Деякі особливості проектування BIPV-систем

Проектування BIPV-систем – це дуже складний і трудомісткий процес, адже в результаті необхідно знайти компроміс між оптимальними умовами для функціонування фотоелектричних модулів, вимогами будівельних норм, архітектурної складової і економічною доцільністю.

Правильна орієнтація сонячних батарей

Сумарний обсяг сонячного випромінювання, що надходить на площу сонячного модуля (і як наслідок – обсяг електроенергії, що генерується сонячною батареєю) залежить від орієнтації відносно сторін світу, кута нахилу площини сонячного модуля щодо обрію. Оптимальний кут нахилу прямо залежить від широти установки сонячних модулів – чим далі від екватора, тим більше стає значення кута нахилу. Для Північної Європи оптимальними умовами для встановлення сонячних панелей на стаціонарних (нерухомих) конструкціях є:

• Орієнтування сонячних модулів на південь (відхилення по азимуту до 15 градусів на схід чи захід практично не впливає на річну генерацію системи).
• Встановлення сонячних панелей під кутом в районі 30-40 градусів до горизонту.

Дотримання цих умов дозволяє отримати максимально можливу кількість сонячного випромінювання протягом року. При невеликих відхиленнях кута (від 20 до 40 градусів) і незначних зсувах на захід-схід від строго південного напрямку спостерігається незначна втрата одержуваного сонячного випромінювання. Однак у випадку встановлення на будівлі домогтися оптимального розміщення модулів практично неможливо, адже в цьому випадку основними будуть архітектурні критерії. Але при цьому можливо добитися досить високих показників генерації електроенергії і при субоптимальному розміщенні сонячних модулів, якщо їх характеристики дозволяють це зробити. Йдеться про модулі, що добре працюють при слабкому, розсіяному або відбитому випромінюванням – саме вони можуть бути встановлені в тих місцях, де орієнтація несприятлива. Це, перш за все, тонкоплівкові сонячні панелі, які показують велику ефективність в умовах розсіяного і відбитого сонячного випромінювання, ніж монокристалічні системи, які показують більшу продуктивність при прямому сонячному випромінюванні.

Так що правильний підбір сонячних модулів, виходячи з їх особливостей та властивостей, може якщо не в повній мірі, то в значній частині компенсувати далеко не ідеальне розташування сонячних батарей відносно сторін світу і лінії горизонту. Саме це говорить про високий енергетичний потенціал такої частини будинку, як фасади. Для прикладу, загальна площа фасадів в Німеччині становить близько 3 тисяч квадратних кілометрів, що дозволяє розмістити на них BIPV-модулі сумарною потужністю близько 300 ГВт. В умовах сучасного міста площа фасадів, особливо в висотних будинках, значно більше, ніж площа дахів. Якщо взяти тільки фасади, які орієнтовані виключно на південь (найбільш оптимальний напрямок для розміщення сонячних модулів), то, наприклад, для Німеччини їх площа на 80% перевершує горизонтальні поверхні в місті, де можна встановити дахові сонячні електростанції. На користь розміщення BIPV-модулів на фасаді говорить ще і той факт, що в цьому випадку вони розташовуються в безпосередній близькості від споживача, що значно знижує втрати, пов’язані з передачею електроенергії від місця генерації до місця споживання.

Від температурного режиму – до фотоелектричних теплових систем

Одна з особливостей PV-модулів – їх залежність від температурного режиму, з нагріванням сонячної панелі відбувається значне скорочення обсягів генерування електрики. При цьому обсяги втрат залежать від типу використовуваних сонячних панелей, у монокристалічних моделей цей показник вище, тонкоплівкові панелі менш залежні від температури. Цей ефект необхідно обов’язково враховувати при розрахунках, так як стандартні вимірювання потужності і продуктивності сонячних панелей виконуються при температурі 25 ° C, в той час як в літній день, під прямим сонячним світлом, сонячні модулі можуть прогріватися до температури 50-65 ° C. Якщо говорити про стандартні наземні сонячні електростанції, то в їх конструкції передбачена вентиляція (охолодження) задньої частини панелі. Для інтегрованих систем ситуація ускладнюється тим, що вони є єдиним цілим з конструкцією будівлі, тому, як варіант, можна розглянути можливість примусового охолодження сонячних модулів, включивши їх в загальну систему терморегулювання будівлі. Природно, тут доведеться виходити зі співвідношення «витрати на примусову вентиляцію/втрати генерації від нагрівання сонячних модулів».

Інший варіант, який теж має на увазі включення сонячних модулів в систему терморегуляції будівлі – BIPV-елементи стають також частиною системи вентиляції. Такий підхід показав свою ефективність в зимових умовах – теплової ресурс від нагрівання модуля використовується для попереднього обігріву повітря, що надходить в систему вентиляції будівлі. Таким чином, вирішуються відразу дві проблеми – охолодження сонячних модулів і зниження теплових втрат через вентиляцію.

На сьогоднішній день активно розглядається використання BIPV-елементів як складової частини активних систем рекуперації тепла, що означає, фактично, перехід на новий рівень і створення фотоелектричних теплових систем – BIPVT-системи. Такі системи можуть бути замкнутими (з рідинної петлею, в якості теплоносія зазвичай використовується вода) або з відкритим контуром (обігрів приміщень на основі системи вентиляції – повітряним потоком).

Вплив затінення на роботу сонячних панелей

Затінення сонячних модулів може істотно вплинути на продуктивність BIPV систем. Воно може мати кілька причин:

• Високі дерева, які ростуть поруч з будівлею.
• Самозатінення, викликане конструктивними особливостями сонячного модуля.
• Інші високі будівлі, розташовані поруч (рис. 2).
• Втрати, спричинені запиленістю (забрудненням) площині сонячного модуля.

Крім того, область затінення не залишається постійною – дерева можуть підрости, поруч можуть побудувати інші будівлі, може накопичуватися пил. Вплив затіненості можна мінімізувати за рахунок ретельного планування і проектування об’єкта, щоб забезпечити максимальне значення об’єму падаючого сонячного випромінювання. Перш за все, потрібно провести моделювання денної і річної траєкторії тіней, щоб оптимізувати розміщення сонячних модулів, їх орієнтацію і положення в структурі будівлі. Якщо ефекту затінення не вдається уникнути повністю, то його можна мінімізувати за рахунок підбору сонячних модулів відповідної технології, дизайну модулів або електричного з’єднання модулів. Наприклад, за рахунок використання паралельного підключення модулів – навіть якщо один (кілька) модулів виявляться затіненими, інша частина системи продовжить роботу. Ще одна важлива деталь, яка характерна саме для BIPV-систем. На відміну від традиційних систем, на поверхнях будівель немає можливості створювати довгі безперервні масиви сонячних панелей, з’єднаних послідовно. Саме тому, щоб домогтися необхідного значення напруги і струму, доведеться задіяти мікро-інвертори, які будуть розташовуватися на кожному стрінгу (масиві сонячних батарей), для забезпечення паралельності підключення.

Окремо варто зупинитися на проблемі запиленості, значення якої в міських умовах, з огляду на кількість пилу, може бути досить велика. Проектом необхідно передбачити можливість провести очистку поверхні сонячних батарей, якщо кількості природних опадів виявиться недостатньо.

Недостатнє освітлення і спектральна чутливість

Пряме сонячне випромінювання, що поступає на поверхню, несе з собою досить багато енергії. Це пряме сонячне випромінювання оптимально підходить для монокристалічних кремнієвих сонячних елементів, які перетворять його в електрику. Але при цьому досить велика кількість прямого сонячного випромінювання розсіюється водяними парами і частинками пилу (сажі), що знаходяться в атмосфері. До того ж, частина сонячної енергії, потрапляючи на поверхню землі, перевідбивається – таким чином, виникає розсіяне (або його інша назва – непряме) випромінювання. Здатність сонячних елементів перетворювати розсіяне випромінювання називають роботою з низькою освітленістю. Тонкоплівкові модулі демонструють більшу ефективність у порівнянні з кристалічними системами при роботі в умовах низької освітленості. Вони демонструють досить ефективну роботу в похмуру погоду або при розміщенні на північній стороні будівлі.

Ще один важливий момент, який необхідно враховувати – спектральна чутливість. Сонячне світло складається з хвиль різної діапазону – від ультрафіолету (короткі хвилі) до інфрачервоного випромінювання (довгі хвилі). Кристалічні сонячні фотомодулі поглинають в основному довгохвильове випромінювання, в той час як тонкоплівкові модулі працюють в більш широкому діапазоні хвиль, тому вони більш стабільно працюють при похмурій погоді.

Піки споживання і генерації електроенергії

Якщо говорити про BIPV-системи, які є конструктивною частиною будинку, то може виникнути ситуація, коли пік вихідної потужності, що генерується фотоелектричної системою, не збігається в піковими моментами споживання. Якщо мова йде про громадські будівлі або офісні (ділові) центри, то в цьому випадку піки генерації і споживання практично збігаються. Втім, дефіцит електроенергії може відчуватися в ранкові години, коли інтегровані в будівлю сонячні станції працюють не на повну потужність. В цьому випадку можна передбачити в проекті гібридну систему енергопостачання, коли відсутня частина енергії компенсується із загальної енергомережі.

Значно різкіше розбіжність піків проглядається в приватному будинку, в якому піки споживання (в більшості випадків) як раз припадають на ранкові та вечірні години. В цьому випадку, слід передбачити установку систем накопичення енергії, яка в денний час, в період найбільшої сонячної активності, буде заряджатися (накопичувати заряд), а у вечірній – віддавати його.

Необхідність з самого початку враховувати установку BIPV-систем при розробці проекту будівлі пов’язана ще і з тим, що BIPV-елементи за своїми розмірами не завжди задовольняють вимогам будівельної індустрії. Лінії виробництва сонячних панелей налаштовані на випуск виробів певного розміру, тому архітекторам необхідно розробляти проекти будинків, виходячи з наявних розмірів модуля. Адже перенастроювання лінії і випуск сонячних модулів за індивідуальним розміром і формою істотно підвищить їх вартість.

Крім того, сонячний фотомодуль – це готовий виріб, у якого на будмайданчику неможливо змінити розміри, наприклад, як відколоти частину цегли або зробити вужчою стрічку бітумного покрівельного покриття. Сонячний модуль необхідно встановити в тому вигляді і в тих розмірах, в яких він доставлений на будівельний майданчик – і це необхідно обов’язково враховувати.

Послуги Авенстон по впровадженню сонячних електростанцій BIPV

Наша компанія займається проектування і будівництвом BIPV сонячних електростанцій. Ми маємо досвід монтажу сонячних батарей на дахах, фасадах, а також на різних конструкціях типу навісів. Авенстон надає всі послуги, необхідні для успішної реалізації проектів з будівництва сучасних BIPV систем. Ми брали участь у будівництві першого в нашій країні об’єкта такого типу – дахової BIPV сонячної електростанції. Авенстон є партнером і постачальників продукції від провідних світових виробників, а наші фахівці мають кваліфікації, необхідної для правильного розрахунку і підбору обладнання під потреби конкретного проекту. Якщо вас зацікавила тема дахових і фасадних сонячних електростанцій BIPV, будь ласка, звертайтеся в компанію Авенстон.