Текущий выпуск
№3 2016
Главная|Журнал|Зима 2013|Фотоэлектрические модули, интегрированные в ограждающие конструкции зданий
      

Фотоэлектрические модули, интегрированные в ограждающие конструкции зданий

Франческо Фронтини, Томас Фризен

Активное использование источников возобновляемой энергии способствует все более широкому применению солнечных элементов в облицовке здания.

Фотоэлектрические модули (PV), интегрированные в ограждающие конструкции здания, принимают на себя новые функций, не ограничиваясь лишь производством электроэнергии. Одновременно растут и становятся более жесткими требования, предъявляемые к этим системам. В настоящей статье проанализирован опыт, полученный в результате обширной практики и исследовательской деятельности, проведенной Швейцарским центром испытаний фотоэлектрических модулей с целью подготовки новых стандартов для систем и элементов, обеспечивающих преобразование солнечной энергии в электрическую, а также для всех элементов фотоэлектрической системы. Новый стандарт призван помочь и производителям, и архитекторам, и проектировщикам при использовании фотоэлектрических модулей, интегрированных в ограждающие конструкции зданий.


Фотоэлектрические модули предлагаются в виде плоских или гибких поверхностей с ячеистой или многослойной структурой. Их можно встраивать в любую часть оболочки здания, и благодаря своим характеристикам (размеры, гибкость, форма и внешний вид) они могут являться элементом дизайна. Фотоэлектрические модули используют с традиционными для архитектуры материалами – стеклом и металлом, – причем как в непрозрачном, так и в полупрозрачном варианте.

На сегодняшний день производственные компании в состоянии полностью обеспечить потребности строительной сферы в разнообразной нестандартной продукции.

Однако бóльшая часть фотоэлектрических модулей разрабатывается как исключительно вспомогательные элементы, призванные лишь производить энергию. Типоразмеры модулей оптимизируются для сбора энергии и облегчения процесса сборки, а вопросам их интеграции в архитектуру и конструкцию здания уделяется крайне мало внимания. По этой причине их монтаж и эксплуатация вызывают много вопросов. Основным источником проблемы является недостаточно высокая компетентность производителей фотоэлементов, связанная, как правило, с отсутствием соответствующих стандартов.

Фотоэлектрические модули должны разрабатываться в соответствии с определенными технологическими требованиями и вместе с тем должны совмещать в себе функции ограждающей конструкции (чтобы их можно было легко вмонтировать в кровлю, фасад, парапет и т. д.), быть надежными и безопасными. Встраиваемый модуль должен отвечать более высоким требованиям, нежели традиционный (с точки зрения теплового и механического сопротивления). Это крайне важно особенно в сегодняшних условиях, когда стандарты, регулирующие данный вопрос, отсутствуют. Цель нашей работы – помочь производителям и проектировщикам с проведением испытаний для изготовления новых прототипов модулей фотоэлектрических систем, которые было бы возможно интегрировать в ограждающие конструкции новых или существующих зданий.

Фотоэлектрические модули как часть ограждающей конструкции здания

Фотоэлектрические модули и установки являются автономными устройствами [1], изначальная функция которых заключается в преобразовании солнечной энергии в электрическую. По этой причине традиционные фотоэлектрические системы рассматриваются только как генераторы фотоэлектрической энергии. Мы при этом задумываемся об ограждающих конструкциях здания, о строительных материалах, которые призваны защищать внутреннюю среду от внешнего воздействия (защищать от погодных условий и обеспечивать безопасность), см. [5] (рис. 1).

Насущная проблема в сфере фотоэлектрических систем заключается в том, что, с одной стороны, рынок требует экономичных решений с использованием фотоэлектрических систем (стоимость модуля на ватт пиковой нагрузки), а с другой стороны, производители должны самостоятельно разрабатывать новое оборудование, затрачивая на это значительные суммы. Теоретически фотоэлектрические системы можно использовать на любом участке ограждающей конструкции здания, который подвергается воздействию прямых солнечных лучей. Обычно их размещают на кровле, фасадах и солнцезащитных козырьках. Для монтажа фото-электрических систем применяются три метода: добавление фотоэлектрических модулей, замена части ограждающих конструкций и интеграция модулей в ограждающие конструкции. При их использовании следует учитывать особенности ограждающих конструкций, архитектуру, а также энергетические характеристики здания. К примеру, модуль из полупрозрачного двустороннего стекла при использовании его на застекленном фасаде должен также выполнять функции изолирующего элемента с требуемыми характеристиками тепловой изоляции, регулирования инсоляции, защиты от бликов и т. д.

Добавленные и интегрированные фотоэлектрические модули

Существует два основных варианта применения фотоэлектрических элементов в здании:

  • добавление фотоэлектрического элемента поверх ограждающей конструкции здания (building added photovoltaics, BAPV);
  • замена частей ограждающих конструкций здания встраиваемыми фотоэлектрическими элементами (building integrated photovoltaics, BIPV).

Здание оперы, Осло (Норвегия); проект Snohetta. Общий вид снаружи и элемент полосы из двустороннего стекла, являющейся фотоэлектрическим модулем


Если говорить об элементах, монтируемых поверх ограждающих конструкций, BAPV, то обычно для этих целей применяют традиционные фотоэлектрические модули с соответствующими системами монтажа. BAPV-модули включают в себя широкий спектр фотоэлектрических элементов, устанавливаемых на фасаде здания, а также ряд традиционных фотоэлектрических систем для монтажа на кровле – обычно после завершения строительства. К фотоэлектрическим модулям обычно не выдвигаются специальные требования, поскольку они не несут каких-либо дополнительных функций для здания. Достаточно проведения лишь ряда испытаний IEC с небольшими корректировками.

При этом фотоэлектрические модули, призванные заменить традиционные элементы ограждающих конструкций здания, должны компенсировать все функции удаляемого элемента. Это означает, что модуль, встраиваемый в ограждающие конструкции, BIPV должен удовлетворять большему числу требований, чем стандартный фотоэлектрический модуль. Стандарты, регулирующие этот вопрос, в настоящее время отсутствуют. По этой причине система должна соответствовать нескольким нормативам: стандарту по электротехническим требованиям (см. Директиву по низковольтному оборудованию 2006/95/IEC или стандарты CENELEC), а также стандартам по строительным изделиям (см. Директиву ЕС по строительным изде-лиям CPD 89/106/EEC, например EN ISO 12543 [3]).

Размещение модуля поверх конструкции. Каждый модуль можно испытывать отдельно, т. к. их работа не связана друг с другом

 

Фотоэлектрическая установка, все элементы которой являются частью кровли здания (Ферма в Морисвиле, 3S)

Однако если соответствие стандартам IEC (например, см. [4]) гарантируется производителем фотоэлектрического модуля и указывается в его паспорте, то строительные требования до сих пор не включены в процедуру сертификации и маркировки модулей. Для единообразия стандартов CENELEC запустил проект «prEN 50XXX: Фотоэлектрические элементы зданий» (CLC/TC 82), который основан на работе Технического комитета по электротехнической стандартизации и целью которого является «подготовка европейских стандартов для систем и элементов преобразования солнечной энергии в электрическую, а также для всех составляющих единой фото-электрической системы» [2]. В проекте стандарта определено несколько категорий его применения, которые подразделяются в соответствии с обязательными требованиями Директивы ЕС по строительным изделиям: механическая прочность и надежность, пожаробезопасность, санитарно-гигиенические и экологические требования, безопасность эксплуатации, защита от шума, энергоэкономичность и теплозащита.

Для ликвидации этого пробела и помощи производителям фотоэлектрических систем в вопросе сертификации качества продукции Швейцарский центр испытаний фотоэлектрических модулей разрабатывает BIPV-методику, которая должна охватывать все законодательные требования ЕС. Прежде всего, интегрированные фотоэлектрические модули не должны рассматриваться как автономные элементы; они являются частью ограждающей конструкции здания (к примеру, черепица на кровле). Результаты проводимых испытаний должны убедить домо-владельцев в том, что встроенные в кровлю фотоэлектрические модули, например «солнечная черепица», восполняют функции ограждающей конструкции по механической прочности, пожарной безопасности и герметичности всей системы. Крайне важную роль играют также элементы крепежа, для которых тоже необходимо проводить специальные испытания.

Испытание на прочность «солнечной черепицы»

В стандарте IEC 61215 описан процесс испытания фотоэлектрических модулей, встраиваемых в кровлю здания (таких как «солнечная черепица»). Для этого под нагрузкой 2 400 Па (в соответствии со стандартом IEC) испытывался не только модуль, но также и системы крепежа, зажимных приспособлений и монтажных конструкций. Для проведения эксперимента вся конструкция была помещена в камеру для испытаний на нагрузку. На конструкции модуля, крепежных и зажимных приспособлениях было размещено до шести датчиков, фиксирующих отклонение по вертикали с погрешностью до 0,5 мм.

 

Пример испытания на прочность для модулей «солнечной черепицы»
Пример испытания на прочность для модулей «солнечной черепицы»


Результаты проведенного эксперимента (три цикла под давлением длительностью по 1 ч, а также 1 ч растяжения под нагрузкой 2 400 Па) изображены на рис. 2. На левом рис. 2 видно, что под давлением кровельная конструкция выдерживает нагрузку модуля и что отклонение по вертикали составляет около 10 мм. При сгибании растяжение модуля составило около 70 мм, что может привести к проблемам вытягивания фотоэлектрических модулей из крепежной системы либо повредить ячейки. На правом рис. 2 изображены испытания кровельной системы с возрастающей нагрузкой и последующим разрушением конструкции.

Испытания всей конструкции в реальных условиях указывают на слабые места оборудования и проблемы крепления модулей друг с другом и с ограждающей конструкцией.

Выводы

Встраиваемые фотоэлектрические модули (BIPV) являются электрическими установками, поэтому они должны соответствовать стандартам по электрическим системам. Кроме этого, поскольку данные модули являются в то же время элементом ограждающей конструкции здания, они должны соответствовать требованиям строительных стандартов. Стандарт prEN 50583 призван объединить существующие требования, а также ликвидировать пробелы в нормативной документации. Цель работы Швейцарского центра испытаний фотоэлектрических модулей – оказать поддержку проектировщикам, специалистам по монтажу и производителям в вопросах применяемой нормативной документации.

 

Авторы представили ряд испытаний, проведенных для «солнечной черепицы», но при этом новые испытания должны будут обеспечить дополнительную уверенность в продукции для того, чтобы предлагать ее массовому потребителю.

 

Об авторах

Франческо Фронтини – руководитель экспертно-консультационного центра по фотоэлектрическим системам BIPV, Университет прикладных
наук и искусств Южной Швейцарии (SUPSI).
francesco.frontini@supsi.ch
Томас Фризен – руководитель группы по фотоэлектрическим модулям, Швейцарский центр испытаний фотоэлектрических модулей, Университет прикладных наук и искусств Южной Швейцарии (SUPSI).

© EF Economic Forum. Перепечатано и переведено с разрешения правообладателя из сборника Solar Building Skins, Conference Proceedings of the 7th Energy Forum 06–07 December 2012, Bressanone, Italy.

Литература
1. AA.VV. Photovoltaics, Technology-Archi-tecture-Installation. – Edition Detail.
2. CLC/TC 82. Solar Photovoltaic Energy Systems.
3. EN ISO 12543–1 to 6. Glass in Building. Laminated Glass and Laminated Safety Glass.
4. IEC 61215. Crystalline Silicon Terres-trial Photovoltaic (PV) Modules. Design Qualification and Type Approval.
5. Jørgensen O. B., Kappel K. et al. (eds.). Website Presenting Collection of Case Studies of Buildings and Urban Areas. – IEA SHC Task 41. – Subtask C. – 2012.

 


Фотоэлектрические панелиОграждающие конструкции