Сонячні електростанції BIPV

BIPV (абревіатура від англійського Building-integrated photovoltaics) – це сонячні електростанції (СЕС), які інтегровані в будівлі (споруди), виконуючи при цьому крім свого безпосереднього призначення – генерації електроенергії, ще й функції конструктивних елементів будівлі. На думку аналітиків, в середньостроковій перспективі сегмент BIPV-систем стане таким, що найбільш активно розвивається серед інших видів сонячних електростанцій.

Вбудовані сонячні електростанції встановлюються на плоских і похилих дахах, а також вбудовуються в фасади, або елементи скління — купола, скляні дахи, панорамні вікна. Сонячні електростанції BIPV в порівнянні з традиційними фотоелектричними станціями мають цілий ряд переваг:

  • Встановлення BIPV-систем дозволяє активно впроваджувати сонячні технології в міських умовах, в яких існує великий попит на електроенергію, але висока вартість земельних ділянок не дозволяє реалізовувати економічно виправдані проекти сонячних електростанцій.
  • Багатофункціональність – BIPV-модулі можуть не тільки замінити собою традиційні будівельні матеріали, але і забезпечити зниження теплового навантаження на приміщення (економія на кондиціонуванні), стати частиною системи теплорегулювання будівлі (тепло від фотоелектричних модулів, що нагріваються на Сонці, можна використовувати для обігріву будівель), вони мають відмінні показники звукоізоляції.
  • Електрогенеруючі потужності (сонячні BIPV-модулі) знаходяться в безпосередній близькості від кінцевого споживача, що зводить до мінімуму втрати електрики, викликані необхідністю його передачі.
  • Конструктивна різноманітність BIPV-модулів – це відкриває широкі можливості використання їх в якості елемента архітектурного дизайну, новаторський зовнішній вигляд панелей здатний доповнити імідж будівлі і створити вражаючу атмосферу всередині. Крім того, естетична складова дозволяє інтегрувати їх практично в будь-який архітектурний стиль.

На сьогоднішній день найбільш ефективне рішення по співвідношенню «ціна/якість» серед BIPV-систем – це системи (модулі) glass/glass, створені на основі кристалічних кремнієвих модулів. У них поєднується дешевизна сонячних панелей, виготовлених за традиційною технологією, і естетично привабливий вигляд, характерний для тонкоплівкових гнучких модулів. Вони повністю відповідають вимогам європейського стандарту EN50583, який визначає вимоги до BIPV-модулів як частини конструкції будівлі. Наприклад, модуль «скло/скло» здатний витримати тиск в 8000 Ра – з такою силою на покрівлю тиснув би шар снігу висотою 8 метрів і мають відмінні показники звукоізоляції.

Стандарт EN 50583

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.

Відповідно до стандарту, інтегрованими фотоелектричними панелями вважаються тільки ті, які, будучи видаленими з будівлі, повинні бути замінені іншими будівельними матеріалами або конструкціями, щоб уникнути порушення цілісності будівлі. Далі, стандарт чітко визначає ролі, в яких можуть виступати сонячні електростанції, будучи частиною будівельних конструкцій:

  • Забезпечувати механічну опірність і структурну цілісність будівлі.
  • Захищати від агресивних погодних умов: дощу, вітру, снігу, граду.
  • Забезпечувати енергетичну економічність — затінення, рівень освітленості, теплоізоляцію.
  • Збільшувати пожежостійкість.
  • Надавати звукоізоляцію.
  • Виступати роздільником між внутрішніми і зовнішніми приміщеннями.
  • Надавати притулок і забезпечувати захист всередині будівлі.

Також стандарт визначає п’ять способів установки фотоелектричних елементів:

  • Похилі (для похилих дахів і куполів).
  • Похилі з доступом зсередини будівлі.
  • Без ухилу по вертикалі.
  • Без ухилу по вертикалі з доступом зсередини будівлі.
  • Інтегровані зовні (конструкції, які виконують ролі козирків, парапетів, що робить їх частиною будівлі, виконуючої корисні функції крім вироблення електроенергії).

Донедавна виробники BIPV не дотримувалися будівельних стандартів при виробництві модулів сонячних електростанцій. Це парадоксально — адже інтегровані фотоелектричні панелі використовуються в будівлях замість інших будівельних матеріалів, як правило замінюючи армовані скляні конструкції. Європейські стандарти регулюють використання скління до дрібниць, враховуючи кути, товщину скла, рам, і фому скління. Однак, до цього часу для BIPV не існувало нічого подібного. EN 50583 виправляє цей недогляд, задаючи стандарти для модулів BIPV як для будматеріалів, в залежності від способу їх інтеграції, і міцності конструкції.

Модулі сонячних електростанцій, вироблені досі, в своїй більшості не пристосовані до агресивних погодних умов — вітрових або сніжних навантажень. Стандартні конструкції скло/фольга захищені 3 або 4 міліметрами скла, а більш сучасні двошарові скляні модулі можуть відповідати будівельним стандартам хіба що по чистій випадковості. Вони зазвичай навіть не випробовуються в складних погодних умовах. Стандарти, що визначають їх виробництво — IEC 61215 і 61730 — були розроблені Міжнародної Електротехнічної Комісією для модулів фотоелектричних панелей на кристалічній основі виходячи з їх електротехнічних, а не структурно-механічних властивостей.

Хоча стандарти МЕК і визначають вимоги щодо механічного навантаження для модулів сонячних електростанцій, експерти комісії не заглиблюються в цю область занадто сильно. Так, роз’яснення щодо розрахунків норм вітрового навантаження за стандартом IEC 61730 займає приблизно половину стандартного аркуша А4. Для порівняння, аналогічний стандарт, застосовуваний для будівельних конструкцій в Євросоюзі, EN 1991-1-4, має обсяг в 120 сторінок. Стандарт EN 50583 повністю змінює цей підхід.

Також, найважливіший аспект впровадження BIPV, описаний новим стандартом — це спеціалізація. Модуль сонячної електростанції, вбудований в фасад будівлі на висоті 5 метрів повинен витримувати набагато менші осьові, погодні і вітрові навантаження, ніж аналогічний модуль, що встановлюється на п’ятдесятому поверсі. Використовувати однакові модулі в даній ситуації економічно нерентабельно — отже, виникає необхідність в описі вимог до різних спеціалізованих модулів. Стандарт прописує їх у вигляді переліку способів кріплення, і протяжності несучих поверхонь, що визначають форму і тип модуля. Точному опису їх параметрів допомагає те, що більшість з них відповідає аналогічним стандартам, вже розрахованим для скляних конструкцій. По суті, стандарт інтегрує фотоелектричні елементи в уже наявні навантажувальні моделі для скляних фасадів, куполів, і дахів, роблячи їх рівноправними серед інших будівельних матеріалів.

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. При цьому стандартні рішення і програмне забезпечення, що використовується для розрахунку і проектування стандартних сонячних електростанцій, тут не можуть бути використані в повній мірі. В даному випадку дуже важливо правильно вибрати спосіб розміщення BIPV-елементів та адаптувати дизайн BIPV-елементів до загального архітектурного стилю будівлі, щоб отримати електрично і архітектурно оптимізовані системи. Проектування BIPV-систем – це робота на стику відразу декількох професій: архітектора, будівельника і інженера-електрика.

Багатофункціональність BIPV-систем

Завдяки своїм конструктивним і механічними властивостями, фотоелектричні BIPV-модулі, крім свого основного призначення – безшумної і екологічно чистої генерації електроенергії, здатні виконувати безліч інших функцій, повністю замінивши собою традиційні будівельні матеріали. Ступінь багатофункціональності фотоелектричного модуля як будівельного матеріалу визначається структурою і дизайном модуля, від яких безпосередньо залежать аспекти технічного, архітектурного та економічного проектування. Установка BIPV-модулів дозволяє замінити собою традиційні будівельні матеріали, що з одного боку, робить BIPV-системи дешевше (на вартість тих будівельних матеріалів, замість яких вони встановлені), а з іншого – підвищує рентабельність інвестицій. Таким чином, установка BIPV-систем, не дивлячись на початкові витрати, може в реальності окупитися швидше, ніж монтаж традиційних фотоелектричних систем. І це не кажучи про те, що BIPV-системи більш привабливі в естетичному плані, ніж стандартні дахові сонячні електростанції, і можуть бути інтегровані в будівлі, не порушуючи при цьому загальний архітектурний стиль.

Можна виділити наступні важливі особливості та переваги BIPV-систем, пов’язані з їх багатофункціональністю:

  • Легкість і прозорість фотоелектричних панелей. В архітектурі велике значення має зв’язок між внутрішнім і зовнішнім простором. Використання напівпрозорих (напівпроникних) рішень дозволяє поєднувати затінення і візуальну прозорість – залишаючись фактично непроникним зовні, таке скло дає можливість вільно спостерігати за тим, що відбувається зсередини. На противагу повністю непрозорих стандартних сонячних батарей, які можуть кріпитися на фасаді будівлі, напівпрозорі BIPV-модулі можуть використовуватися в якості вікон.
  • Захист від сонця. Крім безпосереднього затінення (зниження рівня сонячної радіації, що надходить в приміщення), BIPV-модулі, встановлені замість вікон, можуть виконувати і селективну функцію. Наприклад, модулі можуть активно поглинати ультрафіолетові хвилі (UV), які можуть призвести до вигоряння кольорів в обробці приміщення, можуть викликати погіршення фізичних властивостей окремих матеріалів, спровокувати появу опіків на листках рослин.
  • Екранування. Після невеликих доробок, BIPV-системи можуть використовуватися для прийому і передачі високочастотних сигналів, наприклад, як антена для систем стільникового зв’язку (при цьому вона може працювати автономно, самостійно забезпечуючи себе електроживленням). Інший варіант – металевий напівпровідниковий шар може грати роль екрану, блокуючи надходження всередину приміщення електромагнітного випромінювання.
  • Елемент архітектурного дизайну. Конструктивне різноманітність BIPV-модулів дозволяє використовувати їх як елемент архітектурного дизайну, новаторський зовнішній вигляд панелей здатний доповнити імідж будівлі і створити вражаючу атмосферу всередині.
  • Терморегулювання. Як вже зазначалося вище, відбір тепла у фотоелектричних модулів, що нагріваються на Сонці, можна використовувати для забезпечення опалення будівлі або для обігріву повітря, що надходить всередину будівлі по системі вентиляції. А модулі, виготовлені за технологією «скло-скло», мають відмінні теплоізоляційні показники, тому можуть використовуватися, наприклад, замість металопластикових вікон. Такий модуль дозволяє взимку заощадити на опаленні, а влітку – на кондиціонуванні приміщення, не пропускаючи розпечене повітря з вулиці.
  • Звукоізоляція. BIPV-модулі, в залежності від конструкції, можуть послаблювати або повністю відбивати (поглинати) звук, тому вони можуть використовуватися в якості звукоізолюючих елементів. Завдяки багатошаровій конструкції, вони мають хороший коефіцієнт звукопоглинання, який можна скорегувати, виходячи з вимог, що пред’являються. Наприклад, якщо збільшити товщину скла, використовувати спеціальні прошарку або асинхронні хроматичні шари покриття, в яких звукові хвилі, відбиваючись декілька разів, будуть взаємно гасити одна одну.

Перспективи розвитку BIPV

Як ми вже відзначали на початку статті, близько 99% ринку сонячних електростанцій не підпадає під дію нового стандарту. Однак, вже дуже скоро це процентне співвідношення може змінитися. Безліч компаній, що виробляють сонячні електростанції, вважають BIPV ключем до майбутнього ринку, який почне стрімко зростати в той момент, коли вартість інтеграції сонячних панелей впаде нижче вартості електроенергії, яку можна на цьому заощадити.

Такому розвитку подій сприяють внутрішні ініціативи багатьох держав. Так, в грудні 2020 року набирає чинності указ Європейської Ради від 2010 року, який регулює енергетичну ефективність будівель. З цього моменту приватним будівлям доведеться відповідати критеріям практично нульового споживання електроенергії, відшкодовуючи її недолік з поновлюваних джерел. Указ точно не визначає список подібних джерел, проте дуже велика ймовірність того, що до того моменту саме BIPV стануть основою для енергоефективності подібного типу. Навіть сьогодні, задовго до вступу в силу розпорядження Європейської Ради, багато міст світу впроваджують в свої будинки фотоелектричні елементи. Так, в квітні цього року наглядова рада Сан-Франциско, Каліфорнія, ухвалила використовування сонячних електростанцій у всіх нових будівельних проектах.

Індустрія вбудованих сонячних електростанцій зростає, і ставить перед собою амбітні завдання. Нещодавно сформована група компаній Allianz BIPV, що базується в Німеччині, ставить перед собою саме таку мету — зробити вбудовані сонячні електростанції визнаним елементом процесу будівництва. Група включає в себе будівельні та архітектурні компанії невеликих розмірів, чиї представники впевнені в тому, що BIPV в самий найближчий час стануть невід’ємною частиною сучасної архітектури.

І, як тільки до них приєднаються великі компанії — це обов’язково станеться.