Интегрирани фотоволтаични системи

Ускореното развитие на фотоволтаичните технологии през последното десетилетие доведе до все по-широкото им прилагане в строителната практика, като един от съществените иновативни пробиви в тази област е появата на интегрираните фотоволтаици. Тези системи, известни като BIPV (Building Integrated Photovoltaics) представляват съвременна технология, при която фотоволтаичните модули се вграждат директно в конструктивни или ограждащи части на сградата. За разлика от традиционните „надграждащи се“ соларни панели BAPV (Building Applied Photovoltaics), които се монтират върху вече съществуващи повърхности, BIPV системите се интегрират още на етапа на проектиране, като изпълняват функция както на строителен компонент, така и на енергиен източник.

Текст: Списание СТРОИТЕЛИ 





Изискванията към съвременното строителство непрекъснато нарастват - от необходимостта за устойчиво използване на ресурси и енергийна ефективност до стремежа към високо архитектурно и естетическо качество. На този фон интегрираните фотоволтаици заемат все по-централно място в процеса на проектиране и построяване на съвременни сгради. Те позволяват изграждането на фасади, покриви и остъклявания, които не само отговарят на естетическите и функционалните изисквания, но също така допринасят за постигане на по-ниско потребление на енергия и намаляване на въглеродния отпечатък. Това открива нови възможности за проектиране на сгради, които са едновременно устойчиви, енергийно ефективни и с висока архитектурна стойност.

BIPV модули

BIPV модулите могат да бъдат вградени в различни части на сградната обвивка, включително покриви, фасади, прозорци, остъклявания, козирки, както и в разнообразни инфраструктурни елементи. Освен, че произвеждат електроенергия от възобновяем източник, тези системи изпълняват и основни архитектурни и конструктивни функции - осигуряват защита от атмосферни влияния, подобряват топлоизолацията, а в някои случаи служат и за пропускане на естествена светлина в интериора. Модулите се предлагат в различни конструктивни и дизайнерски варианти. Тяхната форма и изпълнение варират според мястото на приложение в сградата и функционалните изисквания, които трябва да изпълняват.

За покривна интеграция могат да се използват както фотоволтаични керемиди, заместващи традиционното покривно покритие, така и вградени модули, монтирани в равнината на покрива - при скатни или плоски конструкции. Фасадните решения включват окачени панели със соларни клетки, както и плътни или полупрозрачни фасадни елементи, съвместими с различни типове облицовъчни материали. При остъклени повърхности фотоволтаичните технологии могат да бъдат интегрирани в многослойни стъклопакети, позволяващи частично пропускане на естествена светлина, или да се използват в слънцезащитни системи - ламели, щори и козирки. Подобни решения намират приложение и в инфраструктурни елементи, като навеси, автобусни спирки, шумозащитни съоръжения и парапети, което допълнително разширява възможностите за интегриране на възобновяеми енергийни източници в рамките на съвременната урбанизирана среда.

Едно от ключовите предимства на съвременните BIPV системи е високата степен на архитектурна интеграция. Модулите могат да бъдат произведени в различни цветове, текстури и форми, така че да отговарят на естетическите и функционални изисквания на конкретния проект. Това ги прави приложими както при ново строителство, така и при саниране и реновация на съществуващи сгради. Освен визуалните и конструктивни ползи, BIPV технологиите имат съществен принос и за устойчивото развитие. Чрез заместване на традиционни строителни продукти и същевременно генериране на чиста енергия, те допринасят за намаляване на въглеродните емисии, подобряване на енергийната ефективност на сградите и постигане на по-висока енергийна независимост.

Значимостта на интегрираните фотоволтаични системи нараства в контекста на съвременните европейски политики, насочени към климатична неутралност и повишаване на дела на възобновяемите енергийни източници. В рамките на Европейския зелен пакт сградният сектор е идентифициран като основен приоритет за енергийна трансформация, като се предвижда активна роля на новите технологии в процеса на реновиране и обновяване на съществуващия сграден фонд. BIPV системите предлагат ефективно решение за изпълнение на целите, свързани с устойчивото строителство, енергийната ефективност и намаляването на емисиите на парникови газове.



Технологични иновации и дизайнерски възможности

През последното десетилетие технологичното развитие на фотоволтаичните системи отбелязва значителен напредък, а най-новите тенденции в областта се съсредоточават върху повишена енергийна ефективност, естетическа адаптивност и съвместимост с интелигентни сградни системи. Това доведе и до по-широкото приложение на BIPV системите както при ново строителство, така и при саниране и модернизация на съществуващи сгради. Особено внимание се обръща на постигането на сгради с нулево нетно енергийно потребление

Една от водещите посоки в развитието на интегрираните фотоволтаични системи (BIPV) е подобряването на визуалната интеграция и разширяването на дизайнерските възможности, което улеснява тяхната адаптация към разнообразни архитектурни концепции и стилове. Съвременните технологии за стъклопечат дават възможност за създаване на модули с богата цветова палитра и висока степен на персонализация - от наситени едноцветни повърхности до фини графични мотиви. В резултат на това, традиционният тъмен облик на соларните панели постепенно се заменя с естетически адаптивни решения, съобразени с визуалните и функционални изисквания на конкретния проект. Благодарение на напредъка в областта на оптичните филтри и високоефективните покрития, цветните фотоволтаични модули постигат минимални енергийни загуби - между 5 и 10%, което ги прави подходящи за сгради с високи изисквания за енергийна ефективност. Те могат да бъдат интегрирани и в културно или исторически значими обекти, без да се прави компромис със съвременните технически стандарти.

Другият ключов аспект от развитието на BIPV системите е свързан с подобряването на енергийната им ефективност. Внедряването на ново поколение фотоволтаични клетки, като N-TOPCon, HJT и перовскитни тандемни структури, води до значително нарастване на ефективността на модулите, с постигане на стойности над 22–24%. Освен това, все по-често се разработват системи, които са съвместими с интелигентни сгради. Тези решения позволяват автоматизирано управление на осветлението, отоплението и вентилацията, което спомага за оптимизиране на енергийните разходи и повишаване на цялостната енергийна ефективност. Голяма част от съвременните BIPV решения включват и функции за дистанционна диагностика и мониторинг, които улесняват поддръжката и осигуряват дългосрочна надеждност и ефективност.

Стандартизация и индустриализация на решенията

Сред ключовите направления за развитие на BIPV системите се откроява стремежът към стандартизация и индустриализация на решенията, които улесняват широкото им приложение в строителството. В тази посока водещи изследователски институти като Fraunhofer ISE и Fraunhofer UMSICHT в Германия работят върху разработката на индустриализирани фасадни панели с вградени PV модули, които съчетават висока производителност с лесен монтаж и повтаряемост в сградния процес. Такива решения отварят възможности за по-широко приложение в жилищното и общественото строителство, като същевременно намаляват разходите при мащабни проекти.

Въпреки значителния напредък, пред BIPV системите остават редица предизвикателства, които възпрепятстват широкото им внедряване. На преден план остава въпросът за цената - интегрираните PV панели все още се произвеждат в малки серии и техните разходи често надвишават тези на стандартните модули с два до три пъти. Въпреки това, именно този висок ценови праг се превръща в стимул за търсене на иновативни подходи, които да направят технологията по-достъпна и приложима в по-широк мащаб. Това включва усилия за оптимизиране на производствените процеси с цел намаляване на себестойността, развитие на стандартизирани модулни системи, които улесняват проектирането и монтажа, както и намиране на оптимален баланс между масова производствена ефективност и възможности за архитектурна персонализация.

Реализации и примери от Европа

Пазарът на интегрираните PV системи бележи устойчив ръст на глобално ниво. Прогнозите сочат средногодишен темп на растеж (CAGR) от приблизително 21,2% за периода от 2024 до 2030г. Основните фактори, стимулиращи този растеж, включват засилващите се нормативни изисквания за устойчиво строителство, стремежа към декарбонизация на сградния сектор, както и намаляване на производствените разходи, в резултат на технологичния напредък и мащабиране на производството. BIPV системите все повече започват са се разглеждат като ключов компонент при проектирането на сгради съгласно стандартите за почти нулево енергийно потребление (NZEB).

Регионалният анализ показва, че Европа остава водещ пазар в прилагането на BIPV технологии, благодарение на утвърдените политики за енергийна ефективност, стимулите за възобновяеми енергийни източници и активното насърчаване на архитектурни иновации. През последните години редица европейски проекти демонстрират как съвременната архитектура може успешно да съчетае естетическо въздействие, функционалност и устойчивост, чрез интегриране на иновативни фотоволтаични технологии.

Международното училище в Копенхаген (Copenhagen International School) представлява един от най-ярките примери за успешно внедряване на архитектурна PV система. Още в началния етап на проектиране е взето стратегическо решение фасадата на сградата да бъде изградена чрез иновативна фотоволтаична технология, като проектът е завършен през 2016г. Фасадната система обхваща площ от приблизително 6000м² и е изградена от специализирано зелено PV стъкло. Системата осигурява 700kW инсталирана мощност и произвежда приблизително 500000kWh годишно, покривайки около 50% от годишното потребление на електрическа енергия на учебното заведение.

Подобно решение е приложено и в офисния комплекс Solar Emerald в Източна Норвегия, където фотоволтаичното стъкло със зелен декоративен принт е интегрирано във фасадата и покрива на седеметажната сграда. Завършен през 2016г., комплексът осигурява работна среда за около 450 души и произвежда над 105000kWh електроенергия годишно. Въпреки че зеленият нюанс на панелите води до приблизително 17% намаление в енергийния добив, както и частично засенчване от съседни сгради, проектът представлява ярък пример за ефективно прилагане на BIPV решения в градска среда.

Модерната офис сграда Treurenberg разположена в центъра на Брюксел също демонстрира ефективното приложение на BIPV технологии. В сградната обвивка са интегрирани монокристални соларни модули както по фасадата, така и в покривната конструкция. Фотоволтаичната система обхваща обща площ от 667м², с инсталирана мощност от 122kW и годишно производство на електроенергия около 102MWh. Проектът включва пълно обновяване на парцела, при което старата сграда е съборена и на нейно място е изградена нова с площ 9800м². При проектирането са приложени съвременни енергийноефективни методи, сред които е и наклонът от 5° на покривните панели за оптимално усвояване на слънчевата енергия. Сградата е предвидена за около 750 души и се отдава под наем на институция на Европейския съюз, което подчертава нейното значение като пример за устойчиво офисно строителство в европейския контекст.

Като допълнителен пример може да се цитира лабораторната фасада на сграда R към института Fraunhofer ISE, изградена в рамките на проекта RDemo (2015-2016). По време на изпълнението са монтирани общо 70 BIPV модула, като 60 от тях са интегрирани директно в остъклената фасада на сградата. Системата е подложена на 12-месечно проследяване, при което е направена съпоставка между реално измерения енергиен добив и резултатите от симулации, извършени още на етапа на проектиране. Измереният годишен добив за цялата система възлиза на 5267kWh, докато симулираната стойност е 5446kWh, което представлява минимално отклонение от 3.4%. За постигане на висока точност е използвана измерена слънчева радиация в равнината на фасадата, регистрирана чрез аналогичен BIPV модул в режим на ток на късо съединение (Isc). Резултатите потвърждават, че при прецизно моделиране и измерване BIPV фасадите могат да постигнат висока степен на съответствие между изчисления и реална експлоатация, с отклонения под 5%.

Европейският проект BIPVBOOST е друг научен пример за иновации в областта на интегрираните фотоволтаични системи. Той се фокусира върху разработването на ново поколение високоефективни и естетически адаптирани BIPV технологии, които съчетават напреднали материали, като перовскитни и мултислойни слънчеви клетки, с иновативни производствени процеси. Създателите на проекта демонстрират технологични постижения, като прозрачни фотоволтаични стъкла с цифров печат, модулни „click&go“ субструктури за фасадна интеграция, както и автоматизирани производствени линии, които подпомагат стандартизацията и намаляват производствените разходи. Целта на BIPVBOOST е да оптимизира съотношението между енергийна ефективност, архитектурна интеграция и устойчивост, като същевременно създаде предпоставки за широкомащабно приложение на BIPV технологиите в строителния сектор.

На ниво европейска политика и теоретични изследвания, някои публикации прогнозират, че до 2030г. архитектурните PV системи биха могли да задоволят изцяло електропотреблението на сградите в ЕС, при условие че бъдат покрити около 78% от фасадите и покривите и 30% от остъклените площи. Основни предизвикателства остават свързани с икономическите, нормативните и културните бариери. Интегрираните фотоволтаични системи (BIPV) се утвърждават като ключова технология за реализиране на сгради с почти нулево или дори положително енергийно потребление. Последните технологични достижения - включително в областта на цветния печат, модулните конструкции и стандартизираните компоненти - значително подобряват тяхната естетика, достъпност и функционални характеристики. Предстои да се преодолеят икономическите и нормативни предизвикателства, но европейските проекти и научни инициативи до момента ясно показват, че BIPV са готови за масово приложение и ще имат ключова роля в устойчивото строителство през следващите години.