BIPV системи: особливості розвитку і застосування

Згідно звіту SEIA (Solar Energy Industries Association) найбільше зростання монтажу фотоелектричних установок в останні роки було відзначено в сегменті приватних домашніх сонячних електростанцій. В середньому, щорічно протягом 2014-2016 років збільшення потужності сонячних електроустановок склало близько 50-60%. У будинках, які використовують енергію сонця, переважна більшість робить це за допомогою стаціонарних дахових сонячних електростанцій. При цьому, разом з ростом ринку, чітко можливо відщначити дві основні тенденції:

• Технологічний фактор – збільшення ефективності приватних сонячних електростанцій, зростання їх потужності, а також створення систем, які зможуть забезпечити функціонування домогосподарств в повністю автономному режимі за рахунок установки ємних накопичувальних систем і оптимізації процесів накопичення/витрачання електроенергії.
• Естетичний фактор – домовласники прагнуть, щоб фотоелектричні модулі якомога природніше вписувалися в архітектурне рішення будинку, відповідали стилістиці, в якій він витриманий.

Виробники, прагнучи задовольнити запити споживачів, пропонують комплексні рішення, серед яких все більшою популярністю користуються інтегровані (вбудовані) в будівлі сонячні електростанції – BIPV (від англійського Building-integrated photovoltaics)

Особливості розвитку BIPV систем

BIPV – це фотоелектричні модулі, які не тільки служать для генерації електрики, але і є повноцінною частиною будинку в якості стінового матеріалу чи покрівельного покриття, можуть бути виконані в якості навісів, козирків та інших архітектурних елементів. При цьому слід відрізняти два поняття:

• BAPV – фотоелектричні модулі, які можна розглядати як дообладнання будинку. Вони монтуються тоді, коли зведення будівлі вже закінчено, вони виконують свою основну і єдину функцію – генерування електроенергії шляхом перетворення сонячного випромінювання. Вони можуть бути демонтовані в будь-який момент, при цьому цілісність і надійність будівлі не постраждає. Найпростіший і найпоширеніший приклад BAPV – це дахові сонячні електростанції, які монтуються зверху на дахове покриття.
• BIPV – фотоелектричні елементи інтегровані в будівлю, вони виконують ті ж функції, як і ті елементи, на місце яких вони вбудовані – захищають будинок від вологи, вітру, виконують функції тепло- і звукоізоляції, при цьому одночасно виконуючи функції, характерні для сонячних панелей – вироблення електроенергії. Їх установка планується на етапі проектування самого будинку, їх демонтаж можливий тільки за умови заміни їх на рівноцінні будівельні матеріали.

Експерименти з BIPV почалися в 1970 році, коли, власне, і з’явився цей термін – тоді фотоелементи, армовані алюмінієм, вперше вбудували в покрівлі та карнизи будинків. Через недосконалість технологій, перш за все – виробництва фотоелектричних модулів, таке рішення в цілому виявилося досить малоефективним. Надалі експерименти продовжилися, використовувалися як різні технологічні, так і архітектурні рішення, але тільки останнім часом ця невелика і слаборозвинена ніша почала формуватися в окремий сегмент ринку сонячної енергетики.

Такий розвиток пов’язаний, перш за все, з розробкою і вдосконаленням технології тонкоплівкових гнучких сонячних модулів. Саме вони, на думку фахівців, почнуть відігравати основну роль на ринку BIPV, оскільки крім більш високої продуктивності в порівнянні з моно- і полікристалічний панелями, вони мають різну ступінь прозорості, а також можуть випускатися в різних за кольором рішеннях. Це дає можливість проектувальникам як розширити традиційну архітектуру, так і гармонійно вписати високотехнологічні елементи в традиційні архітектурні стилі, перетворивши будинок в естетично привабливу енергогенеруючу структуру.

За оцінками міністерства енергетики США, в довгостроковій перспективі використання систем BIPV може забезпечити до 50% енергетичних потреб Сполучених Штатів. Попит на системи BIPV на тлі постійного зниження вартості фотоелектричних модулів постійно розширюється, при цьому мова йде не тільки про створення енергогенеруючої системи. Споживачі зацікавлені в отриманні комплексної системи, яка зможе забезпечити максимальну енергонезалежність об’єкта. Ринок BIPV досяг деякої точки, після якої він готовий до стрімкого розвитку. Але перед цим необхідно вирішити кілька критично важливих питань.

Технічні та будівельні стандарти

Нові продукти BIPV, які імітують зовнішній вигляд традиційних будівельних матеріалів, при цьому в повній мірі виконуючи властиві їм функції, розглядаються в якості єдиного інтегрованого матеріалу, який повинен мати власні стандарти. Які, з одного боку, повинні відповідати вимогам будівельних (тобто структурно-механічними параметрами), а з іншого – відповідати електротехнічним стандартам, розроблених Міжнародною Електротехнічній Комісією.

Великим проривом в цій області можливо вважати вступ в дію нового європейського стандарту – EN 50583, який визначає параметри BIPV. Перш за все, в цьому стандарті дано точне і однозначне визначення BIPV – інтегрованими фотоелектричними панелями будуть вважатися тільки ті, які після вилучення їх з будівлі повинні бути обов’язково замінені на інші будівельні матеріали або конструкції, щоб уникнути порушення цілісності будівлі. Саме в цьому і полягає ключова особливість стандарту EN 50583 – він дає чіткі визначення і окреслює параметри BIPV, які фактично отримують рівні права з традиційними будівельними матеріалами.

Крім того, стандартом чітко визначені функції, які можуть виконувати сонячні електростанції (фотоелектричні модулі), виступаючи в якості частини будівельної конструкції:

• Забезпечення механічної опірності і структурної цілісності будівлі.
• Захист від агресивних погодних умов: снігу, дощу, граду, вітру.
• Забезпечення енергетичної економічності – теплоізоляція, рівень освітленості, затінення.
• Збільшення пожежостійкості.
• Дотримання норм звукоізоляції.
• Використання для розподілу між внутрішніми і зовнішніми приміщеннями.

Проблеми проектування та будівництва

Проблеми проектування будинків з BIPV можна умовно розділити на дві групи:

• Оптимізація розташування фотоелектричних модулів з метою отримання максимальних обсягів генерації електроенергії. Наявне на сьогоднішній день програмне забезпечення дозволяє з високою точністю провести розрахунок можливих обсягів генерації, а також домогтися його максимального значення за рахунок правильного підбору елементної бази сонячної електростанції і їх оптимального розташування.
• Розробка архітектурно-будівельних проектів будинків з BIPV. Наявні на сьогоднішній день проекти з використанням BIPV – систем мають «штучний» характер, більшість архітектурних бюро мають мінімальний рівень досвіду проектування будівель з використанням BIPV-технологій. Втім, прийняття єдиного стандарту вже значно спростило роботу проектувальникам, які можуть тепер оперувати знайомими поняттями і визначеннями.

Встановлення  BIPV-систем є відносно новим напрямком, тому потребує підвищення кваліфікації будівельників. На сьогоднішній день компанія Авенстон готова провести навчання, надати консультаційні та практичні послуги як на етапі проектування житлового будинку або офісної будівлі, так безпосередньо при виконанні будівельно-монтажних робіт. Наші фахівці забезпечать як правильну (з архітектурно-будівельної точки зору) установку BIPV – систем, так і грамотне їх підключення як до електросистеми будинку, так і загальної електромережі.

Найбільш перспективні галузі використання BIPV

Багато власників приватних будинків, які зацікавлені в переході на використання поновлюваних джерел енергії, були змушені відмовитися від своїх бажань через низьку естетичну привабливості і громіздкість звичайних сонячних панелей. Використання BIPV сонячних установок в якості функціональних будівельних матеріалів відкривають нові можливості для архітектурних рішень.

Черепиця

На сьогоднішній день – одне з найбільш обговорюваних, але ще активно не поширених рішень, при якому цементні або глиняні плитки замінюються на даху будівлі на фотоелектричні модулі, зо зовнішньо виглядають практично аналогічно.

У жовтні 2016 року голова компанії Tesla Motors Ілон Маск анонсував «сонячний дах» – фотоелектричні модулі, які можуть замінити звичайну або металочерепицю. Заявлено, що «сонячна черепиця» буде представлена на ринку в чотирьох варіантах: матове скло, шиферна, тосканська і текстурована. Вони будуть виготовлятися з кварцового скла, тому по своїй надійності і довговічності будуть в 2-3 рази перевищувати бетонні, глиняні або металеві аналоги. При цьому їх ефективність буде складати 98% в порівнянні зі звичайними сонячними панелями. «Електрична» черепиця здатна пропускати сонячне світло, але при цьому виглядає непрозорою, якщо дивитися на неї не під прямим кутом. Саме тому сонячні панелі, виготовлені у вигляді черепиці, візуально не відрізняються від звичайної звичної покрівлі, чим вигідно відрізняються від нинішніх дахових сонячних електростанцій. При цьому Маск анонсував, що вартість «сонячної черепиці» з часом стане порівнянна з традиційним покрівельним покриттям. Перші зразки повинні з’явитися на ринку вже влітку 2017 року.

Правда, за своїми розмірами черепиця-фотомодуль дещо більше стандартної черепиці – це дозволяє скоротити кількість електричних з’єднань і підвищити надійність електросистеми в цілому. На користь черепиці говорить і той факт, що вага фотоелектричних модулів менше, ніж бетонної або керамічної плитки, а значить дозволяє зробити легше конструкцію покрівлі, знизити вимоги до несучої здатності стін і фундаменту. Як наслідок – привести до зниження витрат на будівництво будинку в цілому.

Рулонні покрівельні покриття

Один з найпопулярніших у будівельників матеріалів для дахових покриттів – це різні варіанти рулонних покриттів на основі бітуму або як її ще називають – м’яка черепиця. Зараз виробники готові запропонувати аналогічний тонкоплівковий ламінат, який поєднує в собі властивості бітумного покриття і сонячної батареї. Це довгі смуги, основна перевага яких – мінімальна кількість електричних з’єднань. Додатковий плюс – їх установка майже повністю повторює процес монтажу традиційних бітумних покрівельних покриттів, що відкриває перед фотоелектричними елементами рулонного типу великі перспективи в плані установки при проведенні ремонту або заміни покрівельного матеріалу.

Стінові панелі

Останнім часом спостерігається стійкий інтерес серед сучасних архітекторів до використання сонячних батарей в якості фасадних панелей, що дозволяє створювати інноваційні, естетично привабливі фасади будівель.

Перспективність цього напрямку обумовлена двома факторами. Перший – встановлення сонячних панелей на стінах будинків активно проводилася в BАPV- системах. Другий – собівартість фасадних панелей за вартістю не набагато вище, ніж вироблених за технологією BIPV, тому їх установка не приведе до істотного зростання витрат на зведення будівлі.

Вікна (скління)

Один з напрямків, що давно і активно розробляються, адже це один з найбільш перспективних ринків. Згідно досліджень, на комерційні будівлі в США припадає близько 40% від всієї споживаної електроенергії і власники будівель зацікавлені в зниженні оплати за спожиту електрику. За прогнозами, установка «сонячних» вікон дозволить на 30-50% покрити потреби хмарочоса в електроенергії. При вдосконаленні технології цей відсоток буде рости.

Для встановлення «сонячних» вікон використовують прозорі тонкоплівкові сонячні батареї, які наносяться просто поверх скла – це найпростіша модель. Основна її проблема закладена в протиріччі – робота сонячної батареї заснована на поглинанні і перетворенні сонячної енергії. Чим більше батарея поглине сонячної енергії, тим менше сонячного світла потрапить всередину кімнати. Фактично, частина сонячної енергії, перетвореної в електрику, особливо в ранкові та вечірні години, доведеться перенаправити на отримання прийнятного рівня внутрішньої освітленості. З іншого боку, в літній час і в денний час часткове затінення грає позитивний ефект, знижуючи теплове навантаження на приміщення і дозволяючи знизити енергоспоживання на кондиціонування приміщення.

Основна проблема – низька продуктивність прозорих тонкоплівкових сонячних батарей, яка зараз максимально становить близько 7%, істотно програючи традиційним сонячним батареям з кристалічного кремнію. На сьогоднішній день йдуть активні розробки альтернативних варіантів «сонячних вікон», при яких фотоелектричні елементи стають безпосередньою частиною скла.

Модулі glass/glass

На сьогодні найбільш ефективними з точки зору ціна/якість серед BIPV рішень є системи, побудовані на основі кремнієвих кристалічних модулів glass/glass, які поєднують в собі дешевизну традиційних сонячних панелей і естетичний вигляд тонкоплівкових модулів. Саме glass/glass панелі будуть найбільш затребувані на ринку в найближчі 2-3 роки.

Перш за все, модулі glass/glass здатні витримувати дуже великі навантаження – близько 8000 Ра. Для порівняння, такий тиск на покрівлю будинку створює шар снігу товщиною близько 8 м. За цим показником модулі скло/скло в 1,5 перевершують стандартні сонячні установки. Відзначимо і інші переваги:

• Використання спеціальної рами – дозволяє максимально спростити процес інсталяції сонячних модулів. Монтажник, що пройшов короткий інструктаж, може встановлювати до 4 панелей протягом всього 10 хвилин.
• Стандартні сонячні панелі з ростом температури починають втрачати обсяги генерації. На модулі «скло/скло» має менший вплив температура, при однакових температурних показниках вони генерують на 10% електрики більше, ніж стандартні панелі.
• Для установки модулів «скло/скло» немає необхідності додатково готувати дах або зміцнювати несучі конструкції. Наприклад, при капітальному ремонті даху, досить просто зняти старе дахове покриття і на його місце встановити сонячні модулі «скло/скло». Фактично, при установці модулів «скло/скло», власник будинку економить на вартості покрівельного покриття за рахунок багатофункціональності BIPV-панелей