Handboek BIPV Building Integrated Photovoltaics Leidraad voor geïntegreerde zonne-energie Door: ing. Floris Brandsma www.brandsma-bouwadvies.nl Augustus 2015
Colofon Floris Brandsma LinkedIn Website 1 e druk augustus 2015 Disclaimer Dit e-boek is gratis en mag als zodanig worden gebruikt en weggegeven. Het mag uitsluitend worden verspreid zolang de inhoud en de vorm onveranderd blijven. Citeren mag mits voorzien van bronvermelding. Deels is de inhoud geschreven uit eigen kennis en ervaring en deels is er gebruik gemaakt van externe bronnen. Voor de foto s en de tekeningen is er grotendeels gebruik gemaakt van eigen beeldmateriaal. Dit handboek is uitsluitend bedoeld om de toepassing van geïntegreerde zonne-energie te stimuleren en is niet bedoeld om reclame te maken voor specifieke producten. Dit handboek is geheel op eigen initiatief geschreven en bevat geen gesponsorde onderdelen. Voor het schrijven van dit handboek is geen enkele tegenprestatie geleverd (noch financieel, noch in natura). Bij het samenstellen van dit handboek is de grootste zorg besteed aan de juistheid van de verstrekte informatie. Floris Brandsma aanvaardt echter geen enkele aansprakelijkheid voor eventuele onjuist verstrekte informatie. Floris Brandsma is niet aansprakelijk te stellen voor eventuele schade, direct of indirect, als gevolg van onjuiste en/of onvolledige informatie in dit e-boek. Indien u van mening bent dat er informatie in dit handboek op welke manier dan ook inbreuk maakt op uw auteursrechten, neem dan alstublieft contact op via info@brandsma-bouwadvies.nl Over Floris Brandsma Na werkzaam te zijn geweest bij een installatiebedrijf en een bouwbedrijf ben ik in 2013 een bouwadvies bureau begonnen dat gespecialiseerd is in geïntegreerde zonne-energie. De huidige markt beschikt over goede kennis en ervaring wanneer het de standaard toepassingen betreft. Echter, wanneer het om gebouwintegratie gaat, is gebleken dat de hiervoor benodigde specifieke kennis en ervaring ontbreekt. Om hier verandering in te brengen ben ik een eigen bouwadvies bureau begonnen. Al gauw bleek dat advies alleen niet voldoende was en ik ben daarom ook de werkvoorbereiding en de uitvoering voor mijn rekening gaan nemen. Om de toepassing van geïntegreerde zonne-energie zo veel mogelijk te stimuleren heb ik dit handboek samengesteld om zo veel mogelijk kennis over dit onderwerp te verzamelen en te delen. Dit eerste deel bevat algemene informatie over de diverse toepassingsmogelijkheden. In het volgende deel wordt meer in detail ingegaan op de verschillende toepassingen. Wilt u een vraag stellen of commentaar geven? Dat kan, graag zelfs! Plaats een reactie op de website via deze link. Tot snel! Floris Brandsma BIPV Specialist
Aanleiding Tegenwoordig worden er steeds hogere eisen gesteld aan de energie prestatie van gebouwen. De energieprestatiecoëfficiënt (kortweg EPC-norm) voor nieuwe woningen is per 1 januari 2015 aangescherpt van 0,6 naar 0,4 met als doel om in 2020 energie neutrale woningen te bouwen (EPCnorm van bijna nul). Voor utiliteitsbouw gelden per 1 januari 2015 afhankelijk van de gebouwfunctie andere eisen. Zie onderstaande tabel. Tabel 1. EPC-norm per 1-1-2015 1 De meest toegepaste strategie om aan de EPC-norm te voldoen is de Trias Energetica en bestaat uit (1) beperk het energieverbruik, (2) gebruik energie uit hernieuwbare bronnen en (3) gebruik fossiele brandstoffen zo efficiënt mogelijk. Voor energieneutraal bouwen is echter nog een extra stap nodig waardoor de stappen er als volgt uitzien 2 : 1. Beperk het energieverbruik 2. Gebruik energie uit reststromen 3. Gebruik energie uit hernieuwbare bronnen 4. Indien gebruik van eindige (fossiele) energiebronnen onvermijdelijk is, gebruik deze dan zeer efficiënt en compenseer dit op jaarbasis met 100% hernieuwbare energie 1. Beperken van het energieverbruik Denk hierbij bijvoorbeeld aan een goede isolatie en een goede afdichting van kieren, spleten en naden ter beperking van de energiekosten voor verwarming. Of het toepassen van veel daglicht ter beperking van het energieverbruik voor kunstlicht. 2. Gebruiken van energie uit reststromen Hierbij moet men name worden gedacht aan warmteterugwinning (WTW). De warmte die een gebouw verlaat wordt gebruikt om binnenkomende (koude) lucht of water mee op te warmen. Voorbeelden zijn een WTW-installatie in een ventilatiesysteem of een douche-wtw. 1 Bron: Nieman Raadgevende Ingenieurs 2 Bron: Aardvast
3. Maak maximaal gebruik van energie uit duurzame bronnen Als de eerste stap, het beperken van het energieverbruik, niet goed genoeg is uitgevoerd dan wordt het moeilijk om een energie neutrale woning met deze derde stap te realiseren. Hernieuwbare energie die op gebouwniveau kan worden toegepast is te verdelen in: - Zonne-energie - Warmtepomp en lage temperatuurverwarming (LTV) - Warmte-/koudeopslag (WKO) - Bodemwarmtewisselaar - Windenergie 4. Maak zo efficiënt mogelijk gebruik van eindige (fossiele) energiebronnen Dit is de laatste stap. Als alles is gedaan aan energiebesparing, restromen zo veel mogelijk worden gebruikt en hernieuwbare energie zo veel mogelijk wordt toegepast, is het belangrijk om de installaties en de verlichting zo efficiënt mogelijk te laten werken. Het energieverbruik moet zo laag mogelijk zijn zodat de hiervoor benodigde (eindige) fossiele energiebronnen (gas, olie en kolen) door hernieuwbare energie kan worden gecompenseerd. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het toepassen van HR installaties (cv ketel, warmtepomp e.d.). Het gebruik van energie uit duurzame bronnen, en zonne-energie in het bijzonder, is een zeer populaire maatregel. Zonder zonne-energie zijn energie neutrale woningen (EPC-norm van bijna nul) niet te realiseren 3. Het gebruik van zonne-energie is tegenwoordig breed geaccepteerd en wordt op veel manieren toegepast. Zonne-energie wordt meestal toegepast in de vorm van zonnecollectoren (zonnewarmte) of zonnepanelen (zonnestroom) die op het dak worden geplaatst. Figuur 1. Trias Energetica 2.0 4 Een ontwikkeling die in de laatste jaren tot stand is gekomen en vooral voor nieuwbouw en renovatie zeer interessant is, is de toepassing van gebouw geïntegreerde zonne-energie. De zonnecollectoren en/of de zonnepanelen worden niet alleen toegepast als duurzame energiebron maar ook als bouwmateriaal. De collectoren en de panelen vervangen de conventionele bouwmaterialen. Door de besparing op materiaal- en arbeidskosten is dit een bijzonder aantrekkelijke ontwikkeling. Daarnaast ziet het er ook nog fraai uit! In plaats van de term gebouw geïntegreerde zonne-energie wordt ook vaak de afkorting BIPV gebruikt. Deze afkorting is vanuit het Engels overgewaaid en staat voor Building Integrated Photovoltaics. 3 Bron: Nieman Raadgevend Ingenieurs 4 Bron: Aardvast
Tot op de dag van vandaag zijn het vooral de installatiebedrijven die zich bezighouden met zonneenergie. Daarnaast zijn er in de afgelopen jaren veel (nieuwe) bedrijven opgericht die zich alleen op de zonne-energie markt richten. Verhoudingsgewijs zijn er heel weinig bouw-/aannemersbedrijven en dakdekkers die zich bezighouden met zonne-energie. En dat is opmerkelijk omdat bijna alle zonnepanelen en collectoren op het bouwkundige dak worden geïnstalleerd. Door de opkomst van gebouw geïntegreerde zonne-energie (BIPV) komt hier mogelijk verandering in. Voor de toepassing van BIPV is niet alleen installatietechnische kennis (water en/of elektra) noodzakelijk, maar is ook de nodige bouwkundige kennis onmisbaar. BIPV vraagt dus om een combinatie van specifieke kennis. Advies, ontwerp en uitvoering moet dus door een specialist worden uitgevoerd die alle kennis in huis heeft, of door een combinatie van bijvoorbeeld een installateur en een aannemer waardoor ook alle kennis bij elkaar komt. In het laatste geval mag het duidelijk zijn dat de installateur en de aannemer goed op elkaar zijn ingespeeld en alle zaken goed op elkaar worden afgestemd. Dit handboek bevat zeer nuttige informatie voor iedereen die geïntegreerde zonne-energie wil gaan gebruiken of gaat toepassen. Voor de zakelijke professional en voor de (particuliere) eindklant. In dit eerste deel worden de BIPV mogelijkheden voor zowel de zon-thermische (zonnewarmte) als voor de zon-elektrische (zonnestroom) toepassingen overzichtelijk weergegeven. Van iedere toepassing wordt vervolgens een beknopte omschrijving gegeven. Op deze manier is geprobeerd om een duidelijk beeld te geven van alle BIPV mogelijkheden met als doel het toepassen van geïntegreerde zonne-energie te promoten. Om de informatie in dit handboek up-to-date te houden en om de kwaliteit ervan te kunnen verbeteren zijn vragen, op- en/of aanmerkingen altijd welkom! Plaats een reactie op de site via deze link. Heeft u een LinkedIn profiel? Wordt dan nu lid van de groep BIPV Nederland en kom in contact met nieuwe relaties zoals leveranciers, architecten, bouwbedrijven, installatiebedrijven en opdrachtgevers die allemaal geïnteresseerd zijn in BIPV. U kunt zich hier aanmelden.
INHOUD 1. Inleiding 2. Zonnepanelen 2.1. Zonnecellen 2.1.1. Standaard poly of mono 2.1.2. High Efficiency panelen 2.1.3. Dunne film panelen 2.2. Samenstelling 2.2.1. Glas folie laminaat 2.2.2. Glas glas laminaat 2.2.3. Met aluminium frame 2.2.4. Zonder aluminium frame 2.2.5. Maatwerk 3. Zonnecollectoren 3.1. Vlakke plaat collector 3.2. Vacuüm buis collector 3.3. Fotovoltaïsche thermische collector 3.3.1. PVT-collector 3.3.2. PVT-paneel 4. BIPV toepassingen 4.1. Hellende daken 4.1.1. In-dak montagesystemen 4.1.2. Vol-dak oplossingen 4.1.3. Grote solar dakpannen 4.1.4. Kleine solar dakpannen 4.1.5. Solar glas 4.1.6. Flexibele laminaten 4.2. Platte en ronde daken 4.2.1. Flexibele laminaten 4.2.2. Solar membraan 4.2.3. Solar glas 4.3. Gevels 4.3.1. Vliesgevels 4.3.1.1. Zuivere vliesgevels 4.3.1.2. Onzuivere vliesgevels 4.3.1.2.1. Warme onzuivere vliesgevels 4.3.1.2.2. Koude onzuivere vliesgevels 4.4. Diversen 4.4.1. Zonwering 4.4.2. Luifels 4.4.3. Balkons en balustrades 4.4.4. Carports 4.4.5. Terrasoverkappingen 5. Prijsniveau
1. Inleiding De meeste mensen kennen zonne-energie in de vorm van zonnecollectoren of zonnepanelen die veelal op een dak zijn aangebracht. De Engelse term voor dergelijke standaard systemen is Building Applied Photovoltaics, kortweg BAPV. Zo is ook de term ontstaan voor gebouw geïntegreerde zonne-energie, namelijk BIPV wat staat voor Building Integrated Photovoltaics. Maar wanneer is zonne-energie nu geïntegreerd en wanneer niet? Er zijn verschillende interpretaties van geïntegreerd. Het Solar Energy Application Centre (SEAC) 5 onderscheidt echter twee vormen van gebouw integratie welke voor dit handboek ook zijn aangehouden: Functionele integratie Esthetische integratie Functionele integratie Naast het opwekken van energie heeft de collector of het paneel ook nog een andere functie, namelijk dat van een bouwmateriaal. Ze worden in plaats van conventionele bouwmaterialen (bijvoorbeeld dakpannen) toegepast en hebben dus een dubbele functie. Esthetische integratie Dit is een wat abstracte interpretatie van integratie en daardoor ook een beetje subjectief. Hiermee worden toepassingen bedoeld waarbij zonne-energie een bijdrage levert aan het ontwerp van het gebouw dat de architect voor ogen heeft. De toepassing vormt één geheel met het ontwerp. Het uiterlijk van een gebouw is meestal het eerste wat opvalt. Architecten gaan bij het ontwerpen van gebouwen daarom steeds meer grensverleggend te werk. Hierdoor worden/zijn de eisen die aan de esthetische mogelijkheden van zonne-energie worden gesteld zeer hoog. Zonne-energie kan op verschillende manieren in de schil van een gebouw worden geïntegreerd. Door het SEAC wordt onderscheid gemaakt in 4 toepassingsgebieden. Dit zijn hellende daken, platte en ronde daken, gevels en diversen 6. Met behulp van diverse producten en systemen kan zonne-energie vervolgens in het dak of in de gevel worden geïntegreerd. Sommige producten beperken zich niet tot 1 toepassingsgebied waardoor ze bijvoorbeeld zowel voor daken als voor gevels toepasbaar zijn. Het schema op de volgende pagina geeft de producten en systemen per toepassingsgebied weer. 5 BIPV Product Overview for Solar Facades and Roofs, BIPV Status Report 2015, SUSPI - SEAC 6 BIPV Product Overview for Solar Facades and Roofs, BIPV Status Report 2015, SUSPI - SEAC
BIPV Building Integrated Photovoltaics Hellende daken Platte daken Gevels Diversen In-dak Flexibele laminaten Zuivere vliesgevel Zonwering Vol-dak Solar membraan Onzuivere vliesgevel Luifels Grote solar dakpan Solar glas Balkons Kleine solar dakpan Balustrades Solar glas Carports Flexibele laminaten Terrasoverkapping Figuur 1. BIPV toepassingen 7 In de volgende hoofdstukken worden per toepassingsgebied de producten en systemen kort toegelicht. In deel 2 van het handboek BIPV worden de producten en systemen meer in detail besproken. In hoofdstuk 2 wordt eerst nog even stilgestaan bij de verschillende soorten zonepanelen die tegenwoordig verkrijgbaar zijn voordat in hoofdstuk 4 de integratie ervan wordt toegelicht. In hoofdstuk 3 worden de thermische toepassingen (zonnewarmte) behandeld. 7 BIPV Product Overview for Solar Facades and Roofs, BIPV Status Report 2015, SUSPI - SEAC
2. Zonnepanelen Zonnepanelen zijn verkrijgbaar in vele soorten en maten. Naast de het type zonnecellen, het vermogen en de afmetingen verschillen de panelen ook sterk in hun uiterlijk. Vooral voor BIPV toepassingen is het uiterlijk erg belangrijk. Wat opvallend is voor de huidige BIPV markt is het relatief grote aandeel van de dunne film panelen ten opzichte van de standaard poly of mono kristallijne panelen 8. Een mogelijke verklaring hiervoor is (1) het fraaie egaal zwarte uiterlijk, (2) de lage kosten per vierkante meter ( /m²) en (3) de goede thermische eigenschappen / lage temperatuur coëfficiënt (-%/ C). Omdat ieder gebouw en elke uitgangssituatie anders is, bestaat er geen paneel dat het beste is voor BIPV toepassingen. Leg van te voren de eisen en wensen van het ontwerp vast en bepaal dan welk type paneel hier het beste bij past. Vervolgens kan afhankelijk van de toepassing (dak of gevel) een geschikt montagesysteem worden geselecteerd. In dit hoofdstuk (2) worden de meest voorkomende zonnepanelen besproken. Zowel het type zonnecel als de samenstelling en de afmeting. In hoofdstuk 3 worden de toepassingen behandeld. 2.1. Zonnecellen Voor zonnepanelen worden diverse soorten zonnecellen toegepast. De bekendste zijn cellen van poly of mono kristallijn silicium. Wat minder bekend zijn de dunne film cellen. Relatief nieuw en bij veel mensen nog onbekend zijn de zogenaamde high efficiency cellen (Back Contact en HIT). 2.1.1. Standaard poly of mono panelen Een standaard zonnepaneel bestaat uit zonnecellen van poly of mono kristallijn silicium. Kristallijn Silicium wordt ook wel aangeduid met de afkorting c-si. Poly kristallijne zonnecellen zijn blauwpaars van kleur. Mono kristallijne zonnecellen zijn bijna zwart van kleur. De meeste standaard panelen zijn voorzien van 60 stuks zonnecellen van 156 x 156 mm (6 inch). De afmeting van een standaard zonnepaneel is ongeveer 1,0 x 1,65 meter. Poly kristallijne zonnepanelen (blauw) Dit type paneel met blauwpaarse zonnecellen op een witte achtergrond (backsheet) en een aluminium kader er omheen is tot nu toe het meest toegepaste zonnepaneel in Nederland. De zonnecellen zijn gemaakt van Silicium (c-si) en zijn, naast de kleur, te herkennen aan hun rechthoekige (vierkante) vorm. Soms kun je de vormen van de natuurlijke kristallen van het silicium terugzien in de zonnecellen (vergelijkbaar met ijskristallen). Omdat deze panelen relatief goedkoop zijn, zijn ze op grote schaal toegepast. Echter, het prijsverschil met de duurdere zwarte mono kristallijne zonnepanelen is zo klein geworden dat de meeste consumenten tegenwoordig voor de mooiere zwarte uitvoering kiezen. 8 BIPV Product Overview for Solar Facades and Roofs, BIPV Status Report 2015, SUSPI - SEAC
Mono kristallijne zonnepanelen (zwart) Dit type paneel met zwarte zonnecellen op een zwarte achtergrond (backsheet) en een zwart aluminium kader er omheen wordt ook wel een full black paneel genoemd. De zonnecellen zijn net zoals bij de poly kristallijne zonnepanelen gemaakt van Silicium (c-si). Echter, het silicium dat gebruikt wordt voor de mono kristallijne zonnepanelen heeft nog een extra bewerking ondergaan waardoor er een homogene structuur in de kristallen van het silicium ontstaat. Naast de kleur en de structuur zijn de cellen ook te herkennen aan de vierkante vorm waarbij de hoeken zijn afgeschuind. Naast de genoemde zichtbare verschillen tussen poly en mono kristallijn zijn er ook 2 onzichtbare verschillen. Mono kristallijne zonnepanelen hebben over het algemeen een iets hoger rendement (circa 16% vs. 15%). Daarnaast zijn mono kristallijne zonnepanelen gevoeliger voor direct zonlicht en zijn poly kristallijne zonnepanelen gevoeliger voor diffuus licht. De verschillen op een rij: de kleur, de vorm, de structuur, het rendement en de lichtgevoeligheid van de zonnecel. 2.1.2. High Efficiency panelen Dit type paneel bestaat uit zeer hoogwaardige mono kristallijne zonnecellen. Dergelijke panelen zijn meestal voorzien van 96 stuks zonnecellen van 125 x 125 mm (5 inch) waardoor de afmeting van dit paneel iets afwijkt van het standaard paneel. Ten behoeve van de efficiency (die kan oplopen tot ca. 20%) zijn de panelen voorzien van een witte achtergrond (backsheet). Maar met een iets lagere efficiency worden ze ook in een full black uitvoering op de markt gebracht. Voorbeelden van dit type zijn de zonnepanelen van BenQ of Sunpower met zogenaamde Back Contact (BC) zonnecellen. Of de zonnepanelen van Panasonic (voorheen Sanyo ) die voorzien zijn van zogenaamde HIT zonnecellen (Heterojunction with Intrinsic Thin layer). Dit zijn zonnecellen die gemaakt zijn van mono kristallijn silicium (c-si) in combinatie met amorf silicium (a-si). In plaats van Amorf silicium wordt ook vaak de term dunne film gebruikt. 2.1.3. Dunne film panelen (amorf) Oorspronkelijk werd dit type paneel meestal gemaakt van amorf silicium (a-si) in plaats van kristallijn silicium (c-si). Er zijn geen kristallen of zonnecellen zichtbaar en het paneel is egaal zwart van kleur. Het materiaal is zeer flexibel en buigzaag waardoor het geschikt is voor diverse toepassingen. Het rendement van dit type zonnecel is echter een stuk lager dan van de kristallijne zonnecel waardoor er veel meer oppervlak nodig is voor hetzelfde resultaat. Tegenwoordig zijn er dunne film panelen verkrijgbaar waarbij geen silicium (Si) als grondstof wordt gebruikt. Voorbeelden zijn CIS, CIGS en CdTe panelen. Het voordeel van het gebruik van deze andere grondstoffen is dat het rendement een stuk hoger is geworden (Wattpiek / m²), maar nog niet zo hoog is als dat van de kristallijne panelen. Hierdoor kunnen de dunne film panelen echter wel een heel goed alternatief zijn voor de poly en mono kristallijne panelen. De dunne film panelen zijn namelijk gevoeliger voor licht zodat de opbrengst hoger is dan dat van de kristallijne panelen. De opbrengst wordt uitgedrukt in kilowattuur per kilowattpiek (kwh/kwp).
De bekendste voorbeelden van dunne film panelen zijn de CIS panelen van Solar Frontier, de CIGS panelen van TSMC en de CdTe panelen van First Solar. De maatvoering van deze panelen wijkt, net zoals bij de high efficiency panelen, af van de standaard panelen. CIS staat overigens voor koper, indium en selenide. CIGS staat voor koper, indium, gallium en selenide. CdTe staat voor cadmiumtelluride. In onderstaande figuur (figuur 3) zijn de verschillende typen panelen overzichtelijk op een rij gezet. Per type wordt vervolgens het aantal cellen aangegeven, de afmeting van de cellen (mm), de kleur, het (STC) rendement van het paneel (%) en de globale afmeting van het paneel (m). 'Standaard' zonnepanelen Kristallijn Silicium High Efficiëncy 'Dunne Film' Poly Mono BC HIT a-si CIS CIGS CdTe 60 cels 60 cels 96 cels 96 cels - - 133 cels 216 cels 156x156 mm 156x156 mm 125x125 mm 125x125 mm - - - - blauw blauw/zwart blauw/zwart blauw/zwart zwart zwart zwart zwart ca. 15% ca. 16% ca. 20% ca. 19% ca. 9% ca. 14% ca. 15% ca. 16% ± 1,0x1,65 m ± 1,0x1,65 m ± 1,05x1,46 m ± 1,05x1,46 m ± 1,1x1,3 m ± 1,0x1,25 m ± 0,65x1,65 m ± 0,6x1,2 m Figuur 3. Soorten zonnepanelen
2.2. Samenstelling Naast als het type zonnecel en de maatvoering van het paneel is de samenstelling ook van belang wanneer het om BIPV gaat. Afhankelijk van de toepassing (dak of gevel) kunnen de eisen die aan de samenstelling gesteld worden anders zijn. Denk hierbij bijvoorbeeld aan de lichtdoorlatendheid van het paneel of aan de wens om zo klein of zo dun mogelijk te dimensioneren. 2.2.1. Glas folie De standaard poly of mono kristallijne panelen zijn samengesteld uit speciaal glas aan de voorzijde en een harde kunststof folie van PVF (polyvinylfluoride) aan de achterzijde waartussen de zonnecellen zijn ingekapseld en opgesloten. De kleur van deze backsheet is meestal wit of zwart. Een witte folie geeft een iets hoger vermogen terwijl een zwarte folie in combinatie met mono kristallijne cellen esthetisch vaak de voorkeur heeft. De standaard glas-folie panelen zijn niet transparant en laten geen licht door. 2.2.2. Glas-glas In plaats van PVF folie kan er ook een backsheet van glas worden toegepast. Op deze manier kunnen transparante zonnepanelen gemaakt worden. Glas-glas panelen zijn er ook in niet transparante uitvoeringen. Omdat het glas zwaarder is dan de standaard PVF folie moet er wel rekening gehouden worden met hoger gewicht per vierkante meter (kg/m²). 2.2.3. Met aluminium frame De standaard poly of mono kristallijne panelen (glas-folie) zijn voorzien van een aluminium rand of frame. De blauwe poly panelen zijn standaard voorzien van een zilverkleurig aluminium frame. De zwarte mono panelen zijn standaard voorzien van een zwart aluminium frame. Varianten hierop zijn ook mogelijk. Bijvoorbeeld poly kristallijne panelen met een zwart frame of mono kristallijne panelen met een zilverkleurig frame. Ook de glas-glas panelen zijn er met een aluminium kader, maar ze worden ook vaak toegepast zonder. 2.2.4. Zonder aluminium frame De transparante glas-glas panelen zijn de meest voorkomende frame-loze zonnepanelen. Simpelweg omdat voor de bevestiging van het glas een frame niet noodzakelijk is. Afhankelijk van de toepassing (dak of gevel) kunnen de voor glas gebruikelijke kozijnconstructies of speciale glasklemmen of glasdragers worden gebruikt. Ook glas-folie panelen zijn te verkrijgen zonder kader zodat ze geïntegreerd kunnen worden in de constructie van een gebouw, al komt dit niet heel vaak voor. Samenstelling met frame zonder frame Figuur 4. Samenstelling van de panelen glasfolie glasglas glasfolie glasglas
2.2.5. Maatwerk Voor de glas-glas panelen wordt steeds vaker maatwerk toegepast in plaats van de standaard maatvoeringen die door een producent zijn vastgesteld. De glaspanelen kunnen in allerlei vormen en kleuren worden geproduceerd. Er zijn bedrijven die zich hebben gespecialiseerd in het produceren van maatwerk zonnepanelen. Dus volledig naar wens van de klant. Relatief onbekend zijn de standaard glas-folie panelen (met frame) die ook als maatwerk te verkrijgen zijn. Hiermee kunnen bijvoorbeeld daken met een driehoekige vorm (schilddak of piramide dak) volledig worden voorzien van een dakbedekking bestaande uit zonnepanelen. Zonder dat daarbij gebruik wordt gemaakt van dummy s.
3. Zonnecollectoren Met een zonnecollector wordt geen zonnestroom geproduceerd maar zonnewarmte. De warmte wordt meestal opgeslagen in een voorraad vat of boiler, dat gevuld is met water. Daarom spreekt men ook vaak van een zonneboiler. Een zonneboiler kan gebruikt worden voor het opwarmen van het tapwater, de vloerverwarming, de radiatoren en/of het zwembad. Er zijn verschillende soorten zonnecollectoren maar de twee belangrijksten zijn de vlakke plaat collector en de vacuüm buizencollector. De vlakke plaat is het meest geschikt voor gebouw integratie. Hoewel er ook BIPV voorbeelden zijn waarbij de buizencollector wordt toegepast. 3.1. Vlakke plaat collector De vlakke plaat collector is een ondiepe bak (ca. 9 cm) die aan de voorzijde is afgedekt met een lichtdoorlatende glazen plaat. Binnenin is de plaat voorzien van een speciale absorberende laag zodat de plaat door het opvangen van het daglicht warm kan worden. Op deze absorberende laag bevindt zich een buizenregister met speciale vloeistof waarmee de warmte kan worden opgenomen. Via een warmtewisselaar geeft deze speciale vloeistof de warmte af aan het water in de boiler. Doordat de collector een vlakke, zwarte en dichte plaat is kan deze collector goed gebruikt worden ter vervanging van dak- of gevelmateriaal. 3.2. Vacuüm buizencollector In tegenstelling tot de vlakke plaat bestaat de buizencollector uit een open constructie van naast elkaar geplaatste buizen met circa twee centimeter tussenruimte. De buizen zijn van dubbel glas waar het vacuüm zich bevindt. Aan de binnenzijde is een speciale absorberende laag aangebracht. Hierdoor wordt de warmte als het ware gevangen in de glazen buis. Door het thermosflesprincipe wordt de opgevangen warmte zeer goed vastgehouden. De warmte stijgt omhoog en wordt aan de bovenzijde afgegeven aan de langsstromende (speciale) vloeistof. Vervolgens wordt de warmte, net zoals bij een vlakke plaat collector, via een warmtewisselaar afgegeven aan het water in de boiler. Door de open structuur is de buizencollector minder geschikt voor BIPV toepassingen. 3.3. Fotovoltaïsche thermische collector Fotovoltaïsche thermische collectoren, kortweg PVT-collectoren worden ook wel hybride zonnepanelen genoemd. Dit zijn collectoren die naast zonnewarmte ook zonnestroom kunnen opwekken. De restwarmte die bij het opwekken van de zonnestroom vrijkomt, wordt gebruikt om lucht of een vloeistof te verwarmen. Het afvoeren van de restwarmte heeft een positieve invloed op het rendement van de pv module. Het elektrisch rendement is hierdoor iets hoger dan dat van een standaard zonnepaneel en het thermisch rendement wat lager dan dat van een standaard zonnecollector 9. Het totale rendement ligt echter een stuk hoger. Per vierkante meter dakoppervlak is de gecombineerde energieopbrengst namelijk hoger. Het dakoppervlak wordt hierdoor efficiënter gebruikt. Vooral bij een beperkt beschikbaar dakoppervlak kunnen PVT-collectoren of PVT-panelen een goed alternatief zijn. Er hoeft geen keuze gemaakt te worden tussen zonnestroom of zonnewarmte, het kan allebei. 9 Inventarisatie zonthermische systemen, E4S Consult
Met een PVT-collector worden systemen bedoeld met glasafdekking terwijl PVT-paneel slaat op systemen zonder glasafdekking 10. Zowel systemen met als zonder afdekking kunnen lucht- of vloeistof gekoelde systemen zijn. De warmtevraag bepaalt de meest geschikte technologie. 3.3.1. PVT-collector De temperatuur in een PVT-collector (met glasafdekking) kan heel hoog oplopen. Hierdoor is de PVTcollector geschikt voor tapwater verwarming. In verband met de hoge temperaturen worden er wel specifieke eisen gesteld aan het pv-laminaat. Het thermische rendement is hoger en het elektrische rendement is lager dan dat van de PVT-panelen. 3.3.2. PVT-paneel Bij PVT-panelen (zonder glasafdekking) zijn door het ontbreken van de afdekking de geleverde temperaturen lager. Dit systeem is dan ook minder geschikt voor tapwater verwarming. PVT-panelen worden vaak gebruikt bij lage temperatuur verwarming (bijvoorbeeld vloerverwarming) in combinatie met een warmtepomp. Hoewel het totale rendement lager is dan dat van de collector zijn het in Nederland vooral de PVT-panelen die worden toegepast. Voorbeelden hiervan zijn de zogenaamde zonthermische daken waarbij onder een hoog absorberende dakbedekking de collectorplaten in het dak wordt geïntegreerd. In de collectorplaten bevindt zich een leidingstelsel dat wordt opgewarmd door de warme dakbedekking. Deze leidingen zijn gevuld met een speciale vloeistof zodat de warmte kan worden verplaatst naar bijvoorbeeld een boilervat. Als extra optie kan de dakbedekking worden voorzien van pv zonnecellen (pv laminaat) waarmee zonnestroom kan worden opgewekt. Het pv laminaat met flexibele zonnecellen kan op de dakbedekking worden aangebracht of kan in de dakbedekking worden geïntegreerd. Het systeem is geschikt voor zowel platte als hellende daken en zowel voor de woning- als voor de utiliteitsbouw. 10 Inventarisatie zonthermische systemen, E4S Consult
4. BIPV toepassingen Als het gaat om gebouw integratie van zonne-energie kan er een verdeling worden gemaakt in 4 hoofdcategorieën: hellende daken, platte en ronde daken, gevels en tot slot diversen 11. Elke hoofdcategorie is weer onder te verdelen in een aantal subcategorieën. Aan de hand van deze categorieën worden de diverse toepassingen besproken. 4.1. Hellende daken Daken met een hellingshoek van 5 graden of groter worden doorgaans als een hellend dak gezien. De hellende daken met BIPV zijn meestal voorzien van schubvormige dakbedekking (dakpannen of leien). Maar BIPV is ook mogelijk bij andere typen dakbedekking zoals riet, metaal (aluminium, staal, zink, etc.) en kunststof dakbedekkingen. 4.1.1. In-dak montagesystemen In-dak montagesystemen worden gebruikt om standaard zonnepanelen of zonnecollectoren te monteren in hellende daken. Er wordt slechts een gedeelte van het dak voorzien van panelen en/of collectoren omdat het montagesysteem uitgaat van de standaard afmetingen van het paneel of de collector. Dummy s of maatwerk panelen worden niet toegepast. De afwerking rondom de panelen en de collectoren vindt plaats met de gebruikelijke dakbedekking (meestal dakpannen). Niet alle montagesystemen zijn te combineren met alle verkrijgbare typen zonnepanelen. Er zijn bijvoorbeeld systemen die specifiek voor een bepaald type paneel zijn ontwikkeld. Er zijn ook systemen die universeel zijn en waarmee bijna alle typen panelen gecombineerd kunnen worden. De in-dak montagesystemen zijn te verdelen in twee groepen: 1. Systemen voor panelen en collectoren met waterkerende functie 2. Systemen voor panelen en collectoren zonder waterkerende functie 1. Met waterkerende functie Bij deze systemen worden de panelen en de collectoren naast het opwekken van energie ook gebruikt als de waterkerende laag. Ze nemen de primaire functie van de dakbedekking (wind- en waterdicht) over. De montagesystemen waarbij de panelen en de collectoren als afdichting worden gebruikt zijn er in twee varianten: A. Aluminium profielen B. Kunststof frames 11 BIPV Product Overview for Solar Facades and Roofs, BIPV Status Report 2015, SUSPI - SEAC
A.) Aluminium profielen Met behulp van horizontale en/of verticale profielen worden standaard zonnepanelen ingeklemd en op de dakconstructie bevestigd. Sommige systemen gebruiken alleen verticale profielen terwijl andere systemen zowel verticale als horizontale profielen toepassen. Hierdoor zijn er per systeem kleine verschillen in de manier waarop het water wordt afgevoerd. In de aluminium profielen zijn namelijk gootjes opgenomen voor het afvoeren van het regenwater dat via de panelen in het profiel terechtkomt. Er zijn zelfs panelen die fabrieksmatig al zijn voorzien van zijdelingse profielen waarmee de panelen waterdicht in elkaar geschoven en/of op elkaar gelegd kunnen worden. Bij deze laatste variant wordt het regenwater, vergelijkbaar met de wijze waarop dat bij dakpannen ook gebeurd, over de panelen naar beneden afgevoerd. B.) Kunststof frames Met behulp van kunststof frames of kunststof kaders worden standaard zonnepanelen op de dakconstructie gemonteerd. De frames hebben een open structuur en zijn rondom voorzien van gootstukken. De werking is het beste te vergelijken met dat van een dakraam. Het vaste deel van het dakraam is te vergelijken met het kunststof frame. Het draaiende deel van het dakraam is te vergelijken met het zonnepaneel. Hierbij moet opgemerkt worden dat de zonnepanelen natuurlijk niet kunnen draaien en er ter plaatse van het zonnepaneel ook geen gat in het dak zit. Het kunststof frame met de gootstukken zorgt, net zoals het vaste deel inclusief gootstukken van een dakraam dat doet, voor de waterhuishouding. Eenvoudiger dan bij dakramen kunnen er meerdere frames onder, boven en naast elkaar worden gemonteerd. 2. Zonder waterkerende functie Bij deze systemen worden de panelen of collectoren niet toegepast als waterkerende laag. In plaats daarvan wordt eerst een wind- en waterdichte onderlaag aangebracht. Meestal is het een harde kunststof plaat dat voor deze onderlaag wordt gebruikt. Hierop worden vervolgens door middel van het conventionele op-dak montageprincipe aluminium profielen gemonteerd. Het bevestigen van de panelen vindt plaats met de traditionele klemmen die in de onderliggende profielen worden vastgezet. Het regenwater valt tussen de panelen door en wordt via de waterdichte kunststof plaat aan de achterzijde afgevoerd. 4.1.2. Voldak systemen Dakoppervlaktes die volledig worden benut voor de productie van zonne-energie en waarbij het complete dak uit zonnepanelen en/of collectoren bestaat worden voldak systemen genoemd. De panelen of de collectoren worden dus niet op een gedeelte van een bestaand dak geïntegreerd zoals dat bij de in-dak montagesystemen wel het geval is. Ze gaan nu volledig op in de gebouwschil (het dak) en vormen een geheel met het ontwerp. Dergelijke systemen hebben niet alleen invloed op het esthetische ontwerp, maar ook op het constructieve ontwerp van een gebouw. Daarom dienen voldak systemen vroeg in de ontwerpfase meegenomen te worden. Bij voldak systemen worden naast de panelen met een standaard maatvoering ook maatwerk panelen toegepast waardoor er meer ontwerp vrijheid ontstaat. Het systeem zelf is eigenlijk altijd maatwerk en wordt speciaal ontworpen. Het hoge afwerkingsniveau zorgt voor een fraai uiterlijk.
4.1.3. Grote solar dakpannen Bij dit systeem vervangt het zonnepaneel een aantal dakpannen waarbij de afmetingen zijn afgestemd op de modulaire hoogte en breedte van de dakpan. De breedte is vaak een veelvoud van de breedte van een normale dakpan. Zowel op nieuwe als bestaande daken kunnen ze tussen de normale dakpannen worden gemonteerd. Meestal wordt er slechts een gedeelte van het dak voorzien van dergelijke solar dakpannen. In combinatie met een vlakke zwarte dakpan kan de solar pan esthetisch fraai worden geïntegreerd. Voor de grote solar dakpan worden vaak zonnecellen van mono kristallijn silicium gebruikt. Voor nieuwbouw projecten wordt de grote solar dakpan ook wel als EPC-pakket op de markt gebracht. Twee of drie modules kunnen eenvoudig in het dak worden geïntegreerd om aan de EPCnorm te voldoen zonder dat het dak zijn esthetische waarde verliest. 4.1.4. Kleine solar dakpannen In tegensteling tot de grote variant heeft de kleine solar pan dezelfde afmeting als een normale dakpan. Zowel (mono) kristallijne als amorfe zonnecellen worden voor de kleine solar dakpan gebruikt. De kleine solar pan wordt, net zoals bij normale dakpannen, gemonteerd op een onderconstructie van houten regelwerk (tengels en panlatten). Door de vele kleine zonnepanelen wordt er een groot deel van het dak niet benut. Hierdoor wordt het dakoppervlak niet efficiënt gebruikt. In combinatie met de relatief hoge kosten per paneel is het dakoppervlak moeilijk rendabel te maken. Dit systeem wordt in Nederland dan ook niet vaak toegepast. 4.1.5. Solar glas Omdat het glas in bijna elke gewenste vorm en afmeting gemaakt kan worden, is solar glas zeer geschikt om toe te passen in bijvoorbeeld daklichten. De glaspanelen zijn een glas-glas laminaat en zijn verkrijgbaar in zowel een geïsoleerde als een ongeïsoleerde variant. Het isolatieglas is zelfs verkrijgbaar in een HR++ uitvoering. Zowel amorfe zonnecellen als zonnecellen van kristallijn silicium (poly of mono) worden toegepast. 4.1.6. Flexibele zonnepanelen Met flexibele zonnepanelen worden flexibele laminaten bedoeld. Amorfe dunne film zonnecellen (a-si, CIGS of CdTe) op een flexibele ondergrond. Verkrijgbaar als lange flexibele dakbanen op rol in een aantal standaard breedte- en lengtematen. Zowel toepasbaar op hellende als gebogen daken. De flexibele laminaten worden op de ondergrond geplakt. Er zijn dus geen dakhaken, rails, klemmen en/of ballast nodig om ze te bevestigen. Doordat de flexibele panelen lichter zijn dan de standaard panelen en er geen extra montagemateriaal nodig is, levert dit een behoorlijke besparing op in het gewicht. Voor licht uitgevoerde dakconstructies is dit een groot voordeel. Ze worden vaak gebruikt in combinatie met kunststof dakbedekking of bitumen. Maar ook in combinatie met metalen dakplaten zoals staal, aluminium, zink en koper zijn de flexibele laminaten toe te passen.
4.2. Platte en ronden daken De onderstaande geïntegreerde systemen hebben betrekking op platte en/of ronde daken. Een dak met een helling tot 5 graden wordt over het algemeen als plat dak beschouwd. 4.2.1. Flexibele zonnepanelen Dit zijn dezelfde flexibele pv laminaten zoals beschreven onder hoofdstuk 4.1.6. De flexibele zonnepanelen kunnen zowel op hellende daken als op platte en ronde daken worden toegepast. De flexibele panelen worden op de dakbedekking geplakt. Zonnecellen met de dunne film technologie (a-si, CIGS, CdTe) worden het meest toegepast. Het vermogen varieert tussen circa 50 Wp/m² voor amorf silicium (a-si) panelen en circa 100 Wp/m² voor CIGS panelen. Tegenwoordig zijn er ook flexibele laminaten met mono kristallijne high efficiency cellen (zogenaamde Back Contact cellen). Deze laminaten worden vaak toegepast bij campers en boten waarmee dan een accu opgeladen wordt. Deze laminaten hebben een vermogen van rond de 160 Wp/m². 4.2.2. Solar membraan In plaats van de flexibele zonnepanelen op de dakbedekking te plakken, kunnen ze ook fabrieksmatig in de (kunststof) dakbedekking worden geïntegreerd. We spreken dan van een membraan of BIPV dakbanen. Hierbij wordt meestal gebruik gemaakt van de amorfe dunne film zonnecellen (a-si), waardoor het vermogen per vierkante meter niet heel groot is. Bij amorf silicium (a-si) ligt dit circa tussen de 40 a 60 Wp/m². BIPV dakbanen met amorf silicium zijn echter wel relatief goedkoop te produceren. Dergelijke dakbanen worden daarom vaker toegepast bij grote (platte) daken. 4.2.3. Solar glas Zoals eerder vermeld is solar glas bijna in elke vorm en kleur verkrijgbaar. Bovendien is het verkrijgbaar in zowel een ongeïsoleerde als een geïsoleerde uitvoering. Meestal worden er kristallijne silicium zonnecellen of dunne film zonnecellen toegepast. Afhankelijk van de toepassing is de dikte van de glaslagen variabel en leverbaar als gelaagd glas met standaard floatglas, semi-gehard glas of gehard glas. Bij platte daken wordt het solar glas vooral toegepast in lichtstraten. Voor ronde daken is het zelfs mogelijk om de glaspanelen in een gebogen vorm te bestellen. Door de onderlinge afstand tussen de zonnecellen te verkleinen of te vergroten kunnen er meer of minder cellen worden toegepast. Hiermee kan men de hoeveelheid licht die wordt doorgelaten beïnvloeden (daglichttoetreding).
4.3. Gevels Voor BIPV toepassingen bij gevels zijn zonneglaspanelen bij uitstek geschikt. Het solar glas wordt voornamelijk toegepast in vliesgevelconstructies. Omdat de zonneglaspanelen onderdeel zijn van de schil van het gebouw verdienen bouwfysische aspecten zoals warmte en licht bijzondere aandacht. Zeker omdat deze aspecten niet alleen directe invloed hebben op het comfort, maar ook op de opbrengst van de zonneglaspanelen. De zelfdragende constructie van de vliesgevel (aluminium, staal, kunststof of hout) wordt gebruikt om de benodigde bekabeling grotendeels in weg te werken 12. 4.3.1. Vliesgevels Een vliesgevel wordt ook wel een gordijngevel (curtain wall) of glasgevel genoemd. Een vliesgevel is een gevel die los van de draagconstructie van het gebouw is aangebracht. Het is een niet dragend omhulsel (schil) van een gebouw dat wel verbonden is met het gebouw, maar er constructief geheel los van staat (zelfdragend is). 4.3.1.1. Zuivere vliesgevels Een zuivere vliesgevel is een vliesgevel die alleen bestaat uit glas en lichte materialen 13. De zuivere vliesgevel is een volledig zelfdragende gevelconstructie die ook aan de binnenzijde is afgewerkt. Eventueel kan een zuivere vliesgevel ook thermisch geïsoleerd zijn. Zuivere vliesgevels zijn meestal (semi) transparant. 4.3.1.2. Onzuivere vliesgevels Een onzuivere vliesgevel is een niet dragende gevel die ook voor de draagconstructie langs loopt maar waarbij sprake is van een steenachtig binnenspouwblad. Hierdoor is de afwerking aan de binnenzijde van de vliesgevel niet nodig 14. Een onzuivere vliesgevel kan zowel warm als koud worden uitgevoerd. 4.3.1.2.1. Warme onzuivere vliesgevels Een onzuivere vliesgevel wordt warm genoemd indien de isolatie in de vliesgevel geïntegreerd is en voor de spouw langs loopt 15. Een warme onzuivere vliesgevel is vaak een ondoorzichtige vliesgevel omdat direct achter het glas isolatiemateriaal aanwezig is. 4.3.1.2.2. Koude onzuivere vliesgevels Een onzuivere vliesgevel wordt koud genoemd indien de isolatie geen onderdeel is van de vliesgevel maar van de achterliggende draagconstructie (binnenspouwblad) 16. Het grote verschil met de warme onzuivere vliesgevel is dus dat de spouw direct achter het glas aanwezig is waardoor het paneel wordt geventileerd en de warmte via de spouw kan verdwijnen. Dit heeft een positieve invloed op de opbrengst van het paneel. 12 BIPV Product Overview for Solar Facades and Roofs, BIPV Status Report 2015, SUSPI - SEAC 13 Architectenweb.nl 14 Architectenweb.nl 15 Architectenweb.nl 16 Architectenweb.nl
4.4. Diversen Niet alleen grote maar ook kleine gebouwen (woningen) kunnen voorzien zijn van diverse overige BIPV-uitrusting. Dit zijn vaak kleinere zonnestroom of zonnewarmte systemen geïntegreerd in bijvoorbeeld zonwering, balkons en balustrades, carports, terrasoverkappingen en luifels. 4.4.1. Zonwering Voor zonwering wordt veel gebruik gemaakt van zonneglaspanelen (solar glas). Maar de standaard poly of mono kristallijne panelen zijn ook geschikt om toegepast te worden als zonwering. De panelen worden vaak als lamellen aan een gevel gemonteerd met behulp van speciale montagesystemen. Maar er zijn ook al voorbeelden waarbij een pv laminaat op een zonwering van textiel is aangebracht. 4.4.5. Luifels In plaats van glaspanelen of standaard zonnepanelen als zonwering toe te passen kunnen deze panelen ook als luifel worden gebruikt. Een luifel of een afdak biedt bescherming tegen regen en felle zon. Luifels zijn er in diverse soorten en maten. Bijvoorbeeld een grote luifel constructie boven een winkelpassage. Maar er zijn ook hele kleine luifels denkbaar. Bijvoorbeeld boven de voordeur van een woning of winkel. Zowel glaspanelen als standaard zonnepanelen worden hiervoor toegepast. 4.4.2. Balkons en balustrades Voor balkons en balustrades is solar glas eigenlijk de enige geschikte oplossing als BIPV toepassing. 4.4.3. Carports Carports met een BIPV dak ( voldak ) zijn er tegenwoordig in verschillende soorten. Met gedeeltelijk transparantie glaspanelen of met standaard panelen. De vorm van het dak is meestal een lessenaars dak of een sheddak (zaagtand dak). Door de opkomst van de elektrische auto zijn carports met (geïntegreerde) zonnepanelen steeds populairder aan het worden. 4.4.4. Terrasoverkappingen Een variant op de carport is een vergelijkbare constructie die dienst doet als overkapping van een terras of een veranda. Meestal is de constructie aan een zijde verbonden met het hoofdgebouw. Vrijstaande constructies zijn echter ook mogelijk. Zowel zonneglaspanelen als standaard panelen worden hiervoor toegepast. Solar glas heeft als voordeel dat de panelen deels licht doorlaten.
5. Prijsniveau Uit eigen ervaring is bekend dat een BIPV dak bij nieuwbouw of renovatie niet duurder hoeft te zijn dan een traditioneel dak dat voorzien wordt van een conventioneel pv systeem (op-dak). In de gevallen dat het BIPV dak wel duurder is dan kunnen deze kosten vaak worden terugverdiend met de opbrengsten van het pv systeem. Onderzoek van het SEAC (Solar Energy Application Centre) naar het prijsniveau van BIPV systemen bevestigt dit ook. Deze markt heeft zich de afgelopen jaren sterk ontwikkeld (en nog steeds) waardoor er voor de consument voldoende aanbod is. Voor pv laminaten, pv membranen, luifels en vliesgevels geldt dat dit in Nederland nog een hele kleine markt is waardoor er onvoldoende informatie beschikbaar is om een uitspraak te doen over het prijsniveau. Voor BIPV vliesgevels wordt wel een gunstige ontwikkeling verwacht omdat de beschikbare prijsindicaties duiden op een vergelijkbaar prijsniveau als dat van conventionele vliesgevel constructies 17. Dit houdt in dat de zonne-energie gratis in een vliesgevel geïntegreerd zou kunnen worden. Of deze verwachting werkelijkheid wordt zal de komende jaren moeten blijken. 17 BIPV Product Overview for Solar Facades and Roofs, BIPV Status Report 2015, SUSPI - SEAC