Логотип Рентехно
(044) 332-81-90
Решения возобновляемой энергетики - Превышая ваши ожидания
enuaru

Особенности проектирования BIPV-систем

Главная » Блог » Особенности проектирования BIPV-систем

Особенности проектирования 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 оптимизированные системы. Проектирование BIPV-систем – это работа на стыке сразу нескольких профессий: архитектора, строителя и инженера-электрика. Рассмотрим несколько основных особенностей проектирования BIPV-систем.

 

Правильная ориентация солнечных батарей

Суммарный объем солнечного излучения, который поступает на площадь солнечного модуля (и как следствие – объем генерируемой солнечной батарей электроэнергии) зависит от ориентации относительно сторон света, угла наклона плоскости солнечного модуля относительно горизонта. Оптимальный угол наклона напрямую зависит от широты установки солнечных модулей – чем дальше от экватора, тем больше становится значение угла наклона. Для Северной Европы оптимальными условиями для установки солнечных панелей на стационарных (неподвижных) конструкциях является:

  • Ориентирование солнечных модулей на юг (отклонение по азимуту до 15 градусов на восток или запад практически не влияет на годовую генерацию системы).
  • Установка солнечных панелей под углом в районе 30-40 градусов к горизонту.

 

Рис.1.  Эффективность приема солнечного излучения на наклонных поверхностях в зависимости от ориентирования относительно сторон света.

 

Соблюдение этих условий позволяет получить максимально возможное количество солнечного излучения в течение года. При небольших отклонениях угла (от 20 до 40 градусов) и незначительных смещениях на запад-восток от строго южного направления наблюдается незначительная потеря получаемого солнечного излучения. Однако в случае установки на здании добиться оптимального размещения модулей практически невозможно, ведь в этом случае основополагающими будут архитектурные критерии. Но при этом можно добиться достаточно высоких показателей генерации электроэнергии и при субоптимальном размещении солнечных модулей, если их характеристики позволяют это сделать. Речь идет о модулях, хорошо работающих при слабом, рассеянном или переотраженном излучением – именно они могут быть установлены в тех местах, где ориентация неблагоприятна. Это, прежде всего, тонкопленочные солнечные панели, которые показывают большую эффективность в условиях рассеянного и переотраженного солнечного излучения, чем монокристаллические системы, которые показывают большую производительность при прямом солнечном излучении.

Так что правильный подбор солнечных модулей, исходя из особенностей их свойств, может если не в полной мере, то в значительной части компенсировать далеко не идеальное расположение солнечных батарей относительно сторон света и линии горизонта. Именно это говорит о высоком энергетическом потенциале такой части дома, как фасады. Для примера, общая площадь фасадов в Германии составляет порядка 3 тысяч квадратных километров, что позволяет разместить на них BIPV-модули суммарной мощностью около 300 ГВт. В условиях современного города площадь фасадов, особенно в высотных домах, значительно больше, чем площадь крыш. Если взять только фасады, которые ориентированы строго на юг (наиболее оптимальное направление для размещения солнечных модулей), то, к примеру, для Германии их площадь на 80% превосходит горизонтальные поверхности в городе, где можно установить крышные солнечные электростанции. В пользу размещения BIPV-модулей на фасаде говорит еще и тот факт, что в этом случае они располагаются в непосредственной близости от потребителя, что значительно снижает потери, связанные с передачей электроэнергии от места генерации к месту потребления.

 

От температурного режима – к фотоэлектрическим тепловым системам

Одна из особенностей PV-модулей – их зависимость от температурного режима, с нагревом солнечной панели происходит значительное сокращение объемов генерирования электричества. При этом объемы потерь зависят от типа используемых солнечных панелей, у монокристаллических этот показатель выше, тонкопленочные панели менее зависимы от температуры. Этот эффект необходимо обязательно учитывать при расчетах, так как стандартные измерения мощности и производительности солнечных панелей производятся при температуре 25°C, в то время как в летний день, под прямым солнечным светом, солнечные модули могут прогреваться до температуры 50-65°C. Если говорить о стандартных наземных солнечных электростанциях, то в их конструкции предусмотрена вентиляция (охлаждение) задней части панели. Для интегрированных систем ситуация осложнятся тем, что они являются единым целым с конструкцией здания, поэтому, как вариант, можно рассмотреть возможность принудительного охлаждения солнечных модулей, включив их в общую систему терморегулирования здания. Естественно, здесь придется исходить из соотношения «расходы на принудительную вентиляцию/потери генерации от нагрева солнечных модулей».

Другой вариант, который тоже подразумевает включение солнечных модулей в систему терморегуляции здания – BIPV-элементы становятся также частью системы вентиляции. Такой подход показал свою эффективность в зимних условиях – тепловой ресурс от нагрева модуля используется для предварительного обогрева воздуха, поступающего в систему вентиляции здания. Таким образом, решаются сразу две проблемы – охлаждение солнечных модулей и снижение тепловых потерь через вентиляцию.

На сегодняшний день активно рассматривается использование BIPV-элементов как составной части активных систем рекуперации тепла, что означает, фактически, переход на новый уровень и создание фотоэлектрических тепловых систем - BIPVT-системы. Такие системы могут быть замкнутыми (с жидкостной петлей, в качестве теплоносителя обычно используется вода) или с открытым контуром (обогрев помещений на основе системы вентиляции – воздушным потоком). Принцип работы тепловой фотоэлектрической системы представлен на рис. 2.

 

 

Рис. 2. Тепловая фотоэлектрическая система

 

Влияние затенений на работу солнечных панелей

 

Затенение солнечных модулей может существенно повлиять на производительность BIPV систем. Оно может иметь несколько причин:

  • Высокие деревья, произрастающие рядом со зданием.
  • Самозатенение (рис.3), вызванное конструктивными особенностями солнечного модуля.
  • Другие высокие строения, расположенные рядом (рис. 4).
  • Потери, вызванные запыленностью (загрязнением) плоскости солнечного модуля.

 

 

Рис. 3. Примеры самозатенения, вызванные типом системы крепления

 

Кроме того, область затенения не остается постоянной – деревья могут подрасти, рядом могут построить другие здания, может накапливаться пыль. Влияние затененности можно минимизировать за счет тщательного планирования и проектирования объекта, чтобы обеспечить максимальное значение падающего солнечного излучения. Прежде всего, потребуется провести моделирование дневной и годовой траектории теней, чтобы оптимизировать размещение солнечных модулей, их ориентацию и положение в структуре здания. Если эффекта затенения не удается избежать полностью, то его можно минимизировать за счет подбора солнечных модулей соответствующей технологии, дизайна модулей или электрического соединения модулей. К примеру, за счет использования параллельного подключения модулей – даже если один (несколько) модулей окажутся затененными, остальная часть системы продолжит работу. Еще одна важная деталь, характерная именно для BIPV-систем. В отличие от традиционных систем, на поверхностях зданий нет возможности создавать длинные непрерывные массивы солнечных панелей, соединенных последовательно. Именно поэтому, чтобы добиться необходимого значения напряжения и тока, придется задействовать микро-инверторы, которые будут располагаться на каждом стринге (массиве солнечных батарей), для обеспечения параллельности подключения.

 

Рис. 4. Примеры затенения в городских условиях.

 

Отдельно стоит остановиться на проблеме запыленности, значение которой в городских условиях, учитывая количество пыли, может быть достаточно большое. Проектом необходимо предусмотреть возможность провести очистку поверхности солнечных батарей, если количества естественных осадков окажется недостаточно.

 

Низкая освещенность и спектральная чувствительность

Поступающее на поверхность прямое солнечное излучение несет с собой достаточно много энергии. Это прямое солнечное излучение оптимально подходит для монокристаллических кремниевых солнечных элементов, которые преобразуют его в электричество. Но при этом достаточно большое количество прямого солнечного излучения рассеивается водяными парами и частичками пыли (сажи), находящимися в атмосфере. К тому же, часть солнечной энергии, попадая на поверхность земли, переотражается – таким образом, возникает рассеянное (или его другое название - косвенное) излучение. Способность солнечных элементов преобразовывать рассеянное излучение называют работой с низкой освещенностью. Тонкопленочные модули демонстрируют большую эффективность по сравнению с кристаллическими системами при работе в условиях низкой освещенности. Они демонстрируют достаточно эффективную работу в пасмурную погоду или при размещении на северной стороне здания.

Еще один важный момент, который необходимо учитывать – спектральная чувствительность. Солнечный свет состоит из волн разного диапазона – от ультрафиолета (короткие волны) до инфракрасного излучения (длинные волны). Кристаллические солнечные фотомодули поглощают в основном длинноволновое излучение, в то время как тонкопленочные модули работают в более широком диапазоне волн, поэтому они более стабильно работают при пасмурной погоде.

 

Пики потребления и генерации электроэнергии

Если говорить о BIPV-системах, которые являются конструктивной частью дома, то может возникнуть ситуация, когда пик выходной мощности, генерируемой фотоэлектрической системой, не совпадает в пиковыми моментами потребления. Если рассуждать об общественных зданиях или офисных (деловых) центрах, то в этом случае пики генерации и потребления практически совпадают. Впрочем, дефицит электроэнергии может ощущаться в утренние часы, когда интегрированные в здание солнечные станции работают не на полную мощность. В этом случае можно предусмотреть в проекте гибридную систему энергоснабжения, когда недостающая часть энергии компенсируется из общей энергосети.

Значительно резче несовпадение пиков просматривается в частном доме, в котором пики потребления (в большинстве случаев) как раз приходятся на утренние и вечерние часы. В этом случае, следует предусмотреть установку систем накопления энергии, которая в дневное время, в период наибольшей солнечной активности, будет заряжаться (накапливать заряд), а в вечернее – отдавать его.

Необходимость с самого начала учитывать установку BIPV-систем при разработке проекта здания связана еще и с тем, что BIPV-элементы по своим размерам не всегда удовлетворяют требованиям строительной индустрии. Линии производства солнечных панелей настроены на выпуск изделий определенного размера, поэтому архитекторам необходимо разрабатывать проекты зданий, исходя из имеющихся размеров модуля. Ведь перенастройка линии и выпуск солнечных модулей по индивидуальному размеру и формы существенно повысит их стоимость.

Кроме того, солнечный фотомодуль – это готовое изделие, у которого на стройплощадке невозможно изменить размеры, например, как отколоть часть кирпича или сделать уже ленту битумного кровельного покрытия. Солнечный модуль необходимо установить в том виде и в тех размерах, в которых он доставлен на строительную площадку – и это необходимо обязательно учитывать.

 

Многофункциональность BIPV-систем

Благодаря своим конструктивным и механическим свойствам, фотоэлектрические BIPV-модули, кроме своего основного предназначения – 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 напрямую зависят аспекты технического, архитектурного и экономического проектирования. Установка BIPV-модулей позволяет заменить собой традиционные строительные материалы, что с одной стороны, делает BIPV-систем 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 здания, не нарушая при этом общий архитектурный стиль.

Можно выделить следующие важные особенности и преимущества BIPV-систем, связанные 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 свободно наблюдать за происходящим изнутри. 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 (снижения поступающего в помещение уровня солнечной радиации), 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.
  • Терморегулирование. Как уже указывалось выше, отбор тепла у нагревающихся на солнце фотоэлектрических модулей можно использовать для обеспечения отопления здания или для обогрева воздуха, поступающего внутрь здания по системе вентиляции. А модули, изготовленные по технологии «стекло-стекло», обладают отличными теплоизолирующими показателям, поэтому могут использоваться, к примеру, 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 их предъявляемых требований. Например, если увеличить толщину стекла или использовать специальные прослойки или асинхронные хроматические слои покрытия, в которых звуковые волны, переотражаясь, будут взаимно гасить друг друга.

Печать

Остались вопросы по назначению наших услуг?
Оставьте нам заявку. Наши специалисты проконсультируют Вас

Тема вашего запроса
Заказать звонок

^