Покриви за соларни инсталации

През последните десетилетия слънчевите батерии навлязоха осезаемо в живота ни. Любопитно е, че първите разработки у нас са започнали още през 1975г., а първата система е монтирана през 1979г. Наричаме "слънчеви батерии" всички полупроводникови устройства, които преобразуват светлинната енергия в електрическа, но те са познати и под други наименования - слънчеви панели, фотоелементи, фотоволтаици, фотоволтаични преобразуватели. Във всички случаи става дума за цялостна система, а самите фотоволтаични панели са само най-външната, видима част.

И понеже светлинната енергия ни е дар от Слънцето, соларните системи са един от най-екологичните начини за получаване на електроенергия. Всяка соларна инсталация не само произвежда електричество, но и го преобразува, съхранява, управлява и прави достъпно за употреба. Това означава, че от PV-модулите до свързването на соларната система към електрическата инсталация - всичко е от значение. Тук ще разгледаме само един специфичен аспект измежду всички елементи, особености и тънкости, присъщи на фотоволтаичните системи - поставяне на панелите върху покривните повърхности.

Текст: списание Енергия

Нека пак да уточним, че фотоволтаичните модули, или т.н. слънчеви батерии, са изделия, в които е реализирана технологията за поглъщане и преобразуване на слънчевите лъчи в електричество. Именно начините на поставяне на тези изделия по покривите ще разгледаме сега. Няма да забравяме, че в отделни къщи и домове се използват слънчеви системи за топла вода, както и автономни, свързани с мрежата, или мрежови за собствена консумация и резервно захранване, фотоволтаични системи. Пак наричани "соларни панели" или "слънчеви колектори", изделията за произвеждане на топла вода се нагряват пряко от слънцето. По-натам ще говорим само за фотоволтаичните панели, които генерират електричeство (прав ток) от слънчева светлина.

Електричеството от тях може да се съхранява в специални батерии, да се консумира директно или да се продава на локалната електрическа компания. В бизнес-обектите фотоволтаичните системи са предимно мрежови, а ако дейността се извършва през деня, са и без батерии. Електроенергията, произведена от такава лична система, е по-евтина от предлаганата на пазара, и това води до повсеместното и бързо навлизане на технологията. Нещо повече - поставянето на слънчеви батерии се поощрява и от държавата.

Съгласно Решение на КЕВР от 2020г., валидно и за 2021г., енергията от фотоволтаични централи с обща инсталирана мощност до 30kW включително, за които се предвижда да бъдат изградени върху покривни и фасадни конструкции на присъединени към електроразпределителната мрежа сгради и върху недвижими имоти към тях в урбанизирани територии, се изкупува на преференциални тарифи. При мрежовите фотоволтаични системи до 30kWp (kWp - пикова мощност) е необходимо конструктивно становище и инвестиционен проект, част Електро - съгласно чл. 147, ал. 1, т. 14 и ал. 2 на ЗУТ; При мрежовите фотоволтаични системи над 30kWp се изготвя инвестиционен проект състоящ се от следните части: Електрическа, Конструктивна, Вертикална планировка, Геодезия, Архитектура, План за безопасност и здраве, Пожаробезопасност.

Избор на място за соларни панели върху покривната конструкция

Това е решение от особено значение, тъй като е пряко свързано с ефективността на цялостната фотоволтаична система. Като начало трябва да се избере повърхност, която е изцяло огрята от слънцето. Не бива да има засенчване от съседни сгради, огромни дървета, рекламни пана, антени и др. Идеално би било, ако такава осветена повърхност се окаже и ориентирана в посока юг, югоизток или югозапад.

Така ориентирани, панелите ще имат максимална ефективност, и системата ще произвежда най-голямо количество електроенергия. В нашата страна се срещат два типа покриви - плоски и скатни. Повечето хора смятат, че плоските покриви са за предпочитане, но и двата типа могат да бъдат използвани за монтаж на соларни панели. За предварителни разстановки на PV-модули се приема, че за всеки kW мощност на системата трябват около 10m² площ. По-надолу ще се спрем на особеностите при монтаж на соларни пана върху всеки един от двата типа покриви.

Няколко думи за предпроектните проучвания на покривната конструкция

Както уточнихме, качествената соларна система е съвкупност от елементи и функции, и за да работи безупречно, проучванията и проектирането са абсолютно задължителни. Що се отнася за конкретния случай - поставяне на паната върху покрив, в предпроектните проучвания е необходимо да се включи и строителен инженер-конструктор. Обикновено се срещат два случая - когато при самото проектиране на дадена сграда е заложено изискването на покрива ѝ да стъпват соларни панели и когато се иска панелите да бъдат монтирани върху съществуващи покриви.

Само в първия случай е възможно да се използват сградно интегрирани фотоволтаични системи (BIPV). Това означава, че фотоволтаици (PV) са включени в обвивката на сградата, при което изпълняват двойна функция – заместват конвенционалните строителни материали и генерират електричество. Самите фотоволтаични модули, които се разполагат на покрива в класическия, засега, втори случай, 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 конструкторът решава няколко задачи. Най-напред оглежда и обследва покривната площ, върху която се предвижда инсталиране на панелите от фотоволтаичната система. Тази площ се проучва задължително като част от цялостната конструктивна схема на покрива. Установяват се, по налична техническа документация или чрез пробни изследвания, якостните характеристики на материалите.

Следва изчисляване се напреженията и деформациите в конструктивните елементи, които ще бъдат натоварени допълнително от нови товари. 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. Този етап е обвързан с последната задача - когато се конструират носещите рамки за паната.

За да се извърши проверката за носимоспособност на покрива, инженерът трябва да има идея къде ще осъществи стъпването на рамките. Трета задача - евентуално усилване и/или укрепване на отделни конструктивни елементи, а в особени, редки случаи - и на цялата конструкция. Последната задача е изчисляването и конструирането на носещите рамки за соларните панели. Тази задача трябва да е била обмисляна като идея още при проверката на конструкцията.

Нужно ли е проектиране?

Соларната система е съвкупност от елементи и функции. За да работи безупречно, проучванията и проектирането са абсолютно задължителни. Когато се предвижда поставяне на паната върху покрив, в предпроектните проучвания е необходимо да се включи и строителен инженерконструктор. Обикновено се срещат два случая - когато при самото проектиране на дадена сграда е заложено изискването на покрива й да стъпват соларни панели и когато се иска панелите да бъдат монтирани върху съществуващи покриви.

Само в първия случай е възможно да се използват сградно интегрирани фотоволтаични системи (BIPV). Това означава, че фотоволтаици (PV) са включени в обвивката на сградата, при което изпълняват двойна функция – заместват конвенционалните строителни материали и генерират електричество. Фотоволтаичните модули, които се разполагат върху съществуващ покрив, 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 конструкторът решава няколко задачи. Най-напред обследва покривната площ, върху която се предвижда инсталиране на панелите от фотоволтаичната система. Тази площ се проучва като част от цялостната конструктивна схема на покрива. Следва изчисляване на напреженията и деформациите в конструктивните елементи, които ще бъдат натоварени допълнително от нови товари.

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 стъпването им върху покрива. Когато PV-инсталация ще се изгражда наземно, трябва да се вземат проби от почвата и да се определи натоварването, което може да бъде прилагано. Ако ще се използват изоставени терени от предприятия, задължително трябва да се издири подземния кадастър, за да не се допуснат инциденти с подземни комуникации.

Една важна забележка - при мрежовите фотоволтаични системи до 30kWp (kWp пикова мощност) е необходимо конструктивно становище и инвестиционен проект, част Електро съгласно чл. 147, ал. 1, т. 14 и ал. 2 на ЗУТ; При мрежовите фотоволтаични системи над 30kWp се изготвя инвестиционен проект състоящ се от следните части: Електрическа, Конструктивна, Вертикална планировка, Геодезия, Архитектура, План за безопасност и здраве, Пожаробезопасност. При проектирането се изясняват носещата конструкция и стъпването є, така че да е осигурена стабилност на цялата PV инсталация.

Особености при инсталиране върху стоманобетонни плоски покриви

Плоските покриви имат един голям плюс - те предлагат голяма площ, върху която модулите могат да се разположат по оптимален начин и да се постигне най-добър резултат. Самите панели се ориентират така, че повърхността им да е или успоредна на покривната повърхност, или под някакъв ъгъл, който обикновено е около 30˚. Ще отбележим, че има данни за оптимален наклон за всеки регион, съответстващ на максимално получената през годината слънчева радиация.

Специалистите, които проектират дадена фотоволтаична система, се съобразяват с наличната информация и задават необходимия наклон. Той определя впоследствие геометрията на носещите конструкции. Една такава примерна конструкция може да се опише съвсем условно като "триъгълна рамка", чиято равнина е перпендикулярна на покривната, и която носи хоризонталните носещи профили.

Самата рамка се състои от профил по наклона, хоризонтален профил и вертикален профил. Тази триъгълна рамка може да бъде допълнена с междинни елементи, така че да се получи равнинна конструкция тип "ферма", която осигурява пространствена неизменяемост в собствената си равнина, а извън нея това се постига с допълнителни укрепващи прътови елементи. Ако паната са с повърхност, успоредна на покривната, носещите рамки не са необходими и се използват само хоризонтални профили-водачи, които служат за закрепване на паната.

Тези профили се закрепват или към покривната плоча, или върху предварително поставени бетонни "траверси", подбрани по размер и брой така, че да осигурят конструкцията срещу евентуално повдигане при ветрово натоварване. Редно е да се обръща особено внимание при изчисляване на необходимите бройки (според размери, тегло и вятър) от бетонни затежняващи елементи, които ще се поставят в ъглите на полето, покрито със слънчеви колекторни панели.

Елементите на конструкциите, предназначени да носят соларни пана, най-често се изработват от алуминий, горещо поцинкована стомана или дори неръждаема стомана. Много особен момент е захващането на конструкциите към покривната плоча. Това може да стане по два начина - с поставяне на тежести или с използване на дюбели за закрепване към бетона. И в двата случая е необходимо да се отчете натоварването от вятър за района.

При непосредствено дюбелиране има опасност през нарушената хидроизолация да започне да се просмуква вода при дъжд или сняг. Едно примерно решение е поставяне на допълнителна хидроизолация, която да се загъне нагоре, за да осигури преграда на водата. Може да се използват и специални изделия, тип "шаси", които затежняват рамките, като се пълнят с чакъл, пясък или бетонни плочи. Недостатък на това решение е голямото собствено тегло на материалите, използвани за баласт. Задължителното осигуряване на въздушен слой зад панелите за въздухообмен не позволява модулите да се полагат непосредствено върху такива "шасита", и пак е необходима повдигаща конструкция.

Една дребна подробност, която обаче не е маловажна - всички "плоски" покриви имат някакъв минимален наклон. В случаите, когато се разчита, че носещите профили са осигурени срещу отлепване чрез някакви монолитни изделия без анкериране към покривната плоча, трябва да се огледа покритието на плочата и да се оцени коефициента на триене между затежняващото блокче и материалът, от който е изпълнен най-горния слой на покрива.

В противен случай има вероятност от приплъзване. Върху изпълнената носеща "скара" се монтират фотоволтаичните панели, според геометрията на захващане, дадена от производителя на панелите.  Ако са предвидени няколко редици панели, трябва внимателно да се определи разстоянието между тях, за да не се засенчват взаимно. За ориентир се приема разстояние, равно на около три пъти вертикалната проекция на наклонения панел.

За по-пълно използване на площите, като се елиминира засенчването, са разработени ново поколение PV-клетки. Те са разположени върху цялата околна повърхнина на цилиндрично тяло. Съставът на полупроводниковите клетки е подбран така, че цялата повърхност да е фоточувствителна и да "улавя" по-ефективно светлината, което е невъзможно при плоските колектори. Цилиндърът е затворен херметически. Цилиндричните панели се монтират хоризонтално върху носеща скара, на известно разстояние над покривната равнина, за да се охлаждат и да се използва най-пълноценно слънчевата светлина - и отразената, и дифузната.

За по-лесно обслужване се оформят групи така, че между тях да има технологично необходими разстояния за поддръжка. Между другото, цилиндричната форма има по-особено обтичане при ветрово натоварване, и в резултат цилиндричните модули могат да понесат много по-голямо натоварване от вятър.Има и един вариант, който не е широко разпространен - поставяне на модулите върху "вани" с баласт. Това е разновидност на варианта "шаси", който описахме по-горе. Разликата е, че ваната е от полиетилен, придадена ѝ е аеродинамична форма и наклон от 15˚, а от двете страни са оставени отвори за аерация. Използва се за единични стъпки на малки системи. Всичко, казано за затежняващите разработки, е валидно и за варианта "вана".

Особености при инсталиране върху скатни покриви

Скатните покриви най-често са покрити с керемиди. Тъй като има смисъл от соларна инсталация, само ако има незасенчен скат с подходящо изложение и достатъчна площ, то соларни инсталации върху такива покриви се използват предимно в домакинствата. И тук, както и при плоските покриви, трябва да се проследи дали върху слънчевия скат не се хвърля сянка през голяма част от деня от странични обекти - дървета, комини, дори планини.

За монтаж на панелите върху скатни покриви има разработени специални елементи, които свързват двата носещи успоредни профили към покривната конструкция по такъв начин, че покритието да не се нарушава. Тези профили могат да се поставят напречно или надлъжно, според приетата схема за монтаж на PV-модули, но на разстояние от покритието, за да се осигурява въздухообмен.

Самите панели се закрепват към носещите профили със специални клеми. Монтажните елементи и детайли се избират според покритието на покрива и според вида на носещата конструкция под него. Има номенклатура за покритие с керемиди, с ламарина, с битумни шиндли и др. Често обаче тези готови елементи за монтаж не могат да се използват, ако покривната конструкция или дори само покритието е извън стандарта.

Може керемидите да са с особени размери, може разстоянията между покривните ребра да са нестандартни - при всеки нестандартен покрив се налага индивидуален подход. Строителеният инженер ще конструира подходящата конфигурация от профили така, че да се осигури неизменяемост на скарата и стабилност при натоварвания от вятър и сняг.

Специално ще обърнем внимание, че начинът за закрепване на соларни пана върху покритие от профилирана ламарина или сандвич-панели е аналогичен с този върху керемиди. И тук има два носещи успоредни профила, които се закрепват към носещата конструкция с анкериране през ламарината, като се спазва правилото ламарината да се пробива във висока вълнà. Носещите профили винаги трябва да са корозоустойчиви.

Нови търсения

Вече има иновативни разработки, при които модулите са предназначени да заместят покритието, и се произвеждат не само с форма на керемиди, но и с възможността да заместят керемидите, като защитават подпокривното пространство от дъжд и сняг. Подобни разработки, 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.

Предназначените само за интегриране модули се произвеждат със специален херметизиран корпус, снабден с елементи за закрепване, и се поставят най-често на южен скат. При остъклени части от покрива фотоволтаичните клетки се вграждат в самите стъклопакети. Монтажът на такъв елемент по нищо не се различава от стандартен монтаж на стъклопакет върху покрив. Предлагат се и соларни елементи, интегрирани в битумна хидроизолационна система.

Подходящи са за новостроящи се сгради, защото изискват пластът топлоизолация под тях да бъде със завишена (над 85˚С) горна граница на работната температура. Интересни са соларните керемиди, които са със самопочистващо се при дъжд покритие, устойчиво на градушка и на преминаване на хора, когато се налага поддръжка на системата. Монтажът е лесен, като на битумни керемиди - механичен или газопламъчно полагане. Незначителното тегло позволява използване и върху съществуващи покриви с ограничена носимоспособност.

Може да се поставя върху повърхности с наклони от 5˚ до 60˚ и не изисква вентилиране. При концентриращите фотоволтаични пана принципът на превръщане на елънчевата енергия в електрическа е запазен, но е добавена оптична система, която фокусира светлината върху по-малка площ. Появиха се и нови видове антирефлексно покритие. Стандартните силициеви фотоволтаици абсорбират около 2/3 от попадналата върху тях светлина и отразяват останалата. С помощта на специално антирефлексно покритие може да се усвоят до 96% от светлината.

Перспективи

Последните години нараства броят на производствените сгради, върху чиито покриви се монтират соларни панели, за да могат предприятията не само да си произвеждат голяма част от необходимата им електроенергия, но същевременно да спомагат за енергийната ефективност и екология в глобален аспект. Покривните соларни инсталации имат значителни перспективи в бъдещето поради редица предимства, които предоставят за енергийната ефективност, околната среда и икономическата рентабилност.

Непрестанните технологичните подобрения правят соларните панели поефективни и икономични, като ги превръщат във все по-добро решение за домове и предприятия. Постоянно се изследват и прилагат нови материали и технологии за по-ефективни и икономични соларни системи. Това от своя страна улеснява монтажа върху различни повърхности и позволява да се намери подходящо конструктивно решение, с което всяка сграда да се превърне в слънчева електроцентрала С всички тези предимства, перспективите за покривните соларни инсталации са изключително положителни.

Има ли реализирани големи обекти у нас?

Нараства броят на производствените сгради, върху чиито покриви се монтират соларни панели, за да могат предприятията не само да си произвеждат голяма част от необходимата им електроенергия, но същевременно да спомагат за енергийната ефективност и екология в глобален аспект. Наскоро такава инвестиция направи Пирин-Текс ООД, производител на облекла в град Гоце Делчев. Времето за проектиране, получаване на разрешително за строеж и изграждането е било около осем месеца. Цялата дейност е била поверена на Глобал-Тест. Изградената фотоволтаична централа не само покрива голяма част от електропотреблението на производството, но и ентусиазира и други фирми в района да инвестират в зелена енергия.

В град Лясковец, върху покрив на складова база на фирма Грестокомерс, от Енерго-Про Енергийни услуги е изградена покривна електроцентрала. Модулната система е с обща площ 400m² и е монтирана върху алуминиева носеща конструкция. И в този случай е търсена независимост в производството на електроенергия за целите на бизнеса, а същевременно инсталацията е принос към по-чиста среда.

Ще добавим и град Севлиево, където фирма Виамат Бис вече разполага със собствена централа за производство на енергия от слънцето, изградена върху покрива на производствената сграда. По същия начин са се справили и от Модул АД в град Бяла. Може да се каже, че голяма част от предприятията с налични сгради с плоски покриви вече са предприели или обмислят да предприемат стъпки за изграждане на соларни централи върху покривите.

Големите площи, възможността да се поставят модулите така ориентирани, както е най-целесъобразно, да се подбират подходящи наклони - това са все фактори, които тласкат мисленето към усвояване на неизчерпаемата слънчева енергия. Списъкът може да бъде продължен с още много примери, защото данните за изградените соларни инсталации са красноречиви - към настоящия момент броят им надвишава 1850!

Снижаване цената на електричеството, добивано от слънцето, става чрез намаляване обема на скъпите полупроводникови материали, използвани в конвенционалните фотоволтаици. При непрестанното повишаване на ефективността на PV-модули възможността за разполагане на по-мощни клетки на по-малка площ нараства неимоверно. Това неминуемо води до намаляване на вложените средства и увеличаване на броя на новите проекти - и изпълнения!