Фотогальванические фасады со стеклянными панелями (BIPV), интегрированные в здания, изначально воспринимались просто как декоративные элементы, когда впервые появились на рынке в 90-х годах, но теперь они превращаются в серьезные энергетические системы. Вначале архитекторы в основном использовали эти солнечные элементы как декоративные акценты на зданиях, а не как источник реальной выработки электроэнергии. Однако ситуация действительно изменилась в 2015 году. Именно тогда благодаря технологическим усовершенствованиям стеклянные модули BIPV смогли преобразовывать солнечный свет в электричество с эффективностью от 12 до 16 процентов, при этом пропуская около 30–50 процентов видимого света, как указано в недавнем исследовании, опубликованном в журнале Frontiers in Sustainable Cities. Современные версии таких систем сегодня активно заменяют традиционные навесные стены во многих зданиях. Некоторые впечатляющие проекты по всей Европе демонстрируют, что современные установки способны вырабатывать около 120 киловатт-часов на квадратный метр в год в офисных зданиях. Для понимания масштаба этого показателя, такого количества энергии достаточно, чтобы обеспечить примерно 35 процентов потребностей большинства зданий в отоплении, вентиляции и кондиционировании воздуха.
Современные энергогенерирующие стеклянные фасады BIPV обеспечивают преимущества тройного результата:
2025 Обзоры возобновляемой энергетики анализ показал, что модернизация зданий с использованием BIPV в городских офисах позволяет достичь окупаемости инвестиций на 19% быстрее, чем при использовании автономных солнечных панелей, благодаря преимуществам замены материалов. Технология также решает проблему тепловых островов в городах, поскольку фасады с интегрированными фотоэлектрическими элементами демонстрируют снижение температуры поверхности на 3–5 °C по сравнению с традиционным стеклом в летних условиях
Полупрозрачные фасады из энергетического стекла BIPV включают либо разнесенные солнечные элементы, либо тонкопленочные слои, пропуская около 15–40 процентов видимого света, при этом продолжая вырабатывать электроэнергию. Это сочетание решает одну из главных проблем, с которой сталкиваются архитекторы при проектировании офисов — как сохранить достаточное количество естественного света, не допуская при этом избыточного накопления тепла внутри помещений. Исследование, опубликованное в прошлом году в журнале Materials Science, изучало эти модули STPV с вакуумным остеклением и выявило коэффициент поступления солнечного тепла (SHGC) в диапазоне от 0,28 до 0,35. Это на самом деле на 42 процента лучше, чем у обычных стеклопакетов. В то же время они способны генерировать от 80 до 120 ватт на квадратный метр. Регулируя плотность солнечных элементов в различных частях ограждающих конструкций, архитекторы могут создавать интересные световые узоры, которые соответствуют требованиям стандарта EN 17037 к естественному освещению в зонах, расположенных вплоть до шести метров от внешних стен здания.
Современные системы STPV достигают оптимального баланса за счет трех ключевых параметров:
Адаптивные STPV-системы с электрохромными слоями демонстрируют снижение использования жалюзи на 68% по сравнению со статичными решениями согласно 12-месячным испытаниям в ЕС на 15 офисных зданиях.
Метрики эффективности для STPV-фасадов теперь объединяют выработку энергии и показатели, ориентированные на комфорт пользователей:
| Метрический | Эталон | Измерительный инструмент |
|---|---|---|
| Автономность дневным светом (DA) | ≥50% на 75% площади пола | Симуляции на основе Radiance |
| Коэффициент равномерности | 0.4–0.7 | Люксметры на высоте 0,8 м |
| Стабильность выхода солнечных панелей | <15% отклонение в разные сезоны | Микроинверторы с поддержкой IoT |
В 2024 году Исследование энергетики зданий в статье показано, что офисные здания с оптимизированными фасадами STPV обеспечивают на 32% более высокую автономность дневного света по сравнению с традиционным остеклением, при этом сохраняя 85% мощности генерации энергии непрозрачных BIPV за счет интеллектуальной настройки соотношения окон к стенам (WWR).
Что касается фасадов из энергопитающего стекла BIPV, то при вертикальной установке они обычно демонстрируют эффективность преобразования солнечной энергии в пределах 12–18 процентов. Это на самом деле ниже, чем у крышных фотоэлектрических систем, которые обычно находятся в диапазоне 15–22 процента. Почему такая разница? Прежде всего потому, что вертикальные поверхности просто не получают солнечный свет под тем же углом, что и горизонтальные. Но есть надежда! Двусторонние модули могут помочь восстановить почти 19 процентов утраченной эффективности, улавливая отражённый свет, отскакивающий от окружающих зданий. А благодаря недавним улучшениям в технологии тонкоплёночных элементов на основе теллурида кадмия ситуация становится ещё лучше. Эти новшества означают, что вертикальные установки теперь производят примерно 84 процента той энергии, которую генерировали бы панели, установленные под оптимальным углом, в городской обстановке. Весьма впечатляющий прогресс, если учитывать, с чего мы начинали всего несколько лет назад.
Фасады BIPV, обращенные на юг, как правило, производят на 14% больше энергии ежегодно по сравнению с теми, которые ориентированы на восток или запад в Центральной Европе. Однако, во многих современных зданиях теперь используются панели, установленные в разных направлениях, чтобы сгладить колебания суточной выработки электроэнергии. Также крайне важно правильно спланировать затенение с самого начала, поскольку неправильное проектирование может привести к потере около 30% потенциального выхода энергии. Представьте себе следующее: только соседние здания могут снизить выработку солнечной энергии в густо застроенных городских районах на 18–24%. Что касается работы в различных погодных условиях, то здесь выделяется BIPV-стекло. Эти панели продолжают работать с эффективностью около 80%, даже когда уровень солнечного света падает до 200 Вт на квадратный метр, что превосходит обычные кремниевые панели, эффективность которых обычно составляет от 65 до 70% в аналогичных условиях слабого освещения.
Исследование, проведенное в 2024 году, изучало 47 офисных зданий по всей Европе, оснащенных фасадами BIPV, и выяснило, что в среднем они производили около 120 киловатт-часов на квадратный метр в год. Однако цифры довольно сильно различались — здания в северной части Скандинавии вырабатывали всего около 85 кВт·ч/м², тогда как расположенные южнее, на Средиземном море, достигали показателя в 158 кВт·ч/м². На кампусе High Tech Campus в Эйндховене инженеры также добились впечатляющих результатов. Их установка выработала 1630 кВт·ч переменного тока всего с 44 фасадных модулей за одни пять месяцев. Этот успех подчеркивает важность правильной вентиляции между панелями, которая обеспечивает стабильное производство энергии. Согласно современным тенденциям, почти 38% всех новых установок теперь используют двусторонние модули. Тестовая площадка в Роскилде (Дания) дает конкретные доказательства этого преимущества. Вентилируемые системы BIPV показывают коэффициент эффективности 0,92 против 0,85 у аналогичных систем без вентиляции.
Проектирование фасадов из энергетического стекла BIPV представляет реальную сложность для архитекторов, которым необходимо найти оптимальное соотношение между достаточным количеством естественного света и эффективной генерацией электроэнергии. Когда здания имеют более высокий уровень прозрачности — от 30 до 50 процентов в офисных помещениях, — они получают лучшее естественное освещение, но теряют около 15–25 процентов эффективности фотоэлектрических систем по сравнению с обычными сплошными солнечными панелями, как указано в исследовании, опубликованном в журнале Nature в прошлом году. Однако в 2023 году были получены интересные результаты в ходе параметрического моделирования. Исследователи обнаружили, что изменяя дизайн фасадов, можно сократить этот разрыв в эффективности примерно на 27 процентов. Это было достигнуто за счет стратегического размещения панелей с учетом изменения солнечного света в разные сезоны года, при этом обеспечивалось равномерное освещение внутри помещений.
Новые решения интегрируют электрохромное стекло с микротрассирующими фотоэлектрическими элементами, которые регулируют прозрачность (в диапазоне 10–70%) и углы наклона (±15°) в ответ на данные о погоде и занятости в реальном времени. По результатам испытаний прототипов в северных офисных условиях, эти системы сохраняют 80% базовой выработки энергии, при этом удваивая независимость от искусственного освещения в облачных климатах.
Хотя европейские офисные фасады с 40% прозрачностью в среднем вырабатывают 120 кВт·ч/м²/год — достаточно для покрытия 30–35% потребностей здания в энергии — полностью непрозрачные аналоги генерируют 190 кВт·ч/м²/год. Однако, современные оптические покрытия позволяют модулям с 60%-ной прозрачностью достигать 85% выхода панелей с непрозрачными модулями, сокращая разрыв между эстетическими целями и задачами достижения нулевого баланса энергии.
При строительстве интегрированные фасады из фотоэлектрического стекла в сочетании с двойными стеклянными фасадными системами образуют своего рода партнерство, которое улучшает как объем вырабатываемой энергии, так и поведение здания в отношении тепла и света. Пространство между двумя слоями стекла в этих двойных фасадах действует как теплоизоляция, уменьшая нагревание солнечных панелей примерно на 6–25%, в зависимости от расположения здания. Более низкая температура панелей также означает более высокую эффективность производства электроэнергии, поскольку снижение температуры на 10 градусов Цельсия может повысить эффективность примерно на 1–2%. Недавнее исследование, изучавшее эффективность материалов в 2024 году, показало, что здания с такой комбинированной системой в умеренном климате производят в течение года примерно на 12–18% больше электроэнергии, чем обычные системы BIPV. Для дизайнеров, стремящихся сохранить современный и аккуратный внешний вид зданий, такое решение также предоставляет дополнительное пространство за стеклом, облегчающее обслуживание и способствующее контролю воздушных потоков в здании.
Современные конфигурации BIPV-DSF используют адаптивные гибридные стратегии вентиляции для балансировки поступления солнечного тепла и внутреннего комфорта. Анализ 2023 года, проведенный в офисных башнях в Хефэе, Китай, показал, что динамическое управление воздушным потоком в системах BIPV-DSF сократило годовую потребность в охлаждении на 52,2% по сравнению с традиционными решениями. Основные инновации включают:
Исследования показывают, что эти системы снижают удельное потребление энергии (EUI) на 28–34 кВт·ч на квадратный метр в год в малоэтажных офисных зданиях согласно стандартам умных зданий ЕС 2025 года. Однако остаются некоторые трудности с обеспечением оптимальной скорости воздушного потока при различных температурах панелей. Но ситуация улучшается благодаря новым алгоритмам предиктивного управления, позволяющим зданиям мгновенно подстраиваться. Это означает более высокий уровень комфорта для находящихся внутри людей и одновременно максимальную отдачу электроэнергии.
Фасады из энергетического стекла BIPV используются как для эстетических целей, так и для генерации энергии в зданиях. Они интегрируют фотоэлектрические солнечные элементы в строительные материалы, обеспечивая выработку электроэнергии с сохранением визуально привлекательного дизайна.
Фасады BIPV обычно имеют эффективность преобразования солнечной энергии от 12 до 16 процентов при вертикальной установке, что ниже, чем у традиционных солнечных панелей на крыше. Однако такие достижения, как двусторонние модули и улучшенные материалы, значительно повысили их эффективность.
Фасады BIPV способствуют устойчивому развитию городов за счет снижения зависимости от энергосети, уменьшения выбросов углерода и обеспечения лучшего теплового регулирования. Они также снижают эффект городского теплового острова и обеспечивают более быструю окупаемость инвестиций по сравнению со стационарными солнечными установками.
Полупрозрачные модули BIPV оптимизируют дневной свет, пропуская определенный процент видимого света, одновременно вырабатывая электричество. Регулируя плотность солнечных элементов, архитекторы могут достичь оптимального уровня дневного света и визуального комфорта внутри зданий.
Да, фасады BIPV подвержены влиянию погодных условий, что может сказываться на их энергоэффективности. Несмотря на это, они, как правило, работают лучше, чем обычные кремниевые панели при слабом солнечном свете.
Hot News2025-02-25
2024-11-27
2024-12-17
EN
