Mặt dựng kính quang điện tích hợp vào công trình (BIPV) ban đầu chỉ là những vật trang trí đẹp mắt khi lần đầu xuất hiện trên thị trường vào những năm 90, nhưng giờ đây chúng đang trở thành những hệ thống sản xuất năng lượng thực thụ. Ban đầu, các kiến trúc sư chủ yếu sử dụng những tế bào quang điện này như điểm nhấn trang trí trên các tòa nhà thay vì dựa vào chúng để thực sự phát điện. Tuy nhiên mọi thứ thực sự thay đổi vào khoảng năm 2015. Đó là thời điểm mà những tiến bộ công nghệ cho phép các tấm kính BIPV này chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng với hiệu suất từ 12 đến 16 phần trăm, đồng thời vẫn cho phép khoảng 30 đến 50 phần trăm ánh sáng nhìn thấy đi qua, theo một nghiên cứu gần đây được công bố bởi tạp chí Frontiers in Sustainable Cities. Những phiên bản mới nhất của hệ thống này hiện đang thay thế dần các bức tường kính truyền thống trong nhiều công trình xây dựng. Một số dự án ấn tượng tại châu Âu cho thấy các hệ thống hiện đại này có thể sản sinh khoảng 120 kilowatt giờ trên mỗi mét vuông mỗi năm trong các tòa nhà văn phòng. Để hình dung rõ hơn con số này, lượng điện này có thể đáp ứng khoảng 35 phần trăm nhu cầu năng lượng dùng cho sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí của hầu hết các tòa nhà.
Kính BIPV hiện đại mang lại lợi ích ba chiều:
Năm 2025 Tạp chí Đánh giá Năng lượng Tái tạo phân tích cho thấy rằng việc cải tạo BIPV trong các văn phòng đô thị đạt được ROI nhanh hơn 19% so với các giàn pin mặt trời độc lập nhờ vào lợi ích từ việc thay thế vật liệu. Công nghệ này cũng giải quyết hiệu ứng đảo nhiệt đô thị, với các mặt dựng tích hợp pin mặt trời cho thấy mức giảm nhiệt độ bề mặt từ 3–5°C vào mùa hè so với kính thông thường.
Các mặt dựng kính điện BIPV bán trong suốt tích hợp các tế bào quang điện được sắp xếp cách quãng hoặc các lớp màng mỏng, cho phép khoảng từ 15 đến 40 phần trăm ánh sáng nhìn thấy đi qua trong khi vẫn sản sinh ra điện. Sự kết hợp này giải quyết một vấn đề mà nhiều kiến trúc sư gặp phải khi thiết kế văn phòng: làm thế nào để duy trì đủ ánh sáng tự nhiên vào bên trong mà không gây ra hiện tượng tích tụ nhiệt quá mức. Nghiên cứu được công bố năm ngoái trên tạp chí Materials Science đã xem xét các module STPV này với lớp kính chân không và phát hiện ra hệ số hấp thụ nhiệt từ ánh sáng mặt trời (Solar Heat Gain Coefficient) của chúng dao động từ 0.28 đến 0.35. Con số này thực tế tốt hơn 42 phần trăm so với cửa sổ kính đôi thông thường. Đồng thời, chúng vẫn có khả năng tạo ra từ 80 đến 120 watt mỗi mét vuông. Khi các kiến trúc sư điều chỉnh mật độ tế bào quang điện ở những phần khác nhau của vỏ bọc tòa nhà, họ thậm chí có thể tạo ra những họa tiết ánh sáng thú vị, đáp ứng các yêu cầu theo tiêu chuẩn EN 17037 về chiếu sáng tự nhiên ở các khu vực gần mép công trình, sâu vào bên trong tới sáu mét tính từ các bức tường ngoài.
Các hệ thống STPV hiện đại đạt được sự cân bằng tối ưu thông qua ba thông số chính:
Các hệ thống STPV thích ứng với lớp trung gian điện sắc thể hiện mức giảm 68% trong việc sử dụng rèm che so với các giải pháp cố định, theo một thử nghiệm thực địa kéo dài 12 tháng tại 15 tòa nhà văn phòng ở EU.
Các chỉ số hiệu suất cho mặt dựng STPV hiện nay kết hợp sản lượng năng lượng với các chỉ số lấy người sử dụng làm trung tâm:
| Đường mét | Tiêu chuẩn | Dụng cụ đo lường |
|---|---|---|
| Tự động chiếu sáng ban ngày (DA) | ≥50% trên 75% diện tích sàn | Mô phỏng dựa trên Radiance |
| Tỷ lệ đồng đều | 0.4–0.7 | Máy đo Lux ở độ cao 0.8m |
| Ổn định đầu ra PV | <15% biến động theo mùa | Microinverter kết nối IoT |
Năm 2024 Nghiên cứu Năng lượng Tòa nhà bài báo chứng minh rằng các khối văn phòng với mặt tiền STPV được tối ưu hóa đạt được mức độ tự chủ ánh sáng ban ngày cao hơn 32% so với lớp kính thông thường, đồng thời duy trì 85% khả năng phát điện của BIPV không trong suốt thông qua điều chỉnh thông minh tỷ lệ cửa sổ trên tường (WWR).
Khi nói đến các bề mặt kính năng lượng BIPV, chúng thường đạt hiệu suất chuyển đổi quang năng khoảng 12 đến 18 phần trăm khi được lắp đặt theo phương thẳng đứng. Thực tế, con số này thấp hơn so với các hệ thống điện mặt trời mái nhà thường dao động từ 15 đến 22 phần trăm. Tại sao lại có sự khác biệt này? Đơn giản là vì các bề mặt thẳng đứng không nhận được ánh sáng mặt trời ở cùng một góc như các bề mặt nằm ngang. Tuy nhiên vẫn có hy vọng! Các module lưỡng cực (bifacial) có thể giúp khôi phục gần như 19 phần trăm hiệu suất bị mất này bằng cách thu nhận ánh sáng phản chiếu từ các tòa nhà xung quanh. Và gần đây mọi thứ còn đang được cải thiện nhờ vào những tiến bộ trong công nghệ màng mỏng cadmium telluride. Những phát triển mới này cho phép các hệ thống lắp đặt theo phương thẳng đứng hiện nay tạo ra khoảng 84 phần trăm lượng điện mà các tấm pin được đặt ở góc tối ưu có thể sản sinh ra trong môi trường đô thị. Một bước tiến khá ấn tượng nếu so với vài năm trước.
Các mặt dựng BIPV hướng về phía nam thường sản xuất nhiều năng lượng hơn khoảng 14% mỗi năm so với những mặt dựng hướng đông hoặc tây ở miền Trung châu Âu. Tuy nhiên, nhiều công trình hiện đại ngày nay đã tích hợp các tấm pin trên nhiều hướng khác nhau để làm phẳng biến động sản lượng điện hàng ngày. Việc tính toán kỹ lưỡng từ đầu để giảm thiểu hiện tượng che khuất cũng cực kỳ quan trọng, bởi thiết kế kém có thể khiến bạn mất tới khoảng 30% sản lượng tiềm năng. Hãy suy nghĩ như thế này: riêng các công trình lân cận thôi cũng có thể làm giảm sản lượng điện mặt trời từ 18 đến 24% tại các khu vực đô thị đông đúc. Về khả năng vận hành trong điều kiện thời tiết khác nhau, kính BIPV cũng nổi bật không kém. Các tấm pin này vẫn hoạt động đạt hiệu suất khoảng 80% ngay cả khi cường độ ánh sáng giảm xuống còn 200 W mỗi mét vuông, trong khi các tấm pin silicon thông thường thường chỉ đạt hiệu suất từ 65 đến 70% trong điều kiện ánh sáng yếu tương tự.
Nghiên cứu được thực hiện vào năm 2024 đã xem xét 47 tòa nhà văn phòng tại châu Âu được trang bị mặt dựng BIPV và phát hiện ra rằng chúng sản xuất trung bình khoảng 120 kilowatt giờ trên mỗi mét vuông mỗi năm. Tuy nhiên, con số này có sự chênh lệch khá lớn - các tòa nhà ở miền bắc Scandinavia chỉ đạt khoảng 85 kWh/m², trong khi các tòa nhà phía nam tại khu vực Địa Trung Hải đạt mức gần 158 kWh/m². Tại khu phức hợp High Tech Campus ở Eindhoven, các kỹ sư cũng ghi nhận kết quả ấn tượng. Hệ thống của họ tạo ra tới 1.630 kWh điện xoay chiều chỉ từ 44 module mặt dựng trong vòng năm tháng. Thành công này cho thấy rõ tại sao việc thông gió thích hợp giữa các tấm pin lại tạo ra sự khác biệt lớn đến sản lượng năng lượng ổn định như vậy. Nhìn vào xu hướng hiện tại, gần 38% tất cả các hệ thống lắp đặt mới hiện nay sử dụng module lưỡng cực (bifacial). Trang trại thử nghiệm tại Roskilde, Đan Mạch là minh chứng rõ ràng cho lợi ích này. Các hệ thống BIPV có thông gió tại đây đạt tỷ lệ hiệu suất trung bình 0,92 so với chỉ 0,85 của các hệ thống tương tự nhưng không có thông gió.
Thiết kế mặt dựng kính năng lượng BIPV là một thách thức thực sự đối với các kiến trúc sư, khi họ phải tìm ra điểm cân bằng giữa việc đưa đủ ánh sáng tự nhiên vào bên trong và tạo ra lượng điện phù hợp. Các nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature năm ngoái cho thấy rằng khi các không gian văn phòng có tỷ lệ trong suốt cao hơn khoảng từ 30 đến 50 phần trăm, thì chất lượng ánh sáng tự nhiên được cải thiện rõ rệt, nhưng hiệu suất pin mặt trời lại giảm khoảng từ 15 đến 25 phần trăm so với các tấm pin mặt trời đặc thông thường. Tuy nhiên, một nghiên cứu mô hình tham số năm 2023 đã đưa ra một số phát hiện thú vị. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng việc tinh chỉnh thiết kế mặt dựng thực tế có thể thu hẹp khoảng cách hiệu suất này khoảng 27 phần trăm. Họ đạt được điều này bằng cách bố trí các tấm pin một cách chiến lược để tính đến sự thay đổi của ánh nắng mặt trời theo các mùa, đồng thời vẫn duy trì mức độ ánh sáng đồng đều trong toàn bộ không gian nội thất.
Các giải pháp mới nổi tích hợp kính điện sắc với các tế bào quang điện vi mô có khả năng điều chỉnh độ trong suốt (trong khoảng 10–70%) và góc nghiêng (±15°) theo điều kiện thời tiết và mô hình sử dụng thực tế. Theo thử nghiệm nguyên mẫu trong môi trường văn phòng Bắc Âu, các hệ thống này duy trì 80% sản lượng năng lượng cơ bản trong khi tăng gấp đôi khả năng sử dụng ánh sáng tự nhiên tại các khu vực có khí hậu nhiều mây.
Trong khi các mặt dựng văn phòng tại châu Âu với độ trong suốt 40% trung bình đạt 120 kWh/m²/năm—đủ đáp ứng 30–35% nhu cầu năng lượng của tòa nhà—các tấm pin hoàn toàn không trong suốt tạo ra 190 kWh/m²/năm. Tuy nhiên, các lớp phủ quang học tiên tiến hiện nay cho phép các tấm pin có độ trong suốt 60% đạt tới 85% sản lượng của tấm pin không trong suốt, thu hẹp khoảng cách giữa mong muốn thẩm mỹ và mục tiêu công trình phát thải ròng bằng không.
Khi xây dựng, các mặt dựng kính quang điện tích hợp được kết hợp với hệ thống mặt dựng hai lớp, tạo thành một dạng liên kết thực sự cải thiện cả lượng năng lượng được tạo ra cũng như khả năng kiểm soát nhiệt và ánh sáng của tòa nhà. Khoảng không gian giữa hai lớp kính trong các mặt dựng hai lớp này hoạt động như một lớp cách nhiệt, làm giảm sự tích tụ nhiệt trong các tấm pin mặt trời khoảng từ 6 đến 25 phần trăm tùy theo vị trí của tòa nhà. Các tấm pin mát hơn cũng đồng nghĩa với việc sản xuất điện hiệu quả hơn, bởi vì cứ giảm 10 độ Celsius về nhiệt độ thì hiệu suất có thể được cải thiện khoảng từ 1 đến 2%. Một nghiên cứu gần đây được thực hiện vào năm 2024 về hiệu suất vật liệu cho thấy rằng, các tòa nhà ở những vùng khí hậu ôn hòa sử dụng hệ thống kết hợp này có thể sản xuất nhiều hơn khoảng từ 12 đến 18% năng lượng trong năm so với các hệ thống BIPV thông thường đơn lẻ. Đối với các nhà thiết kế mong muốn giữ cho tòa nhà của họ có vẻ ngoài hiện đại và sạch sẽ, cấu trúc này còn cung cấp thêm một không gian phía sau kính giúp việc bảo trì dễ dàng hơn và hỗ trợ kiểm soát luồng không khí trong tòa nhà.
Các cấu hình BIPV-DSF hiện đại sử dụng các chiến lược thông gió lai thích ứng để cân bằng giữa việc hấp thụ nhiệt từ ánh sáng mặt trời và sự thoải mái trong nhà. Phân tích năm 2023 về các tòa nhà văn phòng tại Hefei, Trung Quốc, cho thấy việc quản lý lưu lượng không khí động trong hệ thống BIPV-DSF đã giảm 52,2% tải làm mát hàng năm so với các giải pháp đơn lớp truyền thống. Các cải tiến chính bao gồm:
Các nghiên cứu cho thấy những hệ thống này giảm cường độ sử dụng năng lượng (EUI) khoảng 28 đến 34 kWh mỗi mét vuông mỗi năm trong các tòa nhà văn phòng trung bình theo Tiêu chuẩn Công trình Thông minh của EU từ năm 2025. Tuy nhiên, vẫn còn một số thách thức liên quan đến việc đạt được tốc độ lưu thông không khí phù hợp cho các nhiệt độ tấm khác nhau. Nhưng tình hình đang khả quan nhờ vào các thuật toán điều khiển dự đoán mới cho phép các tòa nhà thực hiện điều chỉnh tức thì. Điều này mang lại sự thoải mái tốt hơn cho người sử dụng bên trong đồng thời tối ưu hóa sản lượng điện năng.
Mặt dựng kính điện BIPV được sử dụng cả về mặt thẩm mỹ và để phát điện trong các công trình xây dựng. Chúng tích hợp các tế bào quang điện mặt trời vào vật liệu xây dựng, cung cấp điện năng đồng thời giữ được thiết kế hấp dẫn về mặt hình thức.
Các mặt dựng BIPV thường có hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời từ 12 đến 16 phần trăm khi được lắp đặt theo chiều dọc, thấp hơn các tấm pin năng lượng mặt trời truyền thống trên mái nhà. Tuy nhiên, những tiến bộ như các module lưỡng diện (bifacial) và vật liệu cải tiến đã nâng cao đáng kể hiệu suất của chúng.
Các mặt dựng BIPV đóng góp vào tính bền vững đô thị bằng cách giảm sự phụ thuộc vào mạng lưới điện, hạ thấp lượng khí thải carbon và cung cấp khả năng điều tiết nhiệt độ tốt hơn. Chúng cũng làm giảm hiệu ứng đảo nhiệt đô thị và mang lại thời gian hoàn vốn nhanh hơn so với các hệ thống pin mặt trời độc lập.
Các module BIPV bán trong suốt tối ưu hóa ánh sáng ban ngày bằng cách cho phép một phần ánh sáng nhìn thấy đi qua đồng thời sản sinh điện năng. Bằng cách điều chỉnh mật độ tế bào quang điện, các kiến trúc sư có thể đạt được mức ánh sáng ban ngày và sự thoải mái thị giác tối ưu bên trong các tòa nhà.
Có, các mặt dựng BIPV bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi thời tiết, điều này có thể tác động đến hiệu suất năng lượng của chúng. Tuy nhiên, chúng thường hoạt động tốt hơn các tấm silicon thông thường trong điều kiện ánh sáng yếu.
Hot News2025-02-25
2024-11-27
2024-12-17
EN
