728
0,2
2016-09-20
BAPV И BIPV солнечные панели: в чём разница?
Основной функцией фотоэлектрических модулей (или иначе, PV — модулей) является преобразование солнечного света в электрический ток. На выходе фотоэлектрического модуля генерируется постоянный ток, который может использоваться как напрямую, так и накапливаться в аккумуляторных батареях для дальнейшего использования.
В 70-80-х годах ХХ столетия родилась идея превратить здания и городские постройки из потребителей энергии в энерговырабатывающие электростанции при помощи установки на них фотоэлектрических модулей или, проще говоря, солнечных батарей. Сейчас сложно сказать, кто первым предложил эту идею, но, пожалуй, самую большую роль в ее популяризации сыграл швейцарский инженер Маркус Реал (Markus G. Real ). В 1986 году он взялся за амбициозный проект установки 1 МВт солнечных батарей. Обзвонив 333 цюрихских домовладельца, он уговорил их установить солнечные панели на крышах своих домов. Так родилась идея децентрализованной генерации и накопления электроэнергии, т.е., фактически, то, что сейчас принято называть «умной сетью электроснабжения» (Smart Grid).
Практически одновременно возникла необходимость проработки различных вариантов интеграции фотоэлектрических модулей в конструкцию здания, так как дискуссии о нарушении эстетики и архитектурной целостности зданий стали новым препятствием на пути популяризацией этой идеи.
Так, наряду с обычной установкой фотоэлектрических модулей с целью получения электроэнергии, родились два новых понятия в архитектуре, описывающих два основных подхода в интеграции солнечных панелей в конструкцию зданий:
BAPV (Building Applied Photovoltaics) — добавление фотоэлектрических модулей поверх ограждающих конструкций здания (фасада или кровли)
BIPV (Building Integrated Photovoltaics) — замена части (или полностью) ограждающих конструкций здания специально созданными для данного проекта фотоэлектрическими модулями.
Интересно отметить, что, кроме приведенной выше расшифровки аббревиатуры BAPV, в литературе встречаются другие варианты:
«bilding addobed photovoltaics» — «адаптированные к зданию фотоэлектрические модули»
«building attached photovoltaics» – «прикрепленные к зданию фотоэлектрические модули»,
что, к счастью, не меняет ни саму аббревиатуру, ни её смысл. Вообще, путаница и неопределенность терминов в литературе по интегрированным фотоэлектрическим модулям в настоящее время является достаточно распространенным явлением. Можно сказать, что устойчивая терминология пока еще не сложилась в этом, только зарождающемся, разделе архитектуры. В русскоязычной литературе терминология и вовсе не систематизирована по причине практического её отсутствия по данной тематике.
Взявшись за написание данной статьи, автор преследовал, в том числе, цель внести некую ясность в терминологию. Обобщая вышесказанное можно заключить, что фотоэлектрические модули могут быть просто установлены на внешней оболочке здания (см. Рисунок 1), или же могут быть интегрированы в ее архитектурную концепцию (Рисунок 2).
Интеграция фотоэлектрических модулей может быть достигнута двумя разными способами— BAPV и BIPV. В данной статье мы будем рассматривать только интегрированные в архитектуру здания фотоэлектрические модули.
Рисунок 1: Солнечные панели установленные на кровле здания, но не интегрированные в ее архитектуру (BAPV)
Рисунок 2: Фотоэлектрические модули органично интегрированные в архитектуру здания (BIPV)
Как правило, в случае монтажа фотоэлектрических модулей поверх существующей кровли (Рисунок 1), применяются стандартные модули с соответствующими креплениями, в то время как в случае интеграции, к панелям и креплениям могут предъявляться определенные дизайнерские и технические ограничения. Разработка различного вида креплений для интеграции солнечных панелей стала отдельной производственной отраслью и с каждым годом производители предлагают нам всё новые и новые системы креплений для различных типов фасадов и кровли.
К BAPV модулям обычно не предъявляют никаких специальных требований кроме эстетической привлекательности, т. к. они не несут никаких дополнительных функций, и главной их задачей является эффективное преобразование солнечной энергии в электрическую. В случае же BIPV, фотоэлектрические модули заменяют собой часть внешней оболочки здания и должны обладать всеми функциями заменяемой конструкции. Тем самым, очевидно, что BIPV модули должны удовлетворять гораздо большему числу требований.
В настоящее время Европейский комитет по электротехнической стандартизации (CENELEC), отвечающий за европейские стандарты в области электротехники, запустил проект разработки единого стандарта для фотоэлектрических модулей BIPV и BAPV (prEN 50583 Photovoltaics in buildings). Отсутствие этого стандарта сейчас является одной из сдерживающих причин для развития отрасли BIPV, так как в настоящее время все BIPV модули проверяются на соответствие одновременно нескольким стандартам. Другой сдерживающей причиной, конечно же, являются несколько более высокие цены на BIPV — модули по сравнению с обычными фотоэлектрическими модулями.
Фактически, две эти причины привели к банкротству целого ряда BIPV — ориентированных производителей фотоэлектрических модулей. Вместе с их банкротством с рынка исчезли некоторые из разработанных ими разновидностей фотоэлектрических модулей. Например, в настоящее время практически не производятся гибкие тонкопленочные модули, на которые возлагались большие надежды в плане их использования в архитектурных проектах с использованием фотовольтаики.
Активное участие в разработке европейского стандарта prEN50583 принимает исследовательская группа Task 41 Solar Energy&Architecture из «Международного энергетического агентства по солнечному отоплению и кондиционированию» IEA SHC (International Energy Agency Solar Heating and Cooling Programme). Группа Task 41 предложила следующие категорий интеграции фотоэлектрических модулей в архитектуре (как BIPV так и BAPV):
1. добавление фотоэлектрических модулей;
2. добавление модулей с двойной функцией;
3. отдельно стоящая конструкция;
4. часть поверхности ограждающей конструкции;
5. полностью фасад здания;
6. форма здания, оптимизированная для максимального сбора солнечной энергии;
7. другие (отличные от 1-6).
Как мы уже отмечали, в случае BAPV фотоэлектрические модули, как правило, рассматриваются в качестве дополнительных устройств, добавленных к оболочке здания, даже если они органично вписаны в архитектурную концепцию. В случае же BIPV, фотоэлектрические модули являются и компонентами строительных материалов, и неотъемлемой частью конструкции здания, и, одновременно, частью общего архитектурного образа здания. Некоторые уже реализованные проекты с использованием BIPV модулей по праву считаются инновационными. Другими словами, BIPV — это инновационная отрасль строительной индустрии и она требует совместного творческого труда архитекторов, проектировщиков, конструкторов, инженеров и производителей фотоэлектрических модулей.
Результатом такого сотрудничества должно стать не только обеспечение оптимального сбора солнечной энергии, но и достижение необходимых физико-технических характеристик ограждающих конструкций с внедренными фотоэлектрическими модулями: теплопроводности, шумоизоляции, гидроизоляции, механической прочности и т.д.
Для внедрения в оболочку здания фотоэлектрических модулей исследовательская группа Task 41 предложила следующие технологические категории, представленные на Рисунке 4.
Рисунок 4: Категории интегрированных модулей BAPV, BIPV. A — скатная кровля, B — плоская кровля, C — световой люк (фонарь), D — фасадная облицовка, E — фасадное остекление, F — внешние устройства.
Солнечные модули отличаются от традиционных материалов своей основной функцией — они производят электричество. Поэтому разумнее изначально предусмотреть их расположение в концепции дизайна здания, учитывая все особенности солнечного освещения, диктуемые географической широтой местности, близостью соседствующих строений, особенностью рельефа и пр. То есть, включая в проект здания интегрированные солнечные модули, необходимо не только лаконично вписать их в фасадные или кровельные решения, но и обязательно учесть расположение и ориентацию модулей по отношению к солнцу. Любой удачный проект является результатом компромисса между двумя этими подходами.
Количество падающей на поверхность здания солнечной радиации зависит от ориентации этой поверхности и от географической широты местности. Оптимальным является угол наклона к горизонту близкий к географической широте и направленный чётко на юг, например для Москвы 38° к горизонту. Небольшие отклонения от этого оптимального угла наклона и направления приводят лишь к небольшим потерям в выработке. Скажем, для географической широты Москвы оптимальным можно считать угол наклона в пределах от 25° до 45°. Если принять данный оптимальный угол и направление за 100%, то выработка от остальных поверхностей здания выглядит как показано на Рисунке 5.
Рисунок 5: Выработка электроэнергии в зависимости от ориентации поверхности
Разновидности фотоэлектрических модулей
Фотоэлектрические модули отличаются друг от друга по составу и технологии производства, что непосредственно влияет на их дизайн и, в конечном итоге, на архитектуру здания. Подавляющее большинство выпускаемых ныне солнечных модулей основаны на кремнии. Это обусловлено тем, что кремний является довольно распространенным в природе химическим элементом.
Принцип работы фотоэлектрических модулей не является предметом рассмотрения в данной статье, но знание их разновидностей и отличительных особенностей просто необходимо для архитекторов и проектировщиков. Ниже (см. Рисунок 6), схематически показаны основные разновидности современных фотоэлектрических модулей, разделенных по их химическому составу. Здесь мы дадим краткое описание внешнего вида этих модулей оставляя в стороне характеристики остальные физические характеристики, так как именно внешний вид панелей важен для их удачной интеграции в архитектуру здания.
Рисунок 6: Схематическое изображение разновидностей солнечных модулей.
Монокристаллические и поликристаллические панели состоят из ячеек. Монокристаллические ячейки, как правило, имеют форму «выпуклого» квадрата (см. Рисунок 7). Это связано с тем, что ячейки вырезаются из монокристалла цилиндрической формы. Поликристаллические же ячейки имеют форму прямоугольника или квадрата, т. к. их вырезают из «менее чистого» кристалла, имеющего форму параллелепипеда.
Рисунок 7: Монокристаллическая ячейка.
Рисунок 7: Поликристаллическая ячейка.
Оба вида ячеек могут иметь поверхность разных оттенков, а поликристаллические ещё и не только однородную структуру, но и структуру в виде морозных узоров (Рисунок 8).
Рисунок 8: Монокристаллические (слева)и поликристаллические (справа) BIPV — ячейки. Поликристаллические ячейки могут иметь структуру в виде морозных узоров
Тонкопленочные солнечные панели на основе аморфного кремния a-Si, CIGS (cuprum-irridium-galium-selenide) или CaTe (cadmium-teluride), имеют однородную структуру по всей поверхности модуля и являются результатом совершенно иной технологии производства. Они также представляют большой интерес с архитектурной точки зрения, предоставляя архитектору богатые возможности для дизайна, отличаются по фактуре, текстуре, цвету и степени прозрачности и отлично подходят для фасадных решений.
Наружный слой интегрированных фотоэлектрических модулей, выполняет также функцию отделочного материала для внешней оболочки здания, поэтому производители стремятся создать привлекательный с эстетической точки зрения дизайн внешней поверхности модулей, разрабатывая новые технологии производства (Рисунок 9).
Рисунок 9. На этих фотографиях приведены инновационные солнечные модули с задним расположением контактов и с оригинальными узорами на внешней поверхности
Внешне привлекательным качеством солнечных модулей является также то обстоятельство, что солнечные панели отражают окружающую среду, как зеркальное стекло. Отражения бывают с разными эффектами: искаженными на матовой поверхности или четкими на глянцевой поверхности. В некоторых случаях отражения могут быть нечеткими или малозаметными. Все эти условия могут быть включены в архитектурную концепцию.
Для светопрозрачных фасадов и атриумов подходят полупрозрачные PV модули. Они могут быть как кристаллическими, так и тонкопленочными. Кристаллические полупрозрачные модули представляют собой два прозрачных стеклянных слоя, между которыми с некоторыми промежутками помещены фотоэлектрические кремниевые ячейки (см. Рисунок 10).
Прозрачность таких модулей определяется шириной промежутков между ячейками. Тонкопленочные же модули однородны по всей площади с разной степенью прозрачности.
Такой вид остекления используется для затенения внутреннего пространства. Бесспорным мировым лидером в производстве светопрозрачных фотоэлектрических стекол является испанская компания Onyx Solar.
Рисунок 10: Светопрозрачная солнечная панель на основе кристаллических ячеек
Рисунок 10: Вариант светопрозрачной панели произведенный по тонкопленочной технологии. опубликовано
P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © Присоединяйтесь к нам в Facebook , ВКонтакте, Одноклассниках
Источник: green-city.su/bapv-i-bipv-solnechnye-paneli-v-chyom-raznica/
В 70-80-х годах ХХ столетия родилась идея превратить здания и городские постройки из потребителей энергии в энерговырабатывающие электростанции при помощи установки на них фотоэлектрических модулей или, проще говоря, солнечных батарей. Сейчас сложно сказать, кто первым предложил эту идею, но, пожалуй, самую большую роль в ее популяризации сыграл швейцарский инженер Маркус Реал (Markus G. Real ). В 1986 году он взялся за амбициозный проект установки 1 МВт солнечных батарей. Обзвонив 333 цюрихских домовладельца, он уговорил их установить солнечные панели на крышах своих домов. Так родилась идея децентрализованной генерации и накопления электроэнергии, т.е., фактически, то, что сейчас принято называть «умной сетью электроснабжения» (Smart Grid).
Практически одновременно возникла необходимость проработки различных вариантов интеграции фотоэлектрических модулей в конструкцию здания, так как дискуссии о нарушении эстетики и архитектурной целостности зданий стали новым препятствием на пути популяризацией этой идеи.
Так, наряду с обычной установкой фотоэлектрических модулей с целью получения электроэнергии, родились два новых понятия в архитектуре, описывающих два основных подхода в интеграции солнечных панелей в конструкцию зданий:
BAPV (Building Applied Photovoltaics) — добавление фотоэлектрических модулей поверх ограждающих конструкций здания (фасада или кровли)
BIPV (Building Integrated Photovoltaics) — замена части (или полностью) ограждающих конструкций здания специально созданными для данного проекта фотоэлектрическими модулями.
Интересно отметить, что, кроме приведенной выше расшифровки аббревиатуры BAPV, в литературе встречаются другие варианты:
«bilding addobed photovoltaics» — «адаптированные к зданию фотоэлектрические модули»
«building attached photovoltaics» – «прикрепленные к зданию фотоэлектрические модули»,
что, к счастью, не меняет ни саму аббревиатуру, ни её смысл. Вообще, путаница и неопределенность терминов в литературе по интегрированным фотоэлектрическим модулям в настоящее время является достаточно распространенным явлением. Можно сказать, что устойчивая терминология пока еще не сложилась в этом, только зарождающемся, разделе архитектуры. В русскоязычной литературе терминология и вовсе не систематизирована по причине практического её отсутствия по данной тематике.
Взявшись за написание данной статьи, автор преследовал, в том числе, цель внести некую ясность в терминологию. Обобщая вышесказанное можно заключить, что фотоэлектрические модули могут быть просто установлены на внешней оболочке здания (см. Рисунок 1), или же могут быть интегрированы в ее архитектурную концепцию (Рисунок 2).
Интеграция фотоэлектрических модулей может быть достигнута двумя разными способами— BAPV и BIPV. В данной статье мы будем рассматривать только интегрированные в архитектуру здания фотоэлектрические модули.
Рисунок 1: Солнечные панели установленные на кровле здания, но не интегрированные в ее архитектуру (BAPV)
Рисунок 2: Фотоэлектрические модули органично интегрированные в архитектуру здания (BIPV)
Как правило, в случае монтажа фотоэлектрических модулей поверх существующей кровли (Рисунок 1), применяются стандартные модули с соответствующими креплениями, в то время как в случае интеграции, к панелям и креплениям могут предъявляться определенные дизайнерские и технические ограничения. Разработка различного вида креплений для интеграции солнечных панелей стала отдельной производственной отраслью и с каждым годом производители предлагают нам всё новые и новые системы креплений для различных типов фасадов и кровли.
К BAPV модулям обычно не предъявляют никаких специальных требований кроме эстетической привлекательности, т. к. они не несут никаких дополнительных функций, и главной их задачей является эффективное преобразование солнечной энергии в электрическую. В случае же BIPV, фотоэлектрические модули заменяют собой часть внешней оболочки здания и должны обладать всеми функциями заменяемой конструкции. Тем самым, очевидно, что BIPV модули должны удовлетворять гораздо большему числу требований.
В настоящее время Европейский комитет по электротехнической стандартизации (CENELEC), отвечающий за европейские стандарты в области электротехники, запустил проект разработки единого стандарта для фотоэлектрических модулей BIPV и BAPV (prEN 50583 Photovoltaics in buildings). Отсутствие этого стандарта сейчас является одной из сдерживающих причин для развития отрасли BIPV, так как в настоящее время все BIPV модули проверяются на соответствие одновременно нескольким стандартам. Другой сдерживающей причиной, конечно же, являются несколько более высокие цены на BIPV — модули по сравнению с обычными фотоэлектрическими модулями.
Фактически, две эти причины привели к банкротству целого ряда BIPV — ориентированных производителей фотоэлектрических модулей. Вместе с их банкротством с рынка исчезли некоторые из разработанных ими разновидностей фотоэлектрических модулей. Например, в настоящее время практически не производятся гибкие тонкопленочные модули, на которые возлагались большие надежды в плане их использования в архитектурных проектах с использованием фотовольтаики.
Активное участие в разработке европейского стандарта prEN50583 принимает исследовательская группа Task 41 Solar Energy&Architecture из «Международного энергетического агентства по солнечному отоплению и кондиционированию» IEA SHC (International Energy Agency Solar Heating and Cooling Programme). Группа Task 41 предложила следующие категорий интеграции фотоэлектрических модулей в архитектуре (как BIPV так и BAPV):
1. добавление фотоэлектрических модулей;
2. добавление модулей с двойной функцией;
3. отдельно стоящая конструкция;
4. часть поверхности ограждающей конструкции;
5. полностью фасад здания;
6. форма здания, оптимизированная для максимального сбора солнечной энергии;
7. другие (отличные от 1-6).
Как мы уже отмечали, в случае BAPV фотоэлектрические модули, как правило, рассматриваются в качестве дополнительных устройств, добавленных к оболочке здания, даже если они органично вписаны в архитектурную концепцию. В случае же BIPV, фотоэлектрические модули являются и компонентами строительных материалов, и неотъемлемой частью конструкции здания, и, одновременно, частью общего архитектурного образа здания. Некоторые уже реализованные проекты с использованием BIPV модулей по праву считаются инновационными. Другими словами, BIPV — это инновационная отрасль строительной индустрии и она требует совместного творческого труда архитекторов, проектировщиков, конструкторов, инженеров и производителей фотоэлектрических модулей.
Результатом такого сотрудничества должно стать не только обеспечение оптимального сбора солнечной энергии, но и достижение необходимых физико-технических характеристик ограждающих конструкций с внедренными фотоэлектрическими модулями: теплопроводности, шумоизоляции, гидроизоляции, механической прочности и т.д.
Для внедрения в оболочку здания фотоэлектрических модулей исследовательская группа Task 41 предложила следующие технологические категории, представленные на Рисунке 4.
Рисунок 4: Категории интегрированных модулей BAPV, BIPV. A — скатная кровля, B — плоская кровля, C — световой люк (фонарь), D — фасадная облицовка, E — фасадное остекление, F — внешние устройства.
Солнечные модули отличаются от традиционных материалов своей основной функцией — они производят электричество. Поэтому разумнее изначально предусмотреть их расположение в концепции дизайна здания, учитывая все особенности солнечного освещения, диктуемые географической широтой местности, близостью соседствующих строений, особенностью рельефа и пр. То есть, включая в проект здания интегрированные солнечные модули, необходимо не только лаконично вписать их в фасадные или кровельные решения, но и обязательно учесть расположение и ориентацию модулей по отношению к солнцу. Любой удачный проект является результатом компромисса между двумя этими подходами.
Количество падающей на поверхность здания солнечной радиации зависит от ориентации этой поверхности и от географической широты местности. Оптимальным является угол наклона к горизонту близкий к географической широте и направленный чётко на юг, например для Москвы 38° к горизонту. Небольшие отклонения от этого оптимального угла наклона и направления приводят лишь к небольшим потерям в выработке. Скажем, для географической широты Москвы оптимальным можно считать угол наклона в пределах от 25° до 45°. Если принять данный оптимальный угол и направление за 100%, то выработка от остальных поверхностей здания выглядит как показано на Рисунке 5.
Рисунок 5: Выработка электроэнергии в зависимости от ориентации поверхности
Разновидности фотоэлектрических модулей
Фотоэлектрические модули отличаются друг от друга по составу и технологии производства, что непосредственно влияет на их дизайн и, в конечном итоге, на архитектуру здания. Подавляющее большинство выпускаемых ныне солнечных модулей основаны на кремнии. Это обусловлено тем, что кремний является довольно распространенным в природе химическим элементом.
Принцип работы фотоэлектрических модулей не является предметом рассмотрения в данной статье, но знание их разновидностей и отличительных особенностей просто необходимо для архитекторов и проектировщиков. Ниже (см. Рисунок 6), схематически показаны основные разновидности современных фотоэлектрических модулей, разделенных по их химическому составу. Здесь мы дадим краткое описание внешнего вида этих модулей оставляя в стороне характеристики остальные физические характеристики, так как именно внешний вид панелей важен для их удачной интеграции в архитектуру здания.
Рисунок 6: Схематическое изображение разновидностей солнечных модулей.
Монокристаллические и поликристаллические панели состоят из ячеек. Монокристаллические ячейки, как правило, имеют форму «выпуклого» квадрата (см. Рисунок 7). Это связано с тем, что ячейки вырезаются из монокристалла цилиндрической формы. Поликристаллические же ячейки имеют форму прямоугольника или квадрата, т. к. их вырезают из «менее чистого» кристалла, имеющего форму параллелепипеда.
Рисунок 7: Монокристаллическая ячейка.
Рисунок 7: Поликристаллическая ячейка.
Оба вида ячеек могут иметь поверхность разных оттенков, а поликристаллические ещё и не только однородную структуру, но и структуру в виде морозных узоров (Рисунок 8).
Рисунок 8: Монокристаллические (слева)и поликристаллические (справа) BIPV — ячейки. Поликристаллические ячейки могут иметь структуру в виде морозных узоров
Тонкопленочные солнечные панели на основе аморфного кремния a-Si, CIGS (cuprum-irridium-galium-selenide) или CaTe (cadmium-teluride), имеют однородную структуру по всей поверхности модуля и являются результатом совершенно иной технологии производства. Они также представляют большой интерес с архитектурной точки зрения, предоставляя архитектору богатые возможности для дизайна, отличаются по фактуре, текстуре, цвету и степени прозрачности и отлично подходят для фасадных решений.
Наружный слой интегрированных фотоэлектрических модулей, выполняет также функцию отделочного материала для внешней оболочки здания, поэтому производители стремятся создать привлекательный с эстетической точки зрения дизайн внешней поверхности модулей, разрабатывая новые технологии производства (Рисунок 9).
Рисунок 9. На этих фотографиях приведены инновационные солнечные модули с задним расположением контактов и с оригинальными узорами на внешней поверхности
Внешне привлекательным качеством солнечных модулей является также то обстоятельство, что солнечные панели отражают окружающую среду, как зеркальное стекло. Отражения бывают с разными эффектами: искаженными на матовой поверхности или четкими на глянцевой поверхности. В некоторых случаях отражения могут быть нечеткими или малозаметными. Все эти условия могут быть включены в архитектурную концепцию.
Для светопрозрачных фасадов и атриумов подходят полупрозрачные PV модули. Они могут быть как кристаллическими, так и тонкопленочными. Кристаллические полупрозрачные модули представляют собой два прозрачных стеклянных слоя, между которыми с некоторыми промежутками помещены фотоэлектрические кремниевые ячейки (см. Рисунок 10).
Прозрачность таких модулей определяется шириной промежутков между ячейками. Тонкопленочные же модули однородны по всей площади с разной степенью прозрачности.
Такой вид остекления используется для затенения внутреннего пространства. Бесспорным мировым лидером в производстве светопрозрачных фотоэлектрических стекол является испанская компания Onyx Solar.
Рисунок 10: Светопрозрачная солнечная панель на основе кристаллических ячеек
Рисунок 10: Вариант светопрозрачной панели произведенный по тонкопленочной технологии. опубликовано
P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © Присоединяйтесь к нам в Facebook , ВКонтакте, Одноклассниках
Источник: green-city.su/bapv-i-bipv-solnechnye-paneli-v-chyom-raznica/
