Сградно-интегрирани фотоволтаични системи

Ефективната топлоизолация на стените и таваните е задължителна част от всеки строеж на нова сграда и всеки ремонт на стара. Но какво би станало, ако външната обвивка на постройката не само изолира топлината и студа, а също така и произвежда електричество? Тогава всеки квадратен метър от външността на сградата ще се използва много по-ефективно. Ще се спази и принципът възобновяемата енергия да се генерира в близост до мястото на потребление. Това се постига с новото поколение сградно-интегрирани фотоволтаични модули. 

Текст: списание Строители

Сградно-интегрираните фотоволтаични системи (Building-Integrated Photovoltaics или BIPV) представляват иновативно решение, което съчетава енергийната ефективност с модерната архитектура, превръщайки части от сградната обвивка в източници на чиста и възобновяема енергия. Тази технология включва интеграцията на фотоволтаични панели директно в структурните компоненти на сградата, като фасади, покриви, прозорци и огради, което позволява на сградите не само да консумират енергия по ефективен начин, но и да генерират своя собствена чиста електроенергия.

Този подход има множество предимства, включително намаляване на въглеродните емисии, намаляване на енергийните разходи и повишаване на естетическата стойност на сградите. BIPV системите предлагат уникална възможност за архитекти и строители да внедрят устойчиви практики в дизайна и функционалността на сградите, като същевременно спомагат за развитието на зелена инфраструктура в градската среда. От тази гледна точка, навлизането на сградно-интегрирани фотоволтаични системи може да се счита за едно от ключовите направления в прехода към чиста енергия.

Пазарните тенденции по света

Глобалният пазар на сградно-интегрирани фотоволтаици (BIPV) вече надхвърля двадест милиарда щатски долара и се очаква да нарасне до 54,8 милиарда щатски долара в годините до 2028г., по данни на IMARC Group. Това означава 19,65% ръст средно годишно, съгласно прогнозата на пазарния наблюдател. Сходни са очакванията и на други агенции, като Grand View Research например. Като сградно-интегрирани фотоволтаици се разглеждат всички са компоненти за генериране на слънчева енергия, интегрирани във фасадите, покривите и капандурите на сградите. Това означава те да са вградени още на етапа на проектиране, така че да са интегрална част от конструкцията.

BIPV панелите не само добиват електричество с нулеви емисии на място, близко до потреблението, но и придават естетически интересен облик на постройката. Един от най-големите проекти за BIPV е завършен в Китай, в провинция Хефей, където покривът на фабрика за производство на керамика е изграден изцяло от соларни панели. Системата се състои от 11 ската, с обща площ от 665 хиляди квадратни метра и капацитет 120MW. BIPV покривът ще захранва съоръжението със 100% възобновяема електроенергия. 

Условно може да се каже, че има 5 категории BIPV. Покривните продукти включват класически соларни панели, соларни керемиди, шингли, мембрани. Елементите за навеси включват фотоволтаични паркинг-покриви, гаражни надвеси и др. Вертикалните сградно-интегрирани фотоволтаици включват соларни облицовки, фасади, соларни стени. Към BIPV спадат и модерните стъклени фотоволтаични системи – стъкла, стъклопакети и прозорци, които могат да произвеждат ток от слънцето.  Технологичният прогрес прави възможно сградно-интегрираните продукти да се вписват добре в съвременните сградни обвивки. Според пазарните анализатори, Европа е един от най-големите пазари за BIPV поради нарастващата осведоменост и правителствените инициативи за насърчаване на възобновяемата енергия.

Разнообразие от технологични възможности

BIPV технологиите са ключов елемент в създаването на енергийно ефективни и самодостатъчни сгради, като предлагат разнообразие от приложения и естетически възможности, които се интегрират безпроблемно в архитектурата на сградите Една от основните характеристики на BIPV системите е тяхната способност да се сливат със строителната обвивка на сградите, като по този начин се избягва нуждата от отделни структури за монтиране на традиционните фотоволтаични панели.

Редица технологиите, намират приложение в BIPV. Традиционните и широко разпространени кристални силициеви панели предлагат висока ефективност и дълготрайност. В контекста на BIPV, те могат да бъдат интегрирани в покриви, фасади и дори прозорци, със специални прозрачни модули. Тънкослойни соларни панели, от друга страна, благодарение на своята гъвкавост и по-ниско тегло, предлагат уникални възможности за интеграция, като например във вид на соларни покривки, стъкла или облицовки. Те се произвеждат с различни фотоволтаични материали, включително кадмий-телурид (CdTe) и медно-индиум-галиев селенид (CIGS), което им позволява да се адаптират към специфичните естетически и функционални изисквания на сградите. Друга възможност предлагат новото поколение фотоволтаични технологии, свързани с органични фотоволтаични клетки (OPV). Те използват органични материали за преобразуване на слънчевата светлина в електричество. Своите гъвкавост, прозрачност и възможности за персонализация ги правят идеални за интеграция в стъклени фасади и други архитектурни елементи.

Цветни BIPV модули 

Цветните фотоволтаични модули се считат за идеални за фасадни приложения, тъй като са по-видими от фотоволтаичните покриви. Изследователите продължават да разработват и предлагат все по-нови технологии за оцветяване, като целта е нюансирането да има слабо въздействие върху ефективността на преобразуване на енергия и същевременно да позволява масово производство на относително ниска цена.

Например, наскоро изследователи от Шанхайския университет „Джао Тонг“ създадоха слънчеви панели, които придобиват цветни нюанси, като същевременно произвеждат енергия почти толкова ефективно, колкото традиционните фотоволтаици. Изследователите са приложили стратегия за оцветяване, базирана на фотонно стъкло, което е направено от тънък слой от диелектрични микроскопични сфери от цинков сулфид. За направата на модулите се използва бърз процес на нанасяне на специалното покритие. Фотонният стъклен слой може лесно да се отложи върху традиционен тип силициеви слънчеви клетки. Чрез различни размери на микросферите се постига създаването на слънчеви клетки с различни цветове, показващи ниска загуба на ефективност в сравнение с нормалните черни клетки. 

По-конкретно, цветните соларни клетки на шанхайските учени придобиват сини, зелени и лилави нюанси. Тонирането на фотоволтаиците намалява ефективността на генерирането на електроенергия от 22,6% на 21,5%. Освен това изследванията разкриват добри показатели по отношение на дългосрочната стабилност и издръжливост на висока влажност и топлина.  Неотдавна Институтът за слънчеви енергийни системи „Фраунхофер“ в Германия пък разработи процес, който позволява производството на слънчеви панели с хомогенни повърхности и ярки цветове, които да могат да бъдат интегрирани „почти невидимо“ върху фасади или покриви.

Изследователите базират техниката си на повърхностната структура на крилата на пеперудата Морфо - тропически американски вид пеперуда с ослепително ярки крила, обикновено в синята гама. Тези крила имат повърхностна структура с грапавини с дълбочина от порядъка на микрометър, благодарение на което отразява тесен диапазон от спектъра на слънчевата светлина. Учените са успели да приложат подобна повърхностна структура на гърба на покривното стъкло на соларни модули, използвайки вакуумен процес. Използването на релефна повърхност за постигането на оптически ефект на оцветяване е за предпочитане при производството на фотоволтаици, защото не се използват цветни пигменти, следователно слънчевите модули няма да загубят каквато и да е част от ефективността си. Впоследствие изследователите успяха да постигнат и други цветове чрез въпросната оптическа технология – наситено зелено или червено. 

Хубавото на технологията е, че освен за фотоволтаични панели тя може да се приложи и за термални слънчеви колектори. Почти по същото време и изследователи от Технологичния университет в Делфт в Холандия разработиха модел за прилагане на цветни оптични филтри към сградно-интегрирани соларни панели, за да подобрят визията на фотоволтаиците. Идеята на холандците е цветните филтри да се прилагат върху готови, вече налични в търговската мрежа фотоволтаични модули. Оптичните филтри са моделирани на база два диелектрични слоя – от силициев диоксид (SiO2) и силициев нитрид (SiNX). Така традиционните тъмносини или черни плоскости могат да грейнат в червено, турско синьо, зелено, бронзово. 

Нидерландска частна фирма пък се специализира в създаването на чисто бели BIPV панели за бели фасади. Търсенето на бели BIPV продукти нараства в цяла Европа, особено сред архитектите, казва фирмата. Разработката е наложена от глада на пазара - голямото търсене на бели фасадни панели от строителната индустрия. Компанията казва, че панелите са оцветени с керамично „мастило“.  Италианска фирма пък започна производството на цветни соларни панели в „кралски“ цветове – керемидено-червено, зелено, златисто и сиво. Подобен фотоволтаичен панел е с ефективност на преобразуване на енергия до 17,98%. В последната година изследователите експериментират с методи за тониране не само на класическите силициеви фотоволтаични клетки, но и с по-модерните перовскитни PV модули. 

BIPV фасадни облицовки и готови модули 

Докато някои учени работят по създаването на цветни фотоволтаици за красиви фасади, други търсят начин BIPV да станат лесни за вграждане. Учени от Сингапур изградиха многопластова „plug-and-play“ фотоволтаична „стена“, която може да бъде инсталирана в сградите без нужда от скелета. Това е „сандвич“ за външни стени, с всички необходими структурни елементи и с фотоволтаично покритие, който се монтира бързо и лесно. Модулът има лека стоманена конструкция със система за блокиране на въздуха и дъждовната вода при свързването на стената.

Панелът е проектиран така, че да може да се адаптира към всички видове сгради, както и да се интегрира с други строителни компоненти като прозорци и врати. Приложим е за високи жилищни фасади, при които значителна част от сградната обвивка се състои от непрозрачни стени. Изследователите описват изобретението си като „сглобяема, непрозрачна, многослойна BIPV стена“. Предимствата й не се изчерпват с възможността да генерира електричество. Тя намалява рисковете за безопасността по време на строеж, осигурява по-ниски разходи, съкращава времето за строителство.  За постигането на висока производителност е вграден силициев фотоволтаичен модул. Под него е създаден вентилирана въздушна кухина, така че излишната топлина от PV да може да се разсее възможно най-бързо. Строителният панел може да генерира 87,5kWh годишно на квадратен метър.

В Европа пък разработиха BIPV облицовка за монтиране върху сградни фасади. Системата за фасадни облицовки е разработена по проекта BIPVBOOST и е наречена ePIZ. Това следва да е многофункционален фасаден продукт, действащ като топло- и шумоизолация с интегрирано фотоволтаично покритие с естетичен вид. Облицовката може да се произвежда в различни формати, за да се адаптира към всяка фасада. Може да се използва както в нови, така и в стари сгради и има висока производителност, независимо дали се използва в съществуващи сгради, преустройства или реновации. След изпитанията е установено, че панелът показва добра устойчивост на вятър, удар и огън. В същото време PIZ е дишаща облицовка с отворени фуги, така че има добра паропропускливост. По същество това е е суха фасадна система и може да се монтира чрез алуминиева конструкция.  Доста по-многобройни са готовите панели с елементи на BIPV за изграждане на соларни навеси, паркинги и сенници. 

Интересен и показателен знак за бъдещето на BIPV е фактът, че един от най-големите производители на фасадни системи, френската компания Saint-Gobain, придоби в последните години дялове в един от големите европейски производители на сградно-интегрирани фотоволтаични модули – швейцарската Megasol. С своето изявление специалистът по фасадни решения подчерта, че „укрепва статуса си на доставчик на BIPV фасадни решения, който е един от най-бързо развиващите се сегменти във фасадното строителство.“

Динамични фасади със сменяеми елементи

Динамичните фасади със сменяеми фотоволтаични елементи представляват една от най-иновативните концепции в областта на сградното интегриране на фотоволтаични системи. Тези фасади комбинират архитектурни иновации с последните постижения в сферата на фотоволтаиците и автоматизацията, за да създадат сгради, които активно се адаптират и реагират на външната среда, особено на променливите условия на слънчевото облъчение през деня.

Динамичните фасади са способни да променят своята ориентация или конфигурация в отговор на променящите се климатични условия и ъглите на слънчевото облъчение през различните часове на деня и сезоните. Това позволява оптимизация на улавянето на слънчева светлина и ефективността на генериране на електроенергия. Чрез максимизиране на производството на соларна енергия и подобряване на термалния комфорт вътре в сградата, тези фасади допринасят за намаляване на общото енергийно потребление и зависимостта от външни енергийни източници. Включването на автоматизирани системи за контрол позволява на динамичните фасади да се адаптират автономно. Това може да включва използването на сензори, мотори и управляващ софтуер, които регулират позициите на фотоволтаичните елементи в реално време.

Органични фотоволтаични модули

Органичните фотоволтаични системи (OPV) представляват една от най-новите и иновативни технологии в областта на фотоволтаиците, която открива нови възможности за интеграция в архитектурата на сградите. Благодарение на своята гъвкавост, лекота и възможност за прозрачност, OPV системите предлагат уникални предимства за сградно интегрирани фотоволтаични приложения (BIPV).

Така например сгради могат да интегрират OPV панели във фасадите и прозорците си, където те действат не само като източник на енергия, но и като елементи, които контролират вътрешния климат и осветление. Такива решения могат да намалят нуждата от изкуствено осветление и климатизация, като по този начин спестяват енергия. Прозрачните OPV модули могат да бъдат особено ефективни за приложения на прозорци, като същевременно позволяват на светлината да преминава през тях.

Гъвкавостта на OPV модулите позволява и тяхната интеграция в покривни покрития, където могат да се съобразяват със специфичните форми и наклони на покривите. Това позволява на сградите да генерират енергия от покривните си площи, без да нарушават естетическия или функционален дизайн. Интегрирани в сенници и засенчващи структури OPV модулите могат да предпазват вътрешните пространства от пряка слънчева светлина, докато едновременно генерират електрическа енергия. Тези примери илюстрират гъвкавостта и разнообразието от приложения на органичните фотоволтаични системи в контекста на BIPV. Въпреки че OPV технологията все още се развива и се сблъсква с предизвикателства като по-ниската ефективност в сравнение с традиционните фотоволтаични системи и въпроси свързани с дълготрайността, тя предлага обещаващ път за интеграция на възобновяема енергия в архитектурата на сградите по начини, които преди са били невъзможни.

BIPV и архитектурата 

От гледна точка на архитектурата BIPV са предизвикателство. Соларните системи могат да бъдат напълно естетически и структурно интегрирани в сгради и други структури – и по този начин да да станат неразделна част от градската среда, превръщайки всяка бездействаща площ от фасадите и покривите в генератор на електроенергия. Според специалисти, сградно-интегрираните фотоволтаици като цяло представляват една от технологиите, които в близко бъдеще могат да окажат силно влияние върху имиджа на сградите и градовете, в които живеем. 

За момента вграждането на соларни системи във фасадите е е по-скоро подход, който прави изявление относно иновативния архитектурен и инженерен дизайн. Внедряването на фотоволтаици в градска среда обаче има своите предизвикателства, които произтичат от гъстата и разнообразна градска тъкан (ориентация, форми, масивност, височина на околните сгради, общо налично пространство), социалните аспекти (приемане на нов материал със специфично естетическо качество) и културните аспекти (използване на фотоволтаични системи в консервационни зони, т.е. зони със специален архитектурен или исторически статус, чийто характер и вид трябва да бъдат защитени и запазени).

От друга страна трябва да се вземат предвид не само техническите изисквания на фотоволтаиците, като влиянието на ориентацията, ослънчаването и засенчването, но и други подробности като възможностите за вентилация, натрупването на мръсотия и т.н., а също и характерните аспекти (в зависимост от конкретната използвана технология) като цветови ефекти, отражение.  Според специалистите, важно е да се има предвид, че архитектурното качество не трябва да се жертва в името на „насърчаване на разпространението на фотоволтаиката“. 

При проектиране с BIPV архитектите имат редица възможности как да интегрират съществуващите в момента фотоволтаични решения в дизайна на сградата. Основните възможности включват системи за засенчване, облицовки, окачени фасади, двойни фасади, приложение върху атриуми и сенници, както и прогресивни решения за остъкляване. Богати възможности обещават и новите усъвършенстваните фотоволтаици, предназначени за интеграция с по-традиционни строителни елементи, като например керемиди.

BIPV при реновиране и саниране на сгради

Използването на BIPV системи при саниране и реновиране на съществуващи сгради предлага изключителни възможности за подобряване на енергийната ефективност, естетиката и функционалността на сградите, като същевременно допринася за намаляване на въглеродните емисии. Разглеждането на BIPV в контекста на реновиране представлява стратегически подход за интегриране на устойчиви енергийни решения в урбанизираната среда, особено в градове с ограничено пространство за ново строителство.

Вграждането на BIPV системи при реновиране може значително да намали енергийните разходи за сградата, като я направи частично или напълно самодостатъчна от енергиен аспект. Това е особено ценно за стари сгради с ниска енергийна ефективност. В същото време така се подобрява и устойчивостта на сградите, като ги превръща в активни участници в генерирането на зелена енергия. Това допринася за намаляване на въглеродните емисии и подкрепя глобалните усилия за борба с климатичните промени. Като цяло BIPV системите могат да бъдат използвани не само за производство на енергия, но и за подобряване на термоизолационните свойства на сградата.

В процеса на реновирането сградно-интегрираните фотоволтаични системи предлагат множество възможности за естетическо обновяване. Съвременните BIPV решения се предлагат в разнообразие от цветове, форми и размери, което позволява тяхното естетично съчетаване със съществуващата архитектура, както и добавянето на нови визуални акценти.

Фотоволтаика в исторически сгради и селища 

Когато става дума за архитектура, доста противоречиви са инициативите за BIPV в исторически сгради и архитектурни обекти, например катедрали или селища, които са архитектурни резервати. Един показателен пример е европейски проект Pocityf за BIPV в осем исторически градчета в Европа, обхващащ Евора (Портигалия), Гранада (Испания), Целе (Словения), Бари (Италия), Янина (Гърция), Упест (Унгария) и Хвидовре (Дания). Някои от тези места са в Списъка на световното наследство на ЮНЕСКО и следователно се покриват от специални правила за защита и опазване. Проектът има за задача да демонстрира, че историческите градове също могат да се възползват от слънчевата енергия. Като част от проекта 46 партньорски организации разработват BIPV решения, които да се впишат в облика на историческите градчета. Всички технологии са проектирани така, че естетиката на града да не се променя.

Общо над 40 BIPV са разработени от партньорите така че да се вписват „невидимо“ вписват в съществуващите сгради и структури. Например, създадени са фотоволтаични керемиди, които изглеждат като класически теракотени керемиди за покриви, и монокристални силициеви клетки с непрозрачна цветна повърхност, която е непрозрачна само за човешкото око, но всъщност е пропусклива за слънчевите лъчи. 

Противоречието, което подобен проект доказва, е че макар технологиите за подобни специални BIPV да са осъществими, реализацията на подобни начинания е трудна и скъпа. Например, производството на специалните соларни керемиди все още се извършва в малък мащаб, което го прави много скъпи; жената на kW е 7 000 евро. Освен това някои от цветните фотоволтаични покрития имат доста ниска ефективност, което също поставя под въпрос рентабилността на подобно начинание. 

Предизвикателства

Цената на фотоволтаиците за интегриране в сградите остава едно от предизвикателствата за навлизането на BIPV в ежедневието. Този проблем е до голяма степен решен при сградно-интегрираните системи, които използват „традиционни“ соларни панели. Цветните покрития и нестандартните размери обаче изискват по-специфични производствени техники, което няма как да повлияе на крайната цена.  Неизменно на дневен ред стоят и въпросите за надеждността, дълготрайността и безопасността. От гледна точка на жизнен цикъл за сградите може да се приеме, че животът им е около 100 години, но срокът на фотоволтаичните клетки е доста по-кратък – около 25 години. Това е доста голямо разминаване. 

Липсата на стандарти и съответни изисквания е друг аспект от развитието на пазара – фактор, който поражда повече въздържаност у инвеститорите. Появата на единни стандарти за BIPV индустрията би катализирала навлизането на сградно-интегрираните фотоволтаици. Като следствие от това ще са нужни и стандартизирани протоколи за оценяване на ползите, на енергийните добиви и на спестяванията.  Една важна стъпка в тази посока е, че от края на 2022г. германският сертифициращ орган TÜV Rheinland разработи нови насоки за тестване за сертифициране на BIPV модули. Очаква се новите насоки да донесат по-голяма прозрачност на пазара на сградно-интегрирани фотоволтаици.

Друга стъпка напред е фактът, че Програмата за фотоволтаични енергийни системи при Международната агенция по енергетика (IEA-PVPS) вече работи по събирането на разработки от различни части на света и превръщането им в ясен набор от стандарти. Като част от проекта се работи и върху уеднаквяване на терминологията. Стандартите би трябвало ясно да дефинират функциите на различните продукти по отношение на ролята им на строителни материали и генератори на енергия. Този доклад разглежда три основни типа BIPV системи: покривни, фасадни и външни интегрирани устройства.

Постигането на консенсус относно BIPV и това, което ги прави различни от „конвенционалните“ фотоволтаични технологии за монтаж на покрива, е едно от предизвикателствата, с които нововъзникващата индустрия трябва да се пребори, за да премине от нишова технология към масово решение.  Дизайнът също остава предизвикателство. В крайна сметка в понятието „сградно-интегрирани фотоволтаици“ основният акцент са сградите, а не фотоволтаиците, подчертават пазарни анализатори. Истинският смисъл на понятието е фотоволтаиката да се направи „невидима“, тоест да бъде така ловко вплетена в облика на сградата, че да бъде част от нейната естетика и стил.