Фотоволтаични фасадни системи

Вече всички знаем, че фотоволтаичната (PV) инсталация преобразува слънчевата светлина директно в електричество, което съхранява, управлява и прави достъпно за употреба. Това е цялостна система, в която фотоволтаичните панели са само най-външната, видима част. Те заемат сравнително малки площи, ако са част от система с малка мощност, но могат да покриват и огромни площи, когато мощностите достигат стотици мегавати. Панелите се монтират най-вече върху скари от метални профили. Доскоро се приемаше, че PV пана се монтират предимно по покривите или на терена, но фасадите на сградите предоставят нови възможности. Тук ще разгледаме начините за монтаж на PV панели по фасадите на сградите.

Текст: списание Енергия

Електроенергията, произведена от PV система, е по-евтина от предлаганата на пазара и това води до повсеместното и бързо навлизане на технологията. Соларни панели се монтират на много места, но по-натам ще говорим само за конструкциите, с които се монтират фотоволтаичните панели по фасадите на сградите, и за особеностите на опорните схеми. Монтажът по фасадите е резултат от непрестанните усилия за изграждане на сгради с максимално използване на енергия от естествени източници.

Соларните фасадни системи са високотехнологични изделия, които могат да осигурят електрическа енергия за почти всички нужди на сградата, да служат за топлинна изолация, за шумоизолация, да пропускат необходимото количество дневна светлина. Kлючовa технология за производство на активна възобновяема енергия е интегрираната в строителството фотоволтаика - Building Integrated Photovoltaics - BIPV. Тя е от съществено значение за интелигентните сгради, защото може да ги направи енергийно активни.

Разработени са солари за облицовка на стени, за изпълнение на фасадно остъкляване, за окачени фасади, за вентилируеми системи. Има тънкослойни фотоволтаични модули, които могат да се внедряват както по фасадите на нови, така и на съществуващи сгради. Именно тези многобройни функционални възможности налагат различните конструкционни типове. Ще се спрем на основните положения при монтаж на различните технологични типове соларни панели.

Кратка предистория

Фотоволтаичните фасадни системи (BIPV) имат интересна и динамична история, която отразява еволюцията на соларните технологии и стремежа към устойчиво строителство. Развитието на тези системи е тясно свързано с развитието на фотоволтаичната индустрия като цяло, която започва своето съществуване в средата на 20-ти век. Още през 1990-те години започва да се наблюдава по-голям интерес към интеграцията на фотоволтаичните технологии директно в сградите. Пионери в тази област започват да разработват фасадни системи, които съчетават функцията на генериране на електричество с архитектурната естетика и функционалността на сградите. 

Първите BIPV инсталации се характеризират с ограничен капацитет и високи разходи, но същевременно демонстрират значителния потенциал на технологията. В началото на новия век технологиите за производство на фотоволтаични клетки и модули претърпяват значителни подобрения. Развиват се нови материали и методи за производство, което води до повишаване на ефективността и намаляване на разходите. В този период се появяват и тънкослойните фотоволтаични модули, които предлагат по-голяма гъвкавост при интеграцията в строителството.

През последното десетилетие BIPV системите стават все по-достъпни и широко разпространени, благодарение на напредъка в нанотехнологиите и материалознанието. Интеграцията на фотоволтаични клетки в строителните материали - като стъклопакети, облицовки и покрития - прави възможно създаването на сгради, които не само консумират, но и произвеждат енергия. Това води до появата на концепцията за „интелигентни“ сгради, които са енергийно независими и екологично устойчиви.

Монтаж на соларни стъкла-соларни прозорци

Конструкцията на един стандартен силициев PV прозорец се състои от алуминиева рамка, уплътнение, предно стъкло, предпазващо от атмосферни влияния и за механична защита, специален материал, който предпазва клетките и ламиниращо фолио или нечупливо стъкло за задната част. При вграждането на фотоволтаични модули в стъклопакети се следи видимата част на профила до клетката да е 10mm, така че сянката на профила да не попада върху клетките при изместване на слънчевото греене.

Произвеждат се и двойни фотоволтаични стъклопакети. И единичните, и двойните PV стъклопакети се вграждат по стандартния начин в прозорци, различаващи се от обикновените по това,че са фотоволтаични, но монтажът им не се различава от монтажа на стандартните стъклопакети. Просто новата технология превръща прозореца в соларен панел, интегриран във фасадата.

Особености при монтаж на непрозрачни PV панели

Непрозрачните фотоволтаични фасади представляват сградно-интегрирани системи, които могат да са термосоларни (BIST), фотоволтаични (BIPV) или съчетание от двете (BIPV/T). С начина, по който тези системи преобразуват слънчевата енергия в електрическа, тук няма да се занимаваме. Важното за нашата тема е, че термосоларните решения обикновено са насочени към монтаж на соларни колектори към фасадните облицовки на сградата.

Колекторите са с опростени възли за монтаж със стандартни средства - дюбели с дистанционери към съществуващи конструктивни елементи или болтове към помощни носещи скари от алуминиеви или защитени от корозия стоманени профили. Преди монтажа е важно да се проучи състоянието на фасадата на сградата и да се конкретизират точките, в които е безопасно прилагането на допълнително натоварване. Доста по-привлекателно е използването на BIVP системите, при които фотоволтаичните клетки се интегрират в облицовката на сградата като част от конструкцията.

Това проправя път към внедряване на елементи и материали, заменящи обичайно използваните, които да са на база последно поколение PV клетки и да се монтират по време на довършителните работи по сградата. Зад соларните клетки се оставя въздушно пространство, в което въздушният поток се движи свободно. Монтажът се извършва на предварително зададените опорни точки, тъй като общият архитектурен облик на фасадата е решен на фаза проектиране. За монтажа на смесената BIPV/T система не може да се каже нищо по-различно. Съвсем бегло ще споменем, че архитектурните понятия „студена“ и „топла“ фасада са валидни и при фотоволтаичните фасадни системи. Начините на монтаж не се различават от вече описаните.

Особености при монтажа на прозрачни PV панели

Възможности както в изграждането на нови „зелени“ сгради, така и в модернизацията на съществуващи обекти, като използват соларни инсталации. Особено при интегриране във фасадите на сградите фотоволтаичните модули дават изключителни възможности. Модулите се предлагат в различни типоразмери, които могат да се комбинират така, че да покриват желаните площи по фасадата. Големият избор от форми и цветове на соларните клетки и на стъклото също дава огромна свобода при проектирането. Активните полупрозрачни сградно-интегрирани фотоволтаични системи (STBIPV) се вграждат във фасадната облицовка и генерират електричество посредством соларни модули, като същевременно пропускат дневна светлина във вътрешността на сградата.

Монтажът на модулите се извършва съгласно указанията на производителя. Модулите са разработени с удобни възли от алуминий или неръждаема стомана за захващане към носещата конструкция. Когато сградата е нова, местата за захващане са предварително определени. При съществуващи сгради е задължително становище от инженерконструктор. Важно е да отбележим, че профилите за носещи скари винаги трябва да са корозионноустойчиви. Пасивните прозрачни и полупрозрачни соларни фасади обикновено се изпълняват под формата на остъкляване със специално покритие, което улеснява трансформирането на попадащата върху тях слънчева светлина в термална енергия за отопляване на сградата.

Вариантите за монтаж напомнят изпитаните начини за монтаж на остъклени фасади. Ще ги групираме в пет системи. Рамковата система се състои от вертикални и хоризонтални профили. Връзката между стойките и ригелите може да се осъществи по различни начини - с припокриване, челно, с жлебове. Използват се уплътняващи елементи за предотвратяване на „термомостове“. За рамка се използва допълнителен метален профил с жлебове за отстраняване на излишната влага, който служи и за допълнителна вентилация. Стъклопакетът е укрепен с помощта на затягащи ленти и декоративни лайсни.

Структурната (или скелетна) система е с аналогична конструкция като рамковата, но декоративните лайсни са заменени със скрити крепежни елементи. Фасадата създава впечатление на цялостна остъклена повърхност. Между отделните пана остават незначителни фуги, които се запълват с уплътнител. Полускелетната система обединява горните два варианта. Ясно обособените лайсни са заменени с тънки обтягащи ленти така, че са създава впечатление за структурно остъкляване. Спайдър системата е наречена така заради приликата на крепежните елементи с паяк.

Монтажът е основан на закрепване в точки. Именно разклоненията, приличащи на крачетата на „паяка“, са с накрайници за захващане на паната, а „тялото“ се монтира към носещия вертикален елемент. Като носещи конструкции могат да се използват стойки от закалено стъкло или кабелни системи. Самият „спайдър“ може да бъде двураменен, трираменен и четирираменен, за да покрие всички възможни равнинни комбинации от пана. Безрамковата система се прилага при фасада от закалено стъкло, което се захваща с клемен профил в опорните участъци. Пана без закалено стъкло не се използват за оформяне на фасада по този начин.

Особености при полагане на тънкослойни модули

Фотоволтаичната тънкослойна технология е иновация, която позволява прозоречен или фасаден модул да изпълнява не само класическите функции на защита на вътрешните обеми на сградата, но и да допринася за добив на енергия. Модулът може, посредством гъвкав триплекс, да бъде съобразен със зоните с различно натоварване от вятър. Под формата на неподвижни голямоформатни ламели, модулите могат да бъдат монтирани на съществуващи фасади. Паната изпълняват едновременно няколко функции - освен като слънцезащита, те допринасят и за добива на енергия, а и променят визията на фасадата на сградата. Закрепването върху носещата скара става с винтове, а елементите на скарата са алуминиеви или корозионноустойчиви стоманени профили.

Няколко обобщаващи реда

При разполагане на солари по фасадите на сградите обикновено носещите конструкции се разработват индивидуално. Класическата конструктивна схема за поемане на натоварването от теглото на PV модулите и натоварванията от вятър е равнинната рамка. Каквато и да е схемата на носещата конструкция, винаги има предвидени профили за растер, подходящ за монтаж на самите панели.  Геометрията на растера се указва от производителя или доставчика на PV панели. Носещата конструкция е дело на инженер-конструктор. Основните материали за носещите конструкции са стомана и алуминий.

Предимствата на алуминиевите профили са ниското собствено тегло и антикорозионната устойчивост. Стоманените профили са предпочитани при преместване на поголеми отвори, при конзолни стойки, при носещи профили, върху които стъпват големи, окрупнени блокове. Изключително важно е да се осигури антикорозионното покритие на стоманените елементи. Използваните тънкостенни профили са фабрично горещо поцинковани. За пълностенните елементи се прилагат различни начини - от горещо поцинковане след изготвяне на елементите до обмазване с антикорозионни покрития. В някои случаи се използва неръждаема стомана.

Соларната система е съвкупност от елементи и функции. За да работи безупречно, проучванията и проектирането са абсолютно задължителни. В предпроектните проучвания е необходимо да се включва и строителен инженер-конструктор. Обикновено се срещат два случая - когато при самото проектиране на дадена сграда е заложено фасадата ѝ да е със соларни панели и когато се иска панелите да бъдат монтирани върху съществуваща фасада. Фотоволтаичните модули могат да са от типа „тънък слой“ или кристални, прозрачни, полупрозрачни или непрозрачни. Те изискват отделно специални монтажни системи.

Производителят задава начините на подпиране, разстоянията между точките на подпиране, теглото на елемента, а при съществуваща сграда конструкторът решава няколко задачи. Най-напред обследва фасадата, върху която се предвижда инсталиране на панелите от фотоволтаичната система. Тази площ се проучва като част от цялостната конструктивна схема на сградата. Следва изчисляване на напреженията и деформациите в конструктивните елементи, които ще бъдат натоварени допълнително от нови товари, предимно от вятър.

Ако е необходимо, може да се стигне до проверка на цялостното поведение на сградата, но в повечето случаи новите товари не са толкова големи, че да водят до това.Последната задача е изчисляването и конструирането на носещите рамки за соларните панели и връзката им с конструкцията на сградата. При нова сграда изчисленията за носещия скелет за соларните модули са част от изчисленията за самата сграда. Захващането на носещите скари към конструкцията на сградата може да стане с болтове, при стоманен скелет, или с използване на дюбели за закрепване към бетон, при монолитна конструкция.

И в двата случая е необходимо да се отчете натоварването от вятър за района. Изчисляват се не само металните профили, но и дюбелите. Не бихме искали да видим фотоволтаичните панели да се разлетят при силен вятър като зле поставената топлоизолация при някои от санираните сгради. Върху изпълнената носеща „скара“ се монтират фотоволтаичните панели, според геометрията на захващане, дадена от производителя на панели. Модулите се „вграждат“ като елемент от цялото с индивидуално решение за всеки отделен случай. Архитектурното решение може да бъде различно за всеки отделен обект.

Различна ще е и носещата конструкция за елементите от фасадата. Тук идва новото- вместо конвенционалните покрития да се използват PV масиви. Фасадната конструкция се променя така, че да улеснява монтажа на модулите. Това може да стане или с подходящ растер на профили, или с допълнителни профили, най-често алуминиеви, върху които да се монтират модулите. Разработките, при които фотоволтаиците са сградно-интегрирани (BIPV), имат голямо бъдеще. Те не само се използват като елементи от сградата, но са и образци на най-новите достижения в изработването на фотоволтаични покрития.

При остъклени части от фасадата фотоволтаичните клетки се вграждат в самите стъклопаке и. Монтажът на такъв елемент по нищо не се различава от стандартен монтаж на стъклопакет. Аналогично се подхожда при изпълнение на цели фасади на сгради.  Изграждането на PV фасадни инсталации не усложнява и не оскъпява особено конструкцията на сградата, но нулира загубите от пренос на електроенергия по мрежата, намалява потреблението на доставяната електроенергия, повишава нивотона енергийната независимост на потребителя, оползотворява неизползваеми доскоро площи, спомага за опазване на околната среда.

Технологични иновации и бъдещи тенденции

Фотоволтаичните фасадни системи непрекъснато се развиват благодарение на технологичните иновации, които увеличават тяхната ефективност, гъвкавост и естетическа привлекателност. Един от най-значимите напредъци в последните години е развитието на перовскитните соларни клетки. Те предлагат по-висока ефективност при по-ниски производствени разходи в сравнение с традиционните силициеви клетки. Перовскитните клетки могат да се нанасят върху гъвкави и прозрачни материали, което ги прави идеални за интеграция във фасадни системи.

Друга важна иновация е разработката на бифасциални соларни модули, които могат да генерират електричество както от директната слънчева светлина, така и от отразената светлина. Това увеличава общата продуктивност на фотоволтаичните фасади, особено в урбанизирани среди, където отраженията от околните сгради могат да бъдат значителни. Интеграцията на наноматериали и нанотехнологии също играе важна роля в бъдещото развитие на фотоволтаичните фасадни системи. Наноматериалите могат да подобрят светлинното улавяне и конверсия, което води до по-висока ефективност на соларните клетки.

В допълнение, използването на графенови покрития предлага подобрена проводимост и дълготрайност на фотоволтаичните модули. Интернетът на нещата (IoT) и смарт технологиите вече започват да променят начина, по който се управляват фотоволтаичните фасадни системи. Чрез интеграция на смарт сензори и софтуер за управление, тези системи могат да оптимизират производството на енергия в реално време, като се адаптират към променящите се условия на околната среда. Това позволява по-ефективно управление на енергията и подобряване на общата енергийна ефективност на сградите.