Фотоволтаиците като част от дограмата
Сградите са един от сериозните потребители на електроенергия, което е основателна причина да насочим вниманието си към промяна на тази ситуация и всички (потребители, инвеститори, строители и управляващи) да търсим решения за повишаване на енергийна им ефективност.
За последните две години у нас се разшири обхвата от възможности за прилагане на фотоволтаици. Един от успешните начини е посредством вградени в сградите фотоволтаици (BIPV) , от англ. език Building Integrated Photovoltaic . Наред с основната им функция да генерират ел. енергия от слънцето за лични нужди и с цел продажба, те създават и индивидуална архитектурна визия на всяка сграда.
Едно от предимствата на вградените фотоволтаични панели е широката гама от приложения за вграждане в конструкцията на покрива, фасадата или остъкляването на сградите. Освен източник на енергия те имат слънцезащитна и изолационна роля.
За съжаление, у нас все още са единици сградите, на чиито покриви има инсталирани предимно системи със слънчеви колектори за топла вода или частично фотоволтаични панели (наричани за краткост PV) с малки инсталирани мощности (Wp)! От една страна това е обяснимо, предвид промените и несигурността на финансовата и законовата рамка за генериране на енергия от ВЕИ, а от друга, държавата ни има конкретни задължения към новата енергийна политика на Европа и въвеждането на определен дял енергия от ВЕИ в новите или реконструираните сгради.
В момента се променя Директива 2002/91/EО за енергийните характеристики на сградите, каза по време на Шестия международен конгрес и изложба “Енергийна ефективност и възобновяеми енергийни източници”, Мартин Елсбергер, представител на Генерална дирекция „Енергетика и транспорт“ към Европейската Комисия. Промените са свързани с увеличаване до 70% на обхвата на действие, т.е всички новостроящи се сгради трябва да имат до 80% по-малка енергоемкост, независимо от размера им (досега беше само за сгради над 1000 кв. – бел. ред.).
И докато все още се изяснява тази финансово-нормативна рамка и промените в закона за ВЕИ, фирми и инвеститори насочват интересите си в посока интегрирани фонтоволтаични панели в сградната конструкция. Примера за слънчева архитектура, който даде Schuco, с реализирането на първата у нас сграда с интегрирани фотоволтаични панели в остъклена покривна конструкция, изпълнената от Алукьонигщал, следват вече и други фирми в бранша.
Българският производител на панели БГ Соларни панели ООД, който откри преди година завода си в Русе, от месеци работи по вграждането на фотоволтаични клетки в стъкла и производството на фотоволтаични модули, предназначени за стъклопакети и други видове остъкляване (покривни и фасадни конструкци, навеси, козирки, оранжерии и др.). За първи път фирмата представи мостри на тези продукти по време на Есения пловдивски панаир миналата година. И макар засега тези стъклени PV модули да имат пазар единствено извън България, производителят се надява скоро и българският потребител да усети предимствата на вградените PV модули.
Фотоволтаичните клетки, които фирмата използва като основа за PV панелите си, са на немската компания Sunways и Ginteh – Тайван. Те са с няколко размера – 4,5 и 6 инча (съотвено 100х100 125х125 и 156х156 мм), като стандартните цветове са черен (на монокристалните) и тъмносин (на поликристалните). Разбира се, новите технологии са немислими без възможността за цветово многообразие и свобода на дизайнерските решения. Неограничените възможности за дизайн тук са както по отношение на цвета на клетките, така и на технологичните варианти за създаване на различни по вид и големина отвори на така нар. полупрозрачни панели.
Освен стандартните черен и тъмносин цвят на клетките, клиентът може да избира измежду изумруден, сребърен, златист и бронзов фон.
За това какви са възможните технологии за вграждане на фотоволтаици в стъкло, разказва Велислав Павлов, управител на БГ Соларни панели ООД. За вграждане в стъкла се използват моно- и поликристални соларни клетки, като изцяло от желанието и целите на клиента зависи какви ще са те.Използват се както стандартни моно- или поликристални клетки, така и клетки с различен цвят или полупрозрачни. По-ефективни са черните (монокристални) и тъмносините (поликристални) клетки, а в по-малка степен – тези с различен цветен оттенък . Цветните клетки се получават в различни етапи на обработка им. Различната степен на осветеност (прозрачност) се определя от разстоянията между отделните клетки, което варира от 10 до 40 мм. Така се получава и осветеност от 10 до 50%, съответно ниска или по-висока степен на ефективност.
Ефективност на фотоволтаичната система
Ефективността на PV система се обуславя от ефективността на фотоволтаичната клетка, която превръща слънчевата светлина в електроенергия. Затова и големината на тока зависи от количеството светлина, което попада върху клетките. Ефективността на масово произвежданите клетки е около 16%. Клетките Sunways имат ефективност до 18,4 %, сочат данни на фирмата производител. Ефективността на цялата система по принцип намалява, поради загубите, които са средно около 25% (от неправилно разположение и наклон на системата, от засенчване, диоди, съединителна кутия, светлинни и други загуби). Интегрираните в разпределителната кутия байпас-диоди подпомагат производителността на клетките при частичното им засенчване.
Максималната мощност Wp, която една система може да постигне в рамките на своята ефективност, се постига при т.нар Стандартни тестови условия – интензивност на облъчване 1000 W/m², спектрално разпределение AM 1,5 g и температура на клетката 25°С.
Как става вграждането между стъклата
Нека да започнем с конструкцията на едни стандартен силициев PV модул. В общия случай той се състои от:
– алуминиева рамка, (в случай на прозоречна конструкция, профилът на дограмата играе роля на алуминиева рамка; ако е за фасада, стъклата се закрепват на конструкция);
– уплътнение, което предпазва кантовете;
– предно стъкло, предпазващо от атмосферни влияния и за механична защита;
– EVA (Етиленвинилацетилат), капсуловащ материал, който предпазва клетките;
– фолио за задната част ламиниран тедлар (PVF ), полиестер или стъкло;
Има различни начини за ламиниране на модулите, както и варианти за използване на изолиращо или нечупливо стъкло с различен дизайн.
Едно от изискванията при вграждането на фотоволтаични панели в стъклопакети е отстоянието от видимата част на профила до клетката да е 10 мм, така че когато слънцето е встрани от фасадата, сянката на профила да не попада върху клетките.
Процесът на производство на триплекс стъклата и този на вграждане на клетките в стъкла е подобен, но специфичен. Стъклата се ламинират с помощта на вакуум ламинатор, като слепващото фолио (EVA филм) се разтапя при висока температура и служи за предпазване на фотоволаичните клетки от атмосферни влияния.
В зависимост от предназначението си модулите се ламинират от едната или двете страни в триплекс, състоящ се от комбинация от две закалени стъкла. Обикновено се използва специално прозрачно стъкло с ниско съдържание на железен оксид.
Каленото стъкло с ниско съдържание на железен оксид има по-добър коефициент на пропускливост на слънчевата светлина (~92%), в сравнение с обикновеното стъкло (88–90%), с което се подобряват характеристиките на слънчевите колектори.
Модулите с прозрачен дизайн на Sunways (клетките са лазерно обработени) постигат 13 % ефективност.
При PV системите стъкло-стъкло, в края на стъклото се закрепят малки разпределителни кутии (10 мм), които отвеждат ел. ток от конекторите, преминаващи през цялата матрица на клетките. Системата включва и преобразувател, който конвертира правия ток от клетките в променлив. Разпределителните кутии свързват отделните панели и посредством кабели отвеждат ел. ток.
Приложение
Многобройни са възможностите за вграждане на фотоволтаични модули при остъкляване на сградите – дограма, оберлихт, окачени фасади, за оранжерии, навеси, балкони, стъклени парапети, вентилирани и невентилирани фасади, стъклени покриви, зимни градини и атриуми.
Освен като част от покрива, дограмата или фасадата на сградата, PV панелите могат да се вграждат самостоятелно като елемент в брюстунг зоната – непрозрачната зона пред бетонната плоча на всеки етаж (зоната между етажите). Там няма нужда от стъклопакет, а се използва единично стъкло, а вътрешната страна на PV модулите се ламинира с UV-устойчиво поливинилхлоридно фолио (PVF). Може да се използва напълно прозрачно или цветно фолио, в зависимост от това какво цели проектантът – осигуряване на плътна сянка или разпръскване на светлината.
В определени случаи вместо втори пласт стъкло се използва твърдо полимерно покритие. Модулите с това покритие не се препоръчват за вграждане във фасади, защото има вероятност от пречупване на светлината.
Добре е краищата на PV панелите да не са изложени на преки атмосферни влияния. Ако се използва като затворена фасадна конструкция няма проблем, но ако PV панелите са вградени в обшивката на сградата, в краищата на стъклото евентуално би могла да проникне влага.
Примери за BIPV решения:
– Спортен комплекс Paul-Horn-Arena, Тюбинген, Германия, с клетки Sunways
– Най-голямата видеостена в света, изградена за Олипиадата в Китай 2008 г., реализирана с подкрепата на немските компании Schuco, Sunways и китайската Suntech.
По принцип ефективността на един фотоволтаик зависи от много фактори, включително температурата на кристала, спектъра на светлината, ориентацията към слънцето, географското местоположение, където е инсталиран и т.н. Вложенията за една PV система не са малко, а периодът на възвръщане на разходите е средно 8-10 години.
Да дадем пример с един прозорец, чийто стъклопакет е с вградени поликристални силициеви PV клетки:
При размери 1 на 1,5 метра и почти максимална плътност на клетките, се произвежда ел. енергия с около 220 Wp мощност, а цената на стъклопакета е 660 евро. Това безспорно оскъпява остъкляването, сравнено с избора на специални стъкла със соларна защита – Stopsol, Energy, Sunergy и т.н., но ползите тук освен сигурност и слънцезащита е възможността за добиване на допълнителна енергия от слънцето.
Не винаги обаче цената е показател за ефективността, защото при PV стъклопакети с полупрозрачните клетки или различен дизайн и цвят цената е по-висока, за сметка на ефективността им.
И отново на преден план са дизайнерските и архитектурни решения, функционалността на продукта и възможностите на инвеститора да построи сграда съобразно законите на енергийната ефективност. Финансовият резултат е изместен от визуалните предпочитания и естетически виждания на клиента, което кореспондира с идеята за уникална фасада.
Опитът на фирма „БГ Соларни панели” в изграждането на стъкла за фасади не е отскоро. От една година тя започва производство на PV модули от триплекс стъкла с вградени моно- и поликристални клетки. Архитекти и проектанти проявяват интерес към тези продукти, но все още у нас няма реализирани обекти.
Няколко месеца са необходими за пренастройка на машините за постигане търсения ефект – вграждане на PV клетки МЕЖДУ 2 стъкла. Освен време са нужни и доста суровини. Производствената линия е специализирана изцяло са соларни модули и не би могло да се произведат с машини за стъклопакети.
Български специалисти съдействат за инсталирането на технологичните линии и настройките на машините, както и за постигане на оптимална производителност и ефективност на системите. Настоящият капацитет за стандартните PV модули е 17 MWp, а производителността на стъкла с вградени PV клетки достига 4 MW.
BIPV панелите са бъдещето на модерното строителство и това в повечето европейски страни се стимулира посредством законодателни и финансови механизми, като се цели излишната енергия да се купува от ютилити компаниите на преференциални цени. Проблемът у нас е все още високата цена на фотоволтаичните панели, което води до по-високите цени на изкупуване на енергията, произведена по този начин. Жилищните и търговските сгради се очаква да бъдат най-големите пазари за интегрирани фотоволтаични системи. От една страна това дава по-голяма свобода и възможности при проектирането на дадена сграда и едновременно с това, я доближава до концепцията за еко сграда. Не на последно място това е най-краткия път до устойчивото бъдеще на сградите и техните собственици.
