Интегрированная фасадная активная панель как элемент ограждающей конструкции автономных зданий

Развитие современного мира приводит к тому, что обществу приходится постоянно искать источники энергии для поддержания комфортных условий существования. На данный момент основным источником энергии являются топливные запасы углеводородного сырья [1]. Но данный источник энергии является не возобновляемым ресурсом, к тому же с каждым годом стоимость этого сырья неизменно растет, а процесс переработки его в электроэнергию приводит к загрязнению окружающей среды. Использование альтернативных возобновляемых источников энергии лишено данных недостатков. В данном направлении энергетики одним из перспективных способов генерации электроэнергии является использование солнечных панелей, чья привлекательность связана с неисчерпаемостью солнечной энергии. В настоящее время актуальна тенденция постоянного изучения и совершенствования солнечных панелей, проводятся исследования для повышения эффективности их работы [2], расширяются их функциональные возможности, а также в связи с отладкой технологий производства повышается доступность солнечных панелей для потребителей и расширяется область их применения [3, 4].

Следует отметить, что солнечные электростанции занимают большую площадь и их возведение в пределах города не рентабельно. Поэтому в условиях современной урбанизации и уплотненной застройки городов создание множества локальных солнечных электростанций, размещенных непосредственно в близи конечных потребителей более целесообразно. К тому же это дает возможность облагородить внешний облик городских агломераций, зачастую загроможденных массивными электрическими вышками и большой протяженностью электросетей внутри городской среды. Для размещения локальных солнечных электростанций хорошо подойдут ограждающие конструкции зданий и сооружений. Одним из самых распространенных решений является установка солнечных панелей на крышах зданий [5,6]. Но при таком способе размещения на солнечную панель сильно влияют факторы окружающей среды, снижающие ее максимальную эффективность, такие как оседающая пыль и грязь, а также осадки в виде снега в зимний период, застилающие поверхность солнечной панели. Так же в некоторых случаях, когда конструкция кровли непригодна для эксплуатации или на крыше здания размещают газовые котельные, установка солнечных панелей не возможна. Более перспективными ограждающими конструкциями для размещения солнечных панелей являются фасады зданий [7], так как данный вариант установки снижает влияние атмосферных осадков на ее производительность. К тому же есть возможность использования солнечной панели в качестве теплоизоляционного материала с функцией защиты здания от климатического воздействия окружающей среды.

В качестве реализации солнечной панели, интегрированной в ограждающую конструкцию здания с теплоизоляционной функцией, предложено решение, изображенное на рис. 1. Ближайшим аналогом данного решения является конструкция солнечной батареи, описанная в патенте РФ [8].

Рис. 1. Модель интегрированной фасадной активной панели

В предлагаемой конструкции солнечной панели фотоэлектрический модуль расположен в выемке на металлическом основании и защищен от окружающей среды прозрачным стеклом. Металлическое основание служит радиатором для отвода излишнего тепла от солнечной панели, так как при постоянном солнечном воздействии она будет сильно нагреваться, что существенно скажется на эффективности и производительности фотоэлектрических элементов модуля [9]. При вертикальном расположении солнечных панелей для достижения наибольшего КПД используется остекление, имеющее в профиле форму волны. Таким образом падающие на поверхность остекления солнечные лучи преломляются и попадают на фотоэлектрический модуль под более тупым углом.

Металлическое основание панели приклеено к раме расположенной по контуру конструкции, причем рама разделена на четыре пустотелые камеры для предотвращения промерзания в зимних условиях эксплуатации. С обратной стороны рамы приклеена металлическая крепежная панель, таким образом внутри всей конструкции и рамы создается герметичная полость с разряженным воздухом, которая в свою очередь служит хорошим теплоизолятором (рис. 2). Основные параметры фасадной панели приведены в таблице 1.

Для монтажа панели в верхней части ее конструкции предусмотрена площадка с отверстиями под анкерные крепления. При монтаже первого ряда в начале устанавливается направляющая планка с пазом (рис. 3), затем в нее защелкивается панель, имеющая в нижней части конструкции ответный шип, далее панель крепится анкерами к наружной ограждающей конструкции здания. Последующий ряд панелей устанавливается аналогично на ниже расположенную панель. Рама панели на верхней и нижней гранях в разрезе имеет V-образный профиль для герметичности узла соединения (рис. 3).

Рис. 2. Модель конструкции интегрированной фасадной активной панели

Основные параметры фасадной панели

Рис. 3. Модель узла горизонтального стыка панелей

Выходные шины, установленные на тыльной стороне фотоэлектрического модуля, проходят через металлическое основание и выходят сквозь раму с левой или правой стороны панели. При монтаже ряда панелей между ними оставляют технологический зазор, в котором прокладывается основной силовой кабель, подключаемый ко всем панелям. Этот силовой кабель заводится внутрь здания, где подключается через контроллер заряда к аккумуляторной батареи. Полная схема подключения интегрированной активной фасадной панели изображена на рис. 4. После прокладки кабелей и подключения всех панелей к электросети здания, технологический зазор закрывается герметичной Т-образной заглушкой с резиновыми уплотнителями (рис. 5).

Рис. 4. Схема подключения интегрированной фасадной активной панели

Рис. 5. Модель узла вертикального стыка панелей

Данная интегрированная фасадная активная панель может быть применена при строительстве зданий в качестве облицовки ограждающих конструкций, также при реконструкции зданий с целью повышения теплоизоляционных свойств наружных стен. Для достижения наибольшей эффективности фасадной панели наиболее оптимально устанавливать ее в северных широтах (более 55°) с размещением на южной стороне здания.

К достоинствам данной интегрированной фасадной активной панели можно отнести многофункциональность, а именно сочетание в ней генератора электроэнергии и ограждающей строительной конструкции, простоту монтажа за счет технологичности узлов соединения, а также возможность использования на наружных стенах зданий и сооружений из различных материалов. Одним из недостатков применения данной фасадной панели является ограниченность цветовой палитры фотоэлектрических модулей, производимых на территории РФ.

1. Рац. Г. И., Мординова М. А. Развитие альтернативных источников энергии в решении глобальных энергетических проблем // Известия БГУ. 2012. № 2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razvitie-alternativnyh-istochnikov-energii-v-reshenii-globalnyh-energeticheskih-problem (дата обращения: 25.04.2018).

2. Галимуллина Э. Э., Абзалилова Ю. Р. Системы повышения эффективности солнечных батарей // Альманах современной науки и образования. Тамбов: Грамота, 2016. № 12 (114). с. 31–35.

3. Аль-шариф А. Г. Перспективы использования солнечной энергии для отопления дома в России // Молодой ученый. 2014. № 6. С. 127–131. URL https://moluch.ru/archive/65/10633/ (дата обращения: 23.04.2018).

4. Шубин И. Л., Тихомиров Л. А. Шумозащитные экраны с интегрированными солнечными батареями // Вестник МГСУ. 2011. № 3–1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/shumozaschitnye-ekrany-s-integrirovannymi-solnechnymi-batareyami-1 (дата обращения: 25.04.2018).

5. Бадьин Г. М., Сычев С. А., Макаридзе Г. Д. Технологии строительства и реконструкции энергоэффективных зданий. СПб.: Изд-во БХВ-Петербург, 2017. 464 с.

6. Сычев С. А., Бадьин Г. М. Перспективные технологии строительства и реконструкции зданий. СПб.: Изд-во «Лань», 2017. 292 с.

7. Куприянов В. В., Вендина Д. А. Использование солнечной энергетики при проектировании формы зданий // Вестник Волжского регионального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук. 2016. № 19. с. 138–148.

8. Пат. 2313642 РФ, МПК E04D 13/18 (2006.01). Солнечная батарея как элемент строительной конструкции / Добашин А. А., Адамович А. Б., Карабанов Е. В., В. В. Черняков В. В.; — № 2006109537/03; заявл. 27.03.2006; опубл. 27.12.2007; Бюл. № 36.

9. Джумаев А. Я. Анализ влияния температуры на рабочий режим фотоэлектрической солнечной станции // Технические науки — от теории к практике: сб. ст. по матер. ХLVI междунар. науч.-практ. конф. № 5(42), Новосибирк: СибАК, 2015.