BAPV И BIPV солнечные панели: в чём разница?

Экология потребления. В 70-80-х годах ХХ столетия родилась идея превратить здания и городские постройки из потребителей энергии в энерговырабатывающие электростанции при помощи установки на них фотоэлектрических модулей или, проще говоря, солнечных батарей.

Основной функцией фотоэлектрических модулей (или иначе, PV — модулей) является преобразование солнечного света в электрический ток. На выходе фотоэлектрического модуля генерируется постоянный ток, который может использоваться как напрямую, так и накапливаться в аккумуляторных батареях для дальнейшего использования.

В 70-80-х годах ХХ столетия родилась идея превратить здания и городские постройки из потребителей энергии в энерговырабатывающие электростанции при помощи установки на них фотоэлектрических модулей или, проще говоря, солнечных батарей. Сейчас сложно сказать, кто первым предложил эту идею, но, пожалуй, самую большую роль в ее популяризации сыграл швейцарский инженер Маркус Реал (Markus G. Real ). В 1986 году он взялся за амбициозный проект установки 1 МВт солнечных батарей. Обзвонив 333 цюрихских домовладельца, он уговорил их установить солнечные панели на крышах своих домов. Так родилась идея децентрализованной генерации и накопления электроэнергии, т.е., фактически, то, что сейчас принято называть «умной сетью электроснабжения» (Smart Grid).

Практически одновременно возникла необходимость проработки различных вариантов интеграции фотоэлектрических модулей в конструкцию здания, так как дискуссии о нарушении эстетики и архитектурной целостности зданий стали новым препятствием на пути популяризацией этой идеи.

Так, наряду с обычной установкой фотоэлектрических модулей с целью получения электроэнергии, родились два новых понятия в архитектуре, описывающих два основных подхода в интеграции солнечных панелей в конструкцию зданий:

BAPV (Building Applied Photovoltaics) — добавление фотоэлектрических модулей поверх ограждающих конструкций здания (фасада или кровли)

BIPV (Building Integrated Photovoltaics) — замена части (или полностью) ограждающих конструкций здания специально созданными для данного проекта фотоэлектрическими модулями.

Интересно отметить, что, кроме приведенной выше расшифровки аббревиатуры BAPV, в литературе встречаются другие варианты:

«bilding addobed photovoltaics» — «адаптированные к зданию фотоэлектрические модули»

«building attached photovoltaics» – «прикрепленные к зданию фотоэлектрические модули»,

что, к счастью, не меняет ни саму аббревиатуру, ни её смысл. Вообще, путаница и неопределенность терминов в литературе по интегрированным фотоэлектрическим модулям в настоящее время является достаточно распространенным явлением. Можно сказать, что устойчивая терминология пока еще не сложилась в этом, только зарождающемся, разделе архитектуры. В русскоязычной литературе терминология и вовсе не систематизирована по причине практического её отсутствия по данной тематике.

Взявшись за написание данной статьи, автор преследовал, в том числе, цель внести некую ясность в терминологию. Обобщая вышесказанное можно заключить, что фотоэлектрические модули могут быть просто установлены на внешней оболочке здания (см. Рисунок 1), или же могут быть интегрированы в ее архитектурную концепцию (Рисунок 2).

Интеграция фотоэлектрических модулей может быть достигнута двумя разными способами— BAPV и BIPV. В данной статье мы будем рассматривать только интегрированные в архитектуру здания фотоэлектрические модули.

Как правило, в случае монтажа фотоэлектрических модулей поверх существующей кровли (Рисунок 1), применяются стандартные модули с соответствующими креплениями, в то время как в случае интеграции, к панелям и креплениям могут предъявляться определенные дизайнерские и технические ограничения. Разработка различного вида креплений для интеграции солнечных панелей стала отдельной производственной отраслью и с каждым годом производители предлагают нам всё новые и новые системы креплений для различных типов фасадов и кровли.

К BAPV модулям обычно не предъявляют никаких специальных требований кроме эстетической привлекательности, т. к. они не несут никаких дополнительных функций, и главной их задачей является эффективное преобразование солнечной энергии в электрическую. В случае же BIPV, фотоэлектрические модули заменяют собой часть внешней оболочки здания и должны обладать всеми функциями заменяемой конструкции. Тем самым, очевидно, что BIPV модули должны удовлетворять гораздо большему числу требований.

В настоящее время Европейский комитет по электротехнической стандартизации (CENELEC), отвечающий за европейские стандарты в области электротехники, запустил проект разработки единого стандарта для фотоэлектрических модулей BIPV и BAPV (prEN 50583 Photovoltaics in buildings). Отсутствие этого стандарта сейчас является одной из сдерживающих причин для развития отрасли BIPV, так как в настоящее время все BIPV модули проверяются на соответствие одновременно нескольким стандартам. Другой сдерживающей причиной, конечно же, являются несколько более высокие цены на BIPV — модули по сравнению с обычными фотоэлектрическими модулями.

Фактически, две эти причины привели к банкротству целого ряда BIPV — ориентированных производителей фотоэлектрических модулей. Вместе с их банкротством с рынка исчезли некоторые из разработанных ими разновидностей фотоэлектрических модулей. Например, в настоящее время практически не производятся гибкие тонкопленочные модули, на которые возлагались большие надежды в плане их использования в архитектурных проектах с использованием фотовольтаики.

Активное участие в разработке европейского стандарта prEN50583 принимает исследовательская группа Task 41 Solar Energy&Architecture из «Международного энергетического агентства по солнечному отоплению и кондиционированию» IEA SHC (International Energy Agency Solar Heating and Cooling Programme). Группа Task 41 предложила следующие категорий интеграции фотоэлектрических модулей в архитектуре (как BIPV так и BAPV):

1. добавление фотоэлектрических модулей;
2. добавление модулей с двойной функцией;
3. отдельно стоящая конструкция;
4. часть поверхности ограждающей конструкции;
5. полностью фасад здания;
6. форма здания, оптимизированная для максимального сбора солнечной энергии;
7. другие (отличные от 1-6).

Как мы уже отмечали, в случае BAPV фотоэлектрические модули, как правило, рассматриваются в качестве дополнительных устройств, добавленных к оболочке здания, даже если они органично вписаны в архитектурную концепцию. В случае же BIPV, фотоэлектрические модули являются и компонентами строительных материалов, и неотъемлемой частью конструкции здания, и, одновременно, частью общего архитектурного образа здания. Некоторые уже реализованные проекты с использованием BIPV модулей по праву считаются инновационными. Другими словами, BIPV — это инновационная отрасль строительной индустрии и она требует совместного творческого труда архитекторов, проектировщиков, конструкторов, инженеров и производителей фотоэлектрических модулей.

Результатом такого сотрудничества должно стать не только обеспечение оптимального сбора солнечной энергии, но и достижение необходимых физико-технических характеристик ограждающих конструкций с внедренными фотоэлектрическими модулями: теплопроводности, шумоизоляции, гидроизоляции, механической прочности и т.д.

Для внедрения в оболочку здания фотоэлектрических модулей исследовательская группа Task 41 предложила следующие технологические категории, представленные на Рисунке 4.

Солнечные модули отличаются от традиционных материалов своей основной функцией — они производят электричество. Поэтому разумнее изначально предусмотреть их расположение в концепции дизайна здания, учитывая все особенности солнечного освещения, диктуемые географической широтой местности, близостью соседствующих строений, особенностью рельефа и пр. То есть, включая в проект здания интегрированные солнечные модули, необходимо не только лаконично вписать их в фасадные или кровельные решения, но и обязательно учесть расположение и ориентацию модулей по отношению к солнцу. Любой удачный проект является результатом компромисса между двумя этими подходами.

Количество падающей на поверхность здания солнечной радиации зависит от ориентации этой поверхности и от географической широты местности. Оптимальным является угол наклона к горизонту близкий к географической широте и направленный чётко на юг, например для Москвы 38° к горизонту . Небольшие отклонения от этого оптимального угла наклона и направления приводят лишь к небольшим потерям в выработке. Скажем, для географической широты Москвы оптимальным можно считать угол наклона в пределах от 25° до 45°. Если принять данный оптимальный угол и направление за 100%, то выработка от остальных поверхностей здания выглядит как показано на Рисунке 5.

Разновидности фотоэлектрических модулей

Фотоэлектрические модули отличаются друг от друга по составу и технологии производства, что непосредственно влияет на их дизайн и, в конечном итоге, на архитектуру здания. Подавляющее большинство выпускаемых ныне солнечных модулей основаны на кремнии. Это обусловлено тем, что кремний является довольно распространенным в природе химическим элементом.

Принцип работы фотоэлектрических модулей не является предметом рассмотрения в данной статье, но знание их разновидностей и отличительных особенностей просто необходимо для архитекторов и проектировщиков. Ниже (см. Рисунок 6), схематически показаны основные разновидности современных фотоэлектрических модулей, разделенных по их химическому составу. Здесь мы дадим краткое описание внешнего вида этих модулей оставляя в стороне характеристики остальные физические характеристики, так как именно внешний вид панелей важен для их удачной интеграции в архитектуру здания.

Монокристаллические и поликристаллические панели состоят из ячеек. Монокристаллические ячейки, как правило, имеют форму «выпуклого» квадрата (см. Рисунок 7). Это связано с тем, что ячейки вырезаются из монокристалла цилиндрической формы. Поликристаллические же ячейки имеют форму прямоугольника или квадрата, т. к. их вырезают из «менее чистого» кристалла, имеющего форму параллелепипеда.

Оба вида ячеек могут иметь поверхность разных оттенков, а поликристаллические ещё и не только однородную структуру, но и структуру в виде морозных узоров (Рисунок 8).

Тонкопленочные солнечные панели на основе аморфного кремния a-Si, CIGS (cuprum-irridium-galium-selenide) или CaTe (cadmium-teluride), имеют однородную структуру по всей поверхности модуля и являются результатом совершенно иной технологии производства. Они также представляют большой интерес с архитектурной точки зрения, предоставляя архитектору богатые возможности для дизайна, отличаются по фактуре, текстуре, цвету и степени прозрачности и отлично подходят для фасадных решений.

Наружный слой интегрированных фотоэлектрических модулей, выполняет также функцию отделочного материала для внешней оболочки здания, поэтому производители стремятся создать привлекательный с эстетической точки зрения дизайн внешней поверхности модулей, разрабатывая новые технологии производства (Рисунок 9).

Рисунок 9. На этих фотографиях приведены инновационные солнечные модули с задним расположением контактов и с оригинальными узорами на внешней поверхности

Внешне привлекательным качеством солнечных модулей является также то обстоятельство, что солнечные панели отражают окружающую среду, как зеркальное стекло. Отражения бывают с разными эффектами: искаженными на матовой поверхности или четкими на глянцевой поверхности. В некоторых случаях отражения могут быть нечеткими или малозаметными. Все эти условия могут быть включены в архитектурную концепцию.

Для светопрозрачных фасадов и атриумов подходят полупрозрачные PV модули. Они могут быть как кристаллическими, так и тонкопленочными. Кристаллические полупрозрачные модули представляют собой два прозрачных стеклянных слоя, между которыми с некоторыми промежутками помещены фотоэлектрические кремниевые ячейки (см. Рисунок 10).

Прозрачность таких модулей определяется шириной промежутков между ячейками. Тонкопленочные же модули однородны по всей площади с разной степенью прозрачности.

Такой вид остекления используется для затенения внутреннего пространства. Бесспорным мировым лидером в производстве светопрозрачных фотоэлектрических стекол является испанская компания Onyx Solar.