Интегриране на PV системи в сградни фасади

Макар и новост за България, интегрирането на фотоволтаични системи във фасадите на сградите е отдавна използван архитектурен похват в много държави по света. Освен че произвеждат електричество, този вид решения изпълняват и всички изисквания към фасадите по отношение на влаго-, топло- и шумоизолация и отговарят на критериите за нискоенергийно и екологично строителство. Фотоволтаичните модули могат да бъдат базов елемент от архитектурната концепция на сградата или да се интегрират към фасадите на вече съществуващи сгради. Освен във фасадите, панелите могат да се инсталират и върху покрива, в прозорци в покривното пространство, в сенници, парапети на балкони, покривни конструкции на паркинги и много други. Генерираната електрическа енергия би могла да се използва за захранване на разнообразни сградни приложения - автоматично управление на щорите в сградата, вентилационните устройства, аварийното осветление и други.

Интегрираните във фасадата фотоволтаични системи (Building Integrated Photovoltaics - BIPV) произвеждат по-малко електричество в сравнение със съоръженията, разположени върху покрив, но са оптимален източник на енергия за сгради с големи стъклени фасади. Интегрираните фотоволтаици допринасят за опазването на околната среда и предпазват помещенията от пряка слънчева светлина, което значително намалява разходите за охлаждане през лятото. Фотоволтаичните елементи в повечето случаи се инсталират върху южната фасада на сградата. Състоят се от различни модули, изработени най-общо от кристален силиций или произведени на базата на тънкослойни покрития, изградени от слоеве полупроводникови материали с дебелина няколко микрометра. Обикновено слоевете са отложени върху закалено стъкло, което по желание на клиента може да бъде и оцветено. Добавянето на пластове стъкло върху базовия елемент на полупрозрачния фотоволтаичен модул добавя към функционалните характеристики на модулите и топло- и шумоизолация. Сред най-новите разработки са високоефективни модули, състоящи се от пакети отделни слънчеви клетки, поставени една върху друга, с цел постигане на максимално улавяне и преобразуване на слънчевата енергия. Най-горният слой преобразува слънчевата светлина, съдържаща най-голямо количество енергия. Слоят пропуска свободно останалата слънчева енергия към останалите слоеве, които я абсорбират и преобразуват. За производството на подобни високоефективни клетки широко се използва галиевият арсенид и неговите сплави, а така също аморфният силиций, медно-индиевият диселенид, галиево-индиевият фосфид и други. Съществуват и разнообразни технологии за производство на т. нар. усъвършенствани слънчеви клетки. При някои от тях вместо от полупроводникови материали, слънчевите клетки се изработват от импрегниран със светлочувствителна боя слой от титаниев диоксид. Други нови технологии, например, се базират на използването на полимерни материали.
Фотоелектрическите модули се предлагат в различни типоразмери, които, на свой ред, могат да се комбинират и свързват, образувайки фотоелектрически системи с различни размери и изходна мощност. Сред новите решения, предлагани на нашия пазар, са BSC (back-side-contact) клетките. Техният КПД е значително по-висок от този на стандартните клетки (около 20 %), като същевременно предлагат елегантна и ясна оптика. Това се дължи на преместването на контактната решетка на задната страна на клетката и премахването на “фотонната сянка”.

Компоненти на BIPV системите
Наред с фасадните модули, фотоволтаичната система, интегрирана в една сграда, се състои още от носеща конструкция, контролер, акумулаторна батерия и инвертор. Контролерът осигурява оптимална работа на фотоволтаичните панели, като поддържа работната им точка винаги в зоната на максимална мощност. В немалък брой приложения контролерът осигурява и оптимален режим на заряд на акумулаторната батерия. Нейното предназначение е да акумулира излишната енергия, генерирана от фотоволтаиците през светлата част на денонощието, и да я отдава през нощта, поддържайки непрекъснато електрозахранването на консуматорите. Известно е, че към постояннотоковите шини биха могли да се свържат директно постояннотоковите консуматори. Такива са някои видове осветители, телевизори, радиоапарати, хладилници и други. Инверторът, от своя страна, преобразува постоянното напрежение в променливо с промишлена честота, което позволява директно захранване на всички консуматори, стандартно изпълнение. Разбира се, възможно е системата да бъде ограничена само до постояннотоковата си част, без инвертор и възможност за захранване на променливотокови консуматори. Такова е изпълнението на най-маломощните инсталации, например системи, предназначени за захранване на автоматични щори, осветители и др. Фотоволтаичните системи, интегрирани във фасадите на сградите, могат да бъдат свързани към електроразпределителната мрежа или да са обособени като самостоятелни източници на захранване.

Разнообразие от архитектурни решения
Фотоволтаичните модули, използвани в архитектурата, се състоят от известен брой соларни клетки, поставени между две стъклени плочи. Някои производители ги наричат “солар стъклопакет”. Големият избор от форми и цветове на соларните клетки и на стъклото дава огромна свобода при проектирането и осъществяване на смели и нискоенергийни проекти както в общественото, така и в жилищното строителство. При това, соларните елементи във фасадите и покривите не се нуждаят от поддръжка и притежават оптичните и функционални свойства на стандартното остъкляване.

Изборът на соларните клетки зависи в голяма степен от оптиката на изграждащите елементи: структура, големина, формат и цвят и предоставя богата палитра от възможности. Така например, поликристалните силициеви клетки блестят в различни оттенъци на синьото и придават оптичен акцент, докато монокристалните имат равномерна графитено сива структура. Соларните клетки се произвеждат в различни големини и формати. Цветът, който е важен фактор в дизайна на сградата, също може да се избира. При конструирането на модулите е много важен изборът на подходящо стъкло. Предлагат се различни решения - от обикновена комбинация стъкло/тедлар до варианти с бронирани, шумоизолиращи и топлоизолиращи стъкла. Обикновено големините и форматите на стъклата също са многовариантни и има възможност за специални форми. По този начин могат да се реализират всички изисквания в една сградна концепция. Дебелината на стъклото се определя от статиката на сградата и от местните строителни изисквания.

Фотоволтаичните модули се интегрират успешно в “студени” “студено-топли” и “топли” фасади, покривни прозорци, системи за слънцезащита, балкони и зимни градини. При „студените” фасади фотоволтаичните модули поемат функцията на външна обвивка и климатична защита за топлите области в сградата. При тях се използва комбинацията стъкло/тедлар, като чрез уеднаквяване на растера на фотоволтаичните модули и фасадата се получава една оптически жива картина. „Топлата” фасада с PV модули успява да изпълни всички поставени към нея изисквания: статика, топлоизолация и шумоизолация. Полупрозрачните покривни конструкции с фотоволтаични модули също са мултифункционално решение - като полупрозрачен покрив те поемат функциите на топло-, звуко-, слънце-, и климатична защита, а същевременно произвеждат електрическа енергия, която се използва за климатизация и осветление на сградата. В козирки над прозорци, входни врати или тераси също могат да се интегрират соларни модули, които предпазват от слънчеви лъчи, дъжд и сняг и произвеждат електричество. Монтирането им под ъгъл 30-45о повишава техния коефициент на полезно действие и хармонично допълва фасадната архитектура. Парапетите на балконите също могат да се изпълнят с вградени полупрозрачни соларни модули (соларен пакет стъкло-клетка-стъкло), така че от външната страна са непрозрачни, а от вътрешната - прозрачни.

В областта на жилищното строителство покривите на зимните градини предлагат идеална възможност за интеграция на фотоволтаици. Чрез индивидуално избрано подреждане на соларните клетки и избор на подходящо остъкляване, фотомодулите произвеждат не само електричество, но и контролират слънчевата светлина, като едновременно с това отстраняват чрез рефлексия топлинните лъчи.