Архитектурно интегриране на фотоволтаични модули при покриви с метал

Юлия Илиева, ВСУ „Л. Каравелов Обект на настоящата разработка са фотоволтаичните панели. Те са активни системи, които преобразуват абсорбираната слънчева енергия в електрическа. По този начин генерирането на ток е независимо от изкопаеми или ядрени горива и емисиите на въглероден диоксид са нулеви. Фотоволтаиците имат значителен принос за опазване на околната среда. Слънчевата енергия, наред с тази на вятъра, дъжда, приливите и геотермалната, се приема за практически неизтощима. Днес използването на този тип съоръжения осезаемо нараства. Това се дължи на ефективността и конкурентоспособността им и на нагласите на обществото за устойчиво развитие и използване на енергия от възобновяеми източници. Те имат голям потенциал за развитие. Успешно се интегрират в сградната обвивка, в това число и с покривите, които са добре ослънчени, предлагат стабилна основа за закрепване, достатъчна свободна площ и най-често са изолирани от публичен достъп. Засенчването при тях обикновено е по-малко в сравнение с това на нивото на терена. С цел ограничаване на обхвата на изследването в статията е разгледано единствено приложението им при металните покривни покривки. Въпросите, свързани с тяхната архитектурна интеграция, придобиват все по-голямо значение и актуалност. Кутова [1] набелязва два типа приобщаване според връзката с конструкцията на постройката. При първия интеграцията се осъществява върху елементи на зданието, а при втория – вместо елементи на сградната обвивка. Днес най-често използваните фотоволтаични технологии включват монокристални, поликристални и тънкослойни клетки. Стринговете от монокристален силиций се изработват от кристали, които се разрязват и нанасят на тънки пластини с дебелина 0,2-0,3 mm [2]. Клетките от поликристален силиций се получават от силициева стопилка. В следствие на охлаждане тя се втвърдява в поликристални структури. Кристалните модули изискват да бъдат вградени в рамка (най-често от алуминий). Те се защитават със закалено стъкло от лицевата им страна. Това води до оскъпяването на предлаганите модели. Тънкослойните клетки се получават чрез отлагане на ултратънък слой от аморфен силиций (a-Si), медно-индиев диселенид (CIS) или кадмиев телурит (CdTe) върху подложка от стъкло, алуминий, неръждаема стомана или пластмаса. При тях могат да се произвеждат и гъвкави модули. Тънко­слойните клетки са устойчиви на високи температури. Фотоволтаичните ламинати, в сравнение с предходните два типа, работят по-добре в облачно време, мъгли и при засенчване, улавяйки различни дължини на светлинните вълни [3]. Установено е, че за да се произведе пикова мощност от 1 kWp, са необходими 7-9 m2 за монокристалните клетки, 8-9 m2 за оликристалните клетки, 11-13 m2 за тънкослойните клетки от медно-индиев диселенид и 16-20 m2 за тънкослойните клетки от аморфен силиций [2]. От посочените данни се вижда, че с най-висока ефективност са монокристалните клетки. Повечето фотоволтаични модули имат 10 години гаранционен срок. Срещат се и такива с 20-25 години. Експлоатационният им период е над 30-40 години, който е съизмерим по продължителност с този на някои от металните покривни покривки (например стоманените ламарини със защитно метално антикорозионно покритие имат живот от 30 до 40 години, а при алуминиевите покривки той е 50-100 години). Собственото им тегло е минимално. В зависимост от вида на клетките и тяхното капсулиране то достига до 18-23 kg/m2. Основни типове архитектурна интеграция В зависимост от конструктивния принцип на закрепването на фотоволтаичните модули към основата за полагане са обособени пет групи. За всяка една от тях са избрани характерни представители. Първи тип са тези, които заемат мястото на елементи от металната покривна покривка. При този вид интеграция фотоволтаичните модули се вграждат в покрива. Те се разполагат на мястото на елементи от металната покривна покривка и поемат функциите, които тя изпълнява. С оглед на това при тяхната интеграция трябва да се отчетат всички конструктивни, функционални, архитек­турно-естетически, технологични, икономически и екологични изисквания към лицевия хидроизолационен слой на покрива. Предимство на тези системи е това, че електрическите компоненти и кабели са скрити и не са изложени на външни въздействия. Те директно се монтират към скарата от летви, предназначена за покривната покривка. Необходимостта от допълнителна субконструкция отпада. Разгледаните на фиг. 1 модули представляват моно- или поликристални клетки. Размерите им са 1783х1044х27 mm. Системата е подходяща за пок­риви с наклони между 10° и 60°. Втори тип са тези, които са фабрично „монтирани” към елементи на металната покривна покривка. При тях фотоволтаичните модули са фабрично съчетани с елементите на металната покривка. Те се произвеждат под формата на трислойни панели (фиг. 2 а, б), ламарини (фиг. 2 в, г, д) и метални керемиди. Те предлагат възможност размерите и формите им да се правят по заявка на клиента. Фотоволтаичните елементи представляват тънкослойни клетки от аморфен силиций (a-Si) или са на кристална основа. Те не се нуждаят от допълнителни монтажни конструкции. Модулите са в една равнина с външната повърхност и придават на сградата своеобразен експресивен характер. В съчетание с ламарини, фотоволтаичните елементи могат да се прилагат при наклон на покрива от 3° до 60°. Обикновено се произвеждат с широчина 394 (395) mm и дебелина 4 mm. Фирма Rheinzink [7] предлага съчетание между фотоволтаични модули и ламарини за хоризонтален монтаж посредством съединение от типа „Bermuda seam”. Системата е приложима при наклон между 10° и 75°. Кристалните силициеви клетки са с размери 125х125 mm, а размерът на целия фотоволтаичен модул е 2000x365 mm. При панелите препоръчителният минимален ъгъл на наклона е 5° (3° - при допълнително уплътнение). Трети тип са тези, които директно стъпват върху металната покривка. Те могат да се разполагат съответно вертикално или хоризонтално. Фиксират се към покрива чрез залепване. Най-често се използва силиконово лепило, което е с висока устойчивост на атмосферни условия и UV лъчи. Допълнителни монтажни конструкции не са необходими. Системата е подходяща за трапецовидно профилирани ламарини или панели (фиг. 3 а). Закрепването се извършва бързо и лесно. Фирма Solon [9] предлага модули с размери 1973 (1640)х1000х3,5 mm. Фотоволтаичните елементи представляват моно- или поликристални клетки. Те са капсулирани в анодизирана алуминиева рамка с цел да се осигури здравина на структурата и удобство при монтажа. В случаите, когато ламарините не са трапецовидно профилирани, се прилагат специални монтажни скоби (фиг. 3 б, в), които на принципа на „клик” връзката се хващат към ребрата на ламарините и осигуряват по-голяма контактна площ за връзка с фотоволтаичния панел. Четвърти тип са тези, които се монтират посредством метални профили или скари. Възможни са два начина на разположение на профилите. При първия вариант те са успоредни на наклона на покрива и стъпват между ребрата на ламарините (фиг. 4 а, б), а при втория се поставят перпендикулярно върху ребрата на ламарините (фиг. 4 г, д). Монтажните скари се използват в случаите, когато покривната основа не предлага подходящи места за закрепване или когато повърхността й е много неравна. Профилите й от двата реда са взаимно перпендикулярни (фиг. 4 в, е). Фиксирането й към покривната основа може да става на по-голямо разстояние, защото в този случай то не е обвързано с размера на модулите. Монтажът върху скара от профили е свързан с по-голям разход на материал. Фотоволтаичните модули могат да се разполагат вертикално или хоризонтално. Те се изграждат от монокристални, поликристални или тънкослойни клетки. Обикновено един модул се носи от два профила. Пети тип са тези, които се монтират посредством рамки. Това се прави с цел осигуряване на оптимален ъгъл на наклона и ориентация. Системата се прилага и в случаите, когато покривната основа не предлага подходящи места за закрепване. Фотоволтаичните технологии могат да представляват монокристални, поликристални или тънкослойни клетки. Рамките се прилагат в случаите на покриви с малък наклон. Анализ При интеграцията на фотоволтаичните модули архитектите разрешават въпроси от композиционен, конструктивен и функционален характер. Те трябва да осигурят хармонично вписване на соларните елементи в художествения образ на сградата. Модулите се подбират според техния вид, размери, форма, материали, цветове, текстури и електрически характеристики. Конвексни и конкавни форми могат да се изпълняват с гъвкавите фотоволтаични елементи на основата на аморфни силициеви (a-Si) клетки. Минималният допустим радиус на кривината е 13 m [4]. Конструктивните въп­роси засягат начина на закрепване на фотоволтаичните модули към основата за полагане. Соларните елементи създават допълнително натоварване от собственото си тегло. Температурното разширение на материалите може да създаде значителни напрежения в модулите и в покрива. Това трябва да се вземе под внимание особено за големи групи от елементи, монтирани върху стоманени или алуминиеви опорни конструкции. При разполагането им под определен ъгъл спрямо равнината на покрива ветровото натоварване, на което те са подложени, се усилва. Явлението се дължи на завихрянето в следствие на по-малката аеродинамичност на формата им. Архитектите също така съдействат за ефективното функциониране на соларната система и следят за въздействието, което тя оказва върху експлоатационните характеристики на покрива. Те активно участват в определянето на ориентацията и ъгъла на наклона на фотоволтаиците, разположението им, вероятността за неблагоприятно засенчване, подбора на съвместими материали и др. Препоръчва се ориентацията на модулите спрямо световните посоки да бъде на юг и производните югоизток или югозапад. Благоприятният диапазон на ъгъла на наклона за географската ширина на България е 45°±5°, като за оптимална стойност се смята 42°. При първите четири типа архитектурна интеграция, които са разгледани в статията, модулите следват наклона на покрива. При петата група е възможна вариация на ъгъла на позициониране спрямо хоризонталата и ориентацията на фотоволтаичните системи с цел осигуряване на оптимални експлоатационни параметри. Допустимите наклони, които фирмите задават за соларните елементи (при първа и втора група), се предопределят от вида на покривната покривка и наличието на допълнителни уплътнения. При закрепване на монтажните профили, скари и рамки се нарушава целостта на ламарините. Уплътняването на зоните на пробивите е от особено важно значение, за да се гарантират водоне­пропускливостта и дълготрайността на покрива. Фотоволтаичните модули, които са разположени непосредствено над повърхността на покривната покривка, създават предпоставки за задържането на боклук, влага и сняг и за развитието на микроорганизми и плесени в тези места. Във връзка с това следва да се отчетат проблемите, свързани с корозията на металите, и водонепропускливостта на съединенията между елементите на покривката. Заключение Архитектурното интегриране на фотоволтаичните модули при метални покриви може да стане по различни начини, всеки от които придава на сградата своеобразен съвременен образ. Соларните системи са подходящи както за ново строителство, така и при обновяване на разнообразни по типология съществуващи обекти. Начините на интеграция, техните предимства и недостатъци трябва да се оценяват от гледна точка на поставените изисквания към модулите и към сградата. Също така е необходимо да се проучи техническата документация, която производителят предоставя за всеки един продукт, и да се вземат под внимание дадените там препоръки – допустими наклони, натоварване и др. Детайлите на изпълнение, качеството на монтажните работи и поддръжката по време на експлоатационния период са ключови фактори за постигане на успешни резултати. ЛИТЕРАТУРА [1] Кутова Г. Архитек­турна интеграция на фотоволтаични елементи в сградите, сп. „The Building”, бр. 3/2008, 113-116 с. [2] Савов Р., В. Манева, Д. Йорданов, Д. Иванов, Наръчник за строителни специалисти, www.bcci.bg, 90 и 92 с. [3] Технически проспек­ти на фирма Atas за фотоволтаични системи, 2013. [4] Технически проспек­ти на фирма Kingspan за фотоволтаични системи, 2013. [5] Технически проспек­ти на фирма Marcegaglia за фотоволтаични системи, 2013. [6] Технически проспек­ти на фирма Renusol за фотоволтаични системи, 2013. [7] Технически проспек­ти на фирма Rheinzink за фотоволтаични системи, 2013. [8] Технически проспек­ти на фирма Schletter за фотоволтаични системи, 2013. [9] Технически проспек­ти на фирма Solon за фотоволтаични системи, 2013.