Елементи и особености при покривните соларни системи

Определението за добре проектирана сграда през последните години се разви значително и вече включва намаляване на използването на енергия от изкопаеми горива. Архитекти и инженери реагират адекватно чрез оптимизиране на сградната обвивка, максимизиране ефективността на опериращите системи и използване на възобновяеми източници на енергия. В този аспект все по-предпочитано решение е интегриране към сградата на система, произвеждаща електричество от слънцето (BIPV). Чрез включени в сградата фотоволтаични соларни клетки и свързаните с тях компоненти на системата е възможно генериране на достатъчно енергия за захранване на цялата сграда и дори на остатъчна енергия за подаване към електропреносната мрежа. Едно от местата за сградно интегриране на PV е покривът. Покривните соларни системи със своите елементи и особености са добра алтернатива за съвременната архитектура.

Покривът предоставя чудесна възможност за сградно интегриране на фотоволтаични системи. Така освен ролята на конвенционалния покрив, той може да изпълнява и функцията на електроцентрала. Вече съществуват множество продукти, които позволят включване на соларна система към всякакви покриви, независимо от покритието, площта и формата им, за сгради с различно предназначение. Покривно интегрираните PV системи могат да се монтират на самостоятелни носещи конструкции, в рамки, към конструкцията за монтаж на конвенционалното покривно покритие, да се интегрират към керемиди, към хидроизолации, или да се лепят върху покривното покритие. В едни от случаите заместват покривно покритие като строителен материал, а в други се поставят върху него. Освен в начина на интегриране и монтиране при тях има разнообразие и в съставните елементи и външния вид.

Фотоволтаични (PV) клетки
Понякога наричани още соларни клетки, фотоволтаичните клетки са основните градивни елементи на всяка покривно интегрирана PV система. Всяка отделна PV клетка е устройство за производство на електроенергия, изработено най-често от силициеви полупроводникови материали, подобни на тези, които се използват в компютърните чипове. Тези клетки обикновено са доста малки, вариращи по размери от по-малки от пощенска марка до няколко сантиметра и мощност 1 или 2 вата. Днес на пазара се предлагат два основни вида фотоволтаични технологии – кристални и тънкослойни. Кристалните са от моно- или поликристален силиций, а тънкослойните – от кадмиев телурид (CdTe); мед, индий, галий и селен (CIGS); аморфен силиций (A-Si) и полимери. Те имат различни характеристики, предимства и недостатъци.

Системи от кристален силиций
Направени са от твърди клетки от кристален силиций, произведени във вид на панели, от където идва термина "слънчеви панели". Те изискват някакъв вид поддържаща рамка (конструкция за монтиране), която може да преминава или да не преминава през покривното покритие.

Във втория случай задържането е с баласт. Те работят най-добре на равни или слабо наклонени покриви. Когато системата замества конвенционалното покривно покритие, конструкцията за монтиране осигурява водонепроницаемост на покрива и преход от покритието към PV елементи.

Предимствата на системите от кристален силиций, спрямо тези от типа „тънък слой”, включват по-висока ефективност в производството на електроенергия и по-висока мощност. В резултат на това кристалните системи изискват по-малък общ брой на клетките. Монтирането върху рамка позволява добра въздушна циркулация и охлаждане на панела.

Освен това има голям брой производители на такива продукти, което прави възможностите за избор по-големи. Недостатъците включват по-висока себестойност на производството на един ват електроенергия и по-голямо тегло. Конструкцията за монтиране допълнително утежнява системата. Кристалните системи също така работят лошо при високи температури, при засенчване, или когато слънчевата светлина е дифузна. Тези системи са видими от земята, особено при невисоки сгради.

Тънкослойни системи
Фотоволтаичните клетки от типа „тънък слой” използват слоеве на полупроводникови материали, които са с дебелина само няколко микрометра. Тази технология обикновено съчетава фотоволтаични материали и покритие в ламиниран гъвкав материал, който може да се залепи директно върху покрива (плосък, с малък или с голям наклон), фасадата или остъкляването. Когато се използват за покривни системи, те работят най-добре с един слой мембрани, като термопластичен полиолефин (ТПО), гранулирани мембранни листове или метални покриви с ребра. Тънкослойните PV системи обикновено не изискват стелажни системи, монтаж преминаващ през покривното покритие или баласт. Много от тях могат да се интегрират към керамични керемиди и битумни шиндли – т.нар. фотоволтаични керемиди, които заместват като строителен материал традиционните покривни покрития.

Предимствата на тези системи, в сравнение с кристалните, включват по-ниска производствена цена на ват получена енергия и по-малко тегло на системите. От тук идва и възможността за директен монтаж, без монтажни конструкции, което води до опростяване на инсталацията, използване на по-малко материали и средства. Тези системи също така проявяват отлична производителност при високи температури, добра устойчивост на сянка, и добра работа при дифузна светлина. Поставени върху покрива, те са почти невидими от земята дори и при ниски сгради и по-лесно се включват в архитектурния им облик, без да го нарушават. Недостатъците на тези системи включват по-ниска ефективност и по-малка мощност, което означава, че системата ще изисква повече клетки. Освен това се нуждаят от малко време за стабилизиране за изходната мощност и се предлагат от по-малък брой производители.

Фотоволтаични модули и масиви
За да се създаде достатъчно мощност, отделните фотоволтаични клетки се свързват заедно, за да образуват по-големи единици, наречен модули. Кристалните фотоволтаични клетки обикновено се комбинират в един модул, който съдържа около 40 клетки и може да генерира в диапазон 50-250 вата електрическа мощност. Размерът на тънкослойните модули варира. Те могат да произвеждат електроенергия в интервал 60-144 вата.

Чрез комбиниране на модули в още по-големи единици, свързани помежду си, може да се произвежда необходимото количество енергия в киловати. Те се наричат фотоволтаични масиви. Благодарение на този модулен характер, PV системи могат да бъдат оразмерени точно според нуждите на всеки един обект.

Компоненти за сградна интеграция
По някакъв начин фотоволтаичните модули трябва да се прикрепят към покрива на сградата. Монтирането в рамки и носещи конструкции, характерно за кристалните PV клетки, има най-разнообразни варианти. При някои производители решенията са такива, че системата се монтира върху конвенционалното покривно покритие, без да замества функциите му. В други случай монтажните рамки позволяват монтиране към конструкцията за конвенционалното покритие и плавен преход от конвенционалното към PV покритие или пълно заместване на традиционното покритие с PV. Вторият вариант позволява по-пълно интегриране на системата и тя освен генератор на ток е също и строителен материал. При тънкослойните системи компонентите за интеграция са керемиди, метални и битумни покриви и хидроизолации. Интегрирането обикновено е без конструкция, само с лепене на PV модули към конструкционния материал (покривното покритие), при което се получава един комбиниран общ продукт – фотоволтаично покривно покритие.

Баланс на системата
Фотоволтаичните модули, редици или масиви сами по себе си не представляват цялата покривна PV система. В действителност модулите обикновено представляват около 50% от общата стойност на система. Ако има конструкции за монтаж, те са около 12% от стойността. Останалата част от приблизително 40% се пада на другите елементи в системата – кабели, инвертори, електрически панели, измервателни уреди. Цялата тази съвкупност от елементи на покривната PV система се взема предвид в проектирането на сграда, към която ще се интегрира, за да се получи баланс на системата (BOS) на всички съставни части в едно.

Окабеляване, монтаж и електрически връзки
Всички фотоволтаични системи на покрива трябва да бъдат инсталирани, окабелени и свързан със съединителни кутии, прекъсвачи и други части на системата. При проектирането на системата в сградата, тези елементи трябва да бъдат взети под внимание. Цената на тази част на системата се променя, но може да се очаква да бъде около 20% от цялата система. За гарантиране надеждността на инсталацията всички елементи от системата трябва да се монтират от квалифицирани технически лица – лицензирани монтажници на ВЕИ инсталации според националните и европейските стандарти.

Електрически панели и електромери
Преобразуваната електрическа енергия се нуждае от правилно и подходящо свързване с цялостната система за електрическо захранване на сградата. Това включва работа на разпределително табло, измервателен уред (електромер), а също и възможност за изключване и регулиране нивото на PV енергия, така че да е предвидима. Тъй като електроинсталацията на сградата е свързана с електроразпределителната мрежа, целият интерфейс ще трябва да се проектира правилно, за да отговарят на стандартите и изискванията на преобладаващите кодове, местната електрическа компания и добрите електро-инженерни практики. Ако соларният покрив е с мощност до 30kW, свързването е където е електромера, като се поставя допълнителен електромер, отчитащ производството на PV енергия. Когато соларният покрив е с мощност над 100kW, е необходим и трансформатор. Всички тези елементи от системата съставляват около 10% от общите разходи. Добавяне на не много скъп монитор за системата (<1% от стойността на системата) е препоръчителна стъпка.

Самостоятелната (оff-grid) алтернатива е по-малко популярна, но е много полезна за сгради без достъп до електропреносната мрежа. При тях покривната фотоволтаична система се нуждае от същите елементи както и свързаната с електроразпределителната мрежа (in-grid). Изключение прави само връзката с мрежата. Тук обаче, ще са необходими батерия за съхраняване на неизползваната енергия, контролер за регулиране на енергията от батерията и допълнителен електрогенератор, който да компенсира връзката с енергийната мрежа.

Инвертори
Електроенергията, идваща от покривните PV модули е във вид на прав ток (DC), т.е. електричеството протича от плюс (+) към минус (-). Електрическата мрежа в сградите обаче, използва променлив ток (АС), при който полюсите се сменят десетки пъти в секунда. Именно затова, за да се свърже соларната покривна система с електроинсталацията на сградата, правият ток трябва да се превърне в променлив. Следователно е необходимо оборудване за преобразуване (конвертиране) на енергията от фотоволтаичния модул, така че да е подходяща за консумация от мрежата на сградата. Това се прави от инвертор. Той се избира, оразмерява и локализира, така че да е съвместим с електрическата мрежа на сградата. За него се отчитат още 7-8% от стойността на системата.