, når de integreres i en facade – den platform som projektet er bygget op omkring. Disse modeller i fuld skala giver mulighed for at registrere og opleve lysets karakter såvel indefra som udefra og under forskellige lyssætninger.
To vigtige, håndfaste resultater af projektet er et undervisningsforløb for ca. 40 studerende ved Arkitektskolen Aarhus, som blev afsluttet med en åben udstilling og et idékatalog, hvor de lysfiltrerende solcellers potentiale præsenteres med fokus på en illustrativ formidling på tværs af faggrænser.
I projektet er der identificeret væsentlige potentialer og udfordringer omkring anvendelse af lysfiltrerende solceller som et byggeelement. Det har været vigtigt i projektet at tænke solcellen som et lysfilter og ikke som en erstatning for vinduer – et filter der i kombination med det fuldstændig transparente glas og fuldstændig lysblokkerende materialer åbner op for nye muligheder i facadedesign.
Det transparente solcellepanel kan imidlertid ikke stå alene som den eneste lysindtag da både mængde og kvalitet af det lys der transmitteres gennem panelerne ind i rummet oftest er så begrænset at supplerende elektrisk lys er nødvendigt en stor del af året. Desuden hindrer langt de fleste af panelerne udsynet indefra og panelernes mønstring gør farver indenfor samme nuance svære at adskille og der kan opstå forvrængning af udsynet.
Optiske målinger viser, at der er en lineær sammenhæng mellem panelernes g-værdier og åbningsgraderne, dvs. det areal hvorigennem lys kan passere. Det betyder at man, for en givet facadekomposition, kan beregne de aktuelle g-værdier. Beregningerne kan således bruges iterativt i udviklingsfasen af et bygge – eller renoveringsprojekt, til at optimere facadens g-værdi. Det skal understreges, at beregningen kun er gældende for den aktuelle bygning, men da der alligevel skal udføres en beregning på alt nyt byggeri, er g-værdiberegningen en relativt lille del i forhold til det designredskab det er.
Termiske simuleringer har vist, at der for panelerne bliver meget stor forskel i temperatur på det inderste og yderste glas i konstruktionen. Det yderste glas kan blive helt op til 80 grader mens det inderste glas i lavenergirude/solcelle-kombinationen, bliver mindre varmt end en almindelig lavenergirude. På trods af at den høje temperatur på yderste glas sandsynligvis kun opnås få timer om året, er det er muligvis et dilemma i forhold til anvendelse i enfamilieshuse pga. risikoen for at brænde sig. Det skal bemærkes at denne udfordring eksisterer for flere andre konstruktions- materialer/facadebeklædninger og der eksisterer ingen regler på det felt.
Samlet set giver solcellepaneler altså mindre risiko for overophedning inde i rummet end almindelige lavenergiruder, da varmestrålingen afsættes i det yderste lag glas i stedet for at blive transmitteret ind på det inderste glas.
I dagens priser er alle de lysfiltrerende solcellepaneler væsentlig dyrere, målt som pris per Wp, end installationer med konventionelle solceller. Da lysfiltrerende paneler repræsenterer en ny familie af produkter, vil priserne for disse produkter sandsynligvis være langt mindre statisk end prisen på konventionelle solcellepaneler og vil derfor falde hurtigere end prisen på konventionelle solceller, men forventes dog at forblive højere da fremstillingen er mere kompleks.
Projektet er gennemført som et reelt tværfagligt samarbejde mellem Statens Byggeforsknings- institut (SBi), Teknologisk Institut, VELFAC A/S og Arkitektskolen Aarhus. Den tværfaglige arbejdsform og en tæt dialog faggrupperne imellem, har været væsentlig for projektets gennemførelse og for sikre forankringen af projektets resultater i de respektive faglige miljøer som vidensopbygning og – spredning. Formidlingsstrategien har gennem hele projektet været at kommunikere budskabet, eksemplerne og resultaterne bredt både nationalt og internationalt gennem kontakt til studerende, ved dedikerede, offentlige arrangementer, i dialog med danske arkitekter og i pressen. Formidlingen har været kendetegnet ved at være generel og overordnet når det var nødvendigt, og målrettet og præcis i andre situationer, hvor et specifikt fagligt indhold skulle kommunikeres.

Abstract

The overall purpose with the project ‘LIGHT AND ENERGY –solar cells in transparent facades’ is to demonstrate and disseminate the potentials for the application of light-filtering solar cells as multi-functional components, which meets the architectural objectives while contributing to a good indoor climate, a suitable quality of lighting indoor and at the same time produces electricity.
The project was divided into six activities. The first activity ‘zooms in’ on the light-filtering solar cells on the market today. The following activities gradually ‘zoom out’ from the solar cell itself to the building component and ends up in the façade and the room behind. This order –which largely reflects the chronological development of the project – is repeated in the final project report to ensure the best possible overview. The characterisation in the different activities has been a combination of technical measurements, simulations, calculations and a thorough architectural evaluation of solar cell component, façade and room for attain an overall, interprofessional evaluation of the solar cell panels. It is important to stress that the basis of the project is the solar cell products available on the market today and In the near future.
The possibilities and ideas have been evaluated and documented using mock-ups in 1:1 scale since the individual components have completely other qualities when they are integrated in a façade – the platform of this project. These models in full scale are a possibility to register and experience the character of the light inside out and under different light settings.
Two important, tangible results of the project is an educational course for about 40 students at the Aarhus school of Architecture which was concluded with an open exhibition, and a catalogue in which the potentials of light-filtering solar cells were presented with focus on an illustrative interdisciplinary dissemination.
It has been important to think of the solar cell filter as a part of the architecture instead of a replacement for windows and actively use the light-filtering features as a possibility in new façade designs – a filter which in combination with the completely transparent glass and completely light- blocking materials opens up for new possibilities in façade design.
The transparent solar cell can not be the only source of light in the room since both the amount and the quality of light transmitted through the solar cell into the room often is so limited that additional electrical light will be necessary most of the year. In addition most of the panels obstruct the view from within and the patterning of the panels makes it hard to differentiate between colors in the same nuance.
Optical measurements show a linear relation between the g-value of the solar cell panels and the aperture area i.e. the area through which the light can pass. This means that for any certain composition of the façade, the g-value can be calculated. The calculations can thus be used iteratively in a development phase of a building- or modernisation project to optimize the g-value of the façade. Notice that the calculations are only valid for the actual building but since calculations are needed for all new building projects, the g-value calculation is a relatively small part compared the benefit as a design tool.
Thermal simulations have shown a large difference in temperature between the inner and outer glass in the panel. The outer glass can be as hot as 80 oC while the inner glass in a low-energy window/solar cell construction will be less hot compared to a standard low-energy window. In spite of the fact that the elevated temperature on outer glass most likely will only occur few hours a year this might be a dilemma for application in single-family houses due to the risk of burns. This issue exists for other construction materials as well.
Overall solar cell panels minimises the risk for overheating inside the room compared to regular low-energy windows because the thermal radiation is absorbed in the outer glass pane instead of being transmitted onto the inner pane.
In current prices all the light-filtering solar cell panels are significantly more expensive – measured in price pr. Wp compared to installations with conventional solar cells. Since light-filtering solar cells represent a new family of products, the prices for these products are probably much less static than the price for conventional solar cell products. Thus the prices are expected to decline more rapidly than conventional solar cells but stabilise at a higher level due to the more complex production.
The project was carried out as an actual interdisciplinary cooperation between Danish Building Research Institute (SBi), Danish Technological Institute, VELFAC A/S and Aarhus School of Architecture. The interdisciplinary working form and a close dialogue between the partners has been important for the completion of the project and in order to ensure a good knowledge compilation and dissemination in all the partners ́ different fields of expertise. The dissemination strategy through the entire project has been to communicate message, the examples and the results both nationally and internationally through contact with students, through dedicated public appearances, in dialogue with Danish architects and in the media. The dissemination has been characterized as being general-purpose when needed and dedicated and precise in other situations when exact specialist knowledge was communicated.