Солнечные электростанции BIPV

BIPV (аббревиатура от английского Building-integrated photovoltaics) — это солнечные электростанции (СЭС), которые интегрированы в здания (сооружения), выполняя при этом кроме своего непосредственного назначения — генерации электроэнергии, еще и функции конструктивных элементов здания. По мнению аналитиков, в среднесрочной перспективе сегмент BIPV-систем станет таким, что наиболее активно развивается среди других видов солнечных электростанций.

Встраиваемые солнечные электростанции обычно устанавливаются на плоских и покатых крышах, а также встраиваются в фасады, или элементы остекления — купола, стеклянные крыши, панорамные окна. Солнечные электростанции BIPV по сравнению с традиционными фотоэлектрическими станциями имеют целый ряд преимуществ:

  • Установка BIPV-систем позволяет активно внедрять солнечные технологии в городских условиях, в которых существует большой спрос на электроэнергию, но высокая стоимость земельных участков не позволяет реализовывать экономически оправданы проекты солнечных электростанций.
  • Многофункциональность — BIPV-модули могут не только заменить собой традиционные строительные материалы, но и обеспечить снижение тепловой нагрузки на помещение (экономия на кондиционировании), стать частью системы теплорегулирование здания (тепло от фотоэлектрических модулей, нагреваются на Солнце, можно использовать для обогрева зданий) , они имеют отличные показатели звукоизоляции.
  • Электрогенерирующие мощности (солнечные BIPV-модули) находятся в непосредственной близости от конечного потребителя, что сводит к минимуму потери электричества, вызванные необходимостью его передачи.
  • Конструктивная разнообразие BIPV-модулей — это открывает широкие возможности использования их в качестве элемента архитектурного дизайна, новаторский внешний вид панелей способен дополнить имидж здания и создать впечатляющую атмосферу внутри. Кроме того, эстетическая составляющая позволяет интегрировать их практически в любой архитектурный стиль.

На сегодняшний день наиболее эффективное решение по соотношению «цена/качество» среди BIPV-систем — это системы (модули) glass/glass, созданные на основе кристаллических кремниевых модулей. В них сочетается дешевизна солнечных панелей, изготовленных по традиционной технологии, и эстетически привлекательный вид, характерный для тонкопленочных гибких модулей. Они полностью соответствуют требованиям европейского стандарта EN50583, который определяет требования к BIPV-модулей как части конструкции здания. Например, модуль «стекло/стекло» способен выдержать давление в 8000 Ра — с такой силой на кровлю давил бы слой снега высотой 8 метров и имеют отличные показатели звукоизоляции.

Стандарт EN 50583

Большим прорывом в этой области можно считать вступление в действие нового европейского стандарта — EN 50583, который определяет параметры BIPV. Прежде всего, в этом стандарте дано точное и однозначное определение BIPV — интегрированными фотоэлектрическими панелями будут считаться только те, которые после изъятия их из здания должны быть обязательно заменены на другие строительные материалы или конструкции, чтобы избежать нарушения целостности здания. Именно в этом и заключается ключевая особенность стандарта EN 50583 — он дает четкие определения и определяет параметры BIPV, фактически получают равные права с традиционными строительными материалами.

Согласно стандарту, интегрированными фотоэлектрическими панелями считаются только те, которые, будучи извлеченными из здания, должны быть заменены другими строительными материалами или конструкциями во избежание нарушения целостности здания. Далее, стандарт четко определяет роли, в которых могут выступать солнечные электростанции, будучи частью строительных конструкций:

  • Обеспечивать механическую сопротивляемость и структурную целостность здания.
  • Защищать от агрессивных погодных условий: дождя, ветра, снега, града.
  • Обеспечивать энергетическую экономичность — затенение, уровень освещенности, теплоизоляцию.
  • Увеличивать пожароустойчивость.
  • Предоставлять звукоизоляцию.
  • Выступать разделителем между внутренними и внешними помещениями.
  • Предоставлять убежище и обеспечивать защиту внутри здания.

Также стандарт определяет пять способов установки фотоэлектрических элементов:

  • Наклонные (для покатых крыш и куполов).
  • Наклонные с доступом изнутри здания.
  • Без уклона по вертикали.
  • Без уклона по вертикали с доступом изнутри здания.
  • Интегрированные снаружи (конструкции, выполняющие роли козырьков, парапетов, что делает их частью здания, выполняющей полезные функции помимо выработки электроэнергии).

Ранее производители BIPV не следовали строительным стандартам при производстве модулей солнечных электростанций. Это парадоксально — ведь интегрируемые фотоэлектрические панели используются в зданиях вместо других строительных материалов, как правило заменяя армированные стеклянные конструкции. Европейские стандарты регулируют использование остекления до мелочей, учитывая углы, толщину стекла, рам, и фому остекления. Однако, до сих пор для BIPV не существовало ничего подобного. EN 50583 исправляет это упущение, задавая стандарты для модулей BIPV как для стройматериалов, в зависимости от способа их интеграции, и прочности конструкции.

Модули солнечных электростанций, производимые до сих пор, в своем большинстве не приспособлены к агрессивным погодным условиям — ветровым или снежным нагрузкам. Стандартные конструкции стекло/фольга защищены 3 или 4 миллиметрами стекла, а более современные двухслойные стеклянные модули могут отвечать строительным стандартам разве что по чистой случайности. Они обычно даже не испытываются в сложных погодных условиях. Стандарты, определяющие их производство — IEC 61215 и 61730 — были разработаны Международной Электротехнической Комиссией для модулей фотоэлектрических панелей на кристаллической основе исходя из их электротехнических, а не структурно-механических параметров.

Хотя стандарты МЭК и определяют требования по механической нагрузке для модулей солнечных электростанций, эксперты комиссии не углубляются в эту область слишком сильно. Так, разъяснение по расчетам норм ветровой нагрузки по стандарту IEC 61730 занимает приблизительно половину стандартного листа А4. Для сравнения, аналогичный стандарт, применяемый для строительных конструкций в Евросоюзе, EN 1991-1-4, имеет объем в 120 страниц. Стандарт EN 50583 полностью меняет этот подход.

Также, важнейший аспект внедрения BIPV, описанный новым стандартом — это специализация. Модуль солнечной электростанции, встраиваемый в фасад здания на высоте 5 метров должен выдерживать намного меньшие осевые, погодные и ветровые нагрузки, чем аналогичный модуль, устанавливаемый на пятидесятом этаже. Использовать одинаковые модули в данной ситуации экономически нерентабельно — следовательно, возникает необходимость в описании требований к различным специализированным модулям. Стандарт прописывает их в виде перечня способов крепления, и протяженности несущих поверхностей, определяющих форму и тип модуля. Точному описанию их параметров помогает то, что большинство из них соответствует аналогичным стандартам, рассчитанным для стеклянных конструкций. По сути, стандарт интегрирует фотоэлектрические элементы в уже имеющиеся нагрузочные модели для стеклянных фасадов, куполов, и крыш, делая их равноправными среди других строительных материалов.

Проектирование BIPV-систем

Проектирование BIPV-систем — это очень сложный и трудоемкий процесс, ведь в результате необходимо найти компромисс между оптимальными условиями для функционирования фотоэлектрических модулей, требованиями строительных норм, архитектурной составляющей и экономической целесообразностью. При этом стандартные решения и программное обеспечение, используемое для расчета и проектирования стандартных солнечных электростанций, здесь не могут быть использованы в полной мере. В данном случае очень важно правильно выбрать способ размещения BIPV-элементов и адаптировать дизайн BIPV-элементов к общему архитектурному стилю здания, чтобы получить электрически и архитектурно оптимизированы системы. Проектирование BIPV-систем — это работа на стыке сразу нескольких профессий: архитектора, строителя и инженера-электрика.

Многофункциональность BIPV-систем

Благодаря своим конструктивным и механическими свойствами, фотоэлектрические BIPV-модули, кроме своего основного назначения — бесшумной и экологически чистой генерации электроэнергии, способны выполнять множество других функций, полностью заменив собой традиционные строительные материалы. Степень многофункциональности фотоэлектрического модуля как строительного материала определяется структурой и дизайном модуля, от которых непосредственно зависят аспекты технического, архитектурного и экономического проектирования. Установка BIPV-модулей позволяет заменить собой традиционные строительные материалы, с одной стороны, делает BIPV-системы дешевле (на стоимость тех строительных материалов, вместо которых они установлены), а с другой — повышает рентабельность инвестиций. Таким образом, установка BIPV-систем, несмотря на первоначальные затраты, может в реальности окупиться быстрее, чем монтаж традиционных фотоэлектрических систем. И это не говоря о том, что BIPV-системы более привлекательны в эстетическом плане, чем стандартные крышные солнечные электростанции, и могут быть интегрированы в здании, не нарушая при этом общий архитектурный стиль.

Можно выделить следующие важные особенности и преимущества BIPV-систем, связанных с их многофункциональностью:

  • Легкость и прозрачность фотоэлектрических панелей. В архитектуре большое значение имеет связь между внутренним и внешним пространством. Использование полупрозрачных (полупроницаемых) решений позволяет сочетать затенение и визуальную прозрачность — оставаясь фактически непроницаемым снаружи, такое стекло дает возможность наблюдать за тем, что происходит внутри. В противоположность полностью непрозрачных стандартных солнечных батарей, которые могут крепиться на фасаде здания, полупрозрачные BIPV-модули могут использоваться в качестве окон.
  • Защита от солнца. Кроме непосредственного затенения (снижение уровня солнечной радиации, поступающей в помещение), BIPV-модули, установленные вместо окон, могут выполнять и селективную функцию. Например, модули могут активно поглощать ультрафиолетовые волны (UV), которые могут привести к выгоранию цветов в отделке помещения, могут вызвать ухудшение физических свойств отдельных материалов, спровоцировать появление ожогов на листьях растений.
  • Экранирование. После небольших доработок, BIPV-системы могут использоваться для приема и передачи высокочастотных сигналов, например, как антенна для систем сотовой связи (при этом она может работать автономно, самостоятельно обеспечивая себя электропитанием). Другой вариант — металлический полупроводниковый слой может играть роль экрана, блокируя поступление внутрь помещения электромагнитного излучения.
  • Элемент архитектурного дизайна. Конструктивное разнообразие BIPV-модулей позволяет использовать их как элемент архитектурного дизайна, новаторский внешний вид панелей способен дополнить имидж здания и создать впечатляющую атмосферу внутри.
  • Терморегулирования. Как уже отмечалось выше, отбор тепла в фотоэлектрических модулей, нагреваются на Солнце, можно использовать для обеспечения отопления здания или для обогрева воздуха, поступающего внутрь здания по системе вентиляции. А модули, изготовленные по технологии «стекло-стекло», имеют отличные теплоизоляционные показатели, поэтому могут использоваться, например, вместо металлопластиковых окон. Такой модуль позволяет зимой сэкономить на отоплении, а летом — на кондиционировании помещения, не пропуская раскаленный воздух с улицы.
  • Звукоизоляция. BIPV-модули, в зависимости от конструкции, могут ослаблять или полностью отражать (поглощать) звук, поэтому они могут использоваться в качестве звукоизолирующих элементов. Благодаря многослойной конструкции, они имеют хороший коэффициент звукопоглощения, который можно скорректировать, исходя из требований, предъявляемых. Например, если увеличить толщину стекла, использовать специальные прослойки или асинхронные хроматические слои покрытия, в которых звуковые волны, отражаясь несколько раз, будут взаимно гасить друг друга.

Перспективы развития BIPV

Множество компаний, производящих солнечные электростанции, считают BIPV ключом к будущему рынку, который начнет стремительно расти в тот момент, когда стоимость интеграции солнечных панелей упадет ниже стоимости электроэнергии, которую можно на этом сэкономить.

Такому развитию событий способствуют внутренние инициативы многих государств. Так, в декабре 2020 года вступает в силу указ Европейского Совета от 2010 года, регулирующий энергетическую эффективность зданий. С этого момента частным зданиям придется соответствовать критериям практически нулевого потребления электроэнергии, возмещая ее недостаток из возобновляемых источников. Указ точно не определяет список подобных источников, однако очень велика вероятность того, что к этому моменту именно BIPV станут основой для энергоэффективности подобного типа. Даже сегодня, задолго до вступления в силу распоряжения Европейского Совета, многие города мира внедряют в свои здания фотоэлектрические элементы. Так, в апреле этого года наблюдательный совет Сан-Франциско, Калифорния, постановил использовать солнечные электростанции во всех новых строительных проектах.

Индустрия встраиваемых солнечных электростанций растет, и ставит перед собой амбициозные задачи. Недавно сформированная группа компаний Allianz BIPV, базирующаяся в Германии, ставит перед собой именно такую цель — сделать встраиваемые солнечные электростанции признанным элементом процесса строительства зданий. Группа включает в себя строительные и архитектурные компании небольших размеров, чьи представители уверены в том, что BIPV в самое ближайшее время станут неотъемлемой частью современной архитектуры.

И, как только к присоединятся крупные компании — это обязательно произойдет.