CC BY
3УДК 620.9 Шостак И.В., Мицура Д.И., Явнов И.Д.
Шостак И.В.
студент кафедры электро- и теплоэнергетика Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
Мицура Д.И.
студент кафедры электро- и теплоэнергетика Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
Явнов И.Д.
студент кафедры электро- и теплоэнергетика Оренбургский государственный университет (г. Оренбург, Россия)
ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ГЕНЕРАЦИИ НА КРЫШАХ
Аннотация: в данной статье рассматриваются последние тенденции в хранении тепловой энергии с использованием материалов с фазовым переходом и характеристика их термических свойств и другие свойства.
Ключевые слова: фотоэлектрические модули, крыша, охлаждение, альтернативная
энергия.
Фотоэлектрические энергетические системы на крышах признаны в качестве прогрессивного решения для использования возобновляемых источников энергии в зданиях, поскольку они действуют как генераторы в рамках концепции "умный дом". Фотоэлектрические модули могут быть спроектированы в виде крыш зданий, а блоки выработки электроэнергии могут
2176
быть установлены в зданиях в соответствии с требованиями, предъявляемыми к различным строительным компонентам. Их использование на крышах зданий по-прежнему затруднено из-за оптических и тепловых свойств, присущих коммерческим солнечным элементам, а также эстетических, экономических и социальных ограничений.
В исследовании представлен обзор фотоэлектрических систем на крышах зданий. Обобщены исследования потенциала производства электроэнергии и общего сокращения выбросов углекислого газа с помощью фотоэлектрических систем на крышах. Угол установки, механические свойства, экранирующие эффекты, внутренние эффекты и жизненный цикл фотоэлектрических модулей были рассмотрены на микроуровне, включая процесс их разработки, преимущества и недостатки. С точки зрения материалов для батарей, батареи на основе теллурида кадмия выделяются среди новых материалов с коротким сроком окупаемости - менее одного года. Кроме того, обсуждается применение фотоэлектрических систем на крышах, что имеет решающее значение для достижения максимального уровня выбросов углерода.
Стремительное развитие науки и техники предоставило множество технических средств для применения интегрированных технологий для производства фотоэлектрической энергии и соответствующего архитектурного проектирования, тем самым облегчая производство фотоэлектрической энергии. В связи с расширением применения солнечных технологий в зданиях фотоэлектрические модули все чаще встраиваются в новые здания в качестве строительных материалов для отделки фасадов и крыш, или используются при модернизации существующих зданий. Соответственно, фотоэлектрическая энергия стала важнейшим перспективным источником энергии для городов будущего, демонстрируя огромный потенциал в качестве инструмента, помогающего достичь цели снижения пиковых выбросов углекислого газа. Системы фотоэлектрической генерации зданий могут быть установлены на и/или фасадах и установленная система фотоэлектрической генерации может распределять нагрузку на сеть. Существуют различные типы строительных
2177
нагрузок для различных функций, таких как охлаждение, отопление, ежегодное электроснабжение, потребность в воздухе и освещенность. Большинство из этих нагрузок связаны с системами вентиляции и кондиционирования воздуха традиционными электрическими средствами. В этом контексте можно добиться низкого энергопотребления в зданиях за счет интеграции систем фотоэлектрической генерации.
Исследование систем фотоэлектрической генерации на крышах в различных масштабах. Уникальные свойства крыш, такие как хорошее проникновение солнечного света, хорошие условия вентиляции, отсутствие избыточной защиты и гибкий угол наклона для фотоэлектрических панелей выгодны для сбора солнечной энергии. Соответственно, крыши обладают наибольшим потенциалом эффективности для систем фотоэлектрической генерации в зданиях. Однако необходимо также учитывать влияние оборудования на крыше (например, центральных систем кондиционирования воздуха, вентиляционного оборудования, базовой станции передачи сигналов связи) и их тень. Кроме того, имеется возможность установить модули непосредственно в крышу, что положительно скажется на сопротивлении ветровым нагрузкам. Второй вариант - установка модулей на упорах -кронштейнах, оставляя воздушный зазор между крышей и панелями для увеличения эффективности охлаждения. Водяное охлаждение солнечных фотоэлектрических модулей в условиях климата южной части России привело к увеличению годовой выработки электроэнергии на 22% при температуре окружающего воздуха. Изучение влияния потока воды на производительность тонкопленочных панелей а^ показали, что температура панелей под потоком воды была ниже, чем у панелей без потока воды, так что первые показали более высокую электрическую эффективность. Кроме того, вода, которая циркулирует для охлаждения модулей, может быть использована в качестве отопления помещения.
2178
Анализ жизненного цикла различных фотоэлектрических модулей.
В дополнение к региональному потенциалу сокращения выбросов углекислого газа, исследования в масштабах зданий также были сосредоточены на оценке полного жизненного цикла (LCA) различных фотоэлектрических модулей, включая анализ EPBT и выбросов парниковых газов. Являясь источником экологически чистой энергии, фотоэлектрические системы работают без выбросов парниковых газов. Однако в течение жизненного цикла фотоэлектрических модулей - от производства до установки - происходит значительный выброс углекислого газа. Таким образом, при тех же условиях выработки электроэнергии сокращение количества фотоэлектрических модулей оказывает большое влияние. Многие фотоэлектрические устройства для зданий могут обеспечить более высокую эффективность, используя инновационные материалы и подходящие методы монтажа. Тонкопленочные материалы, такие как теллурид кадмия (CdTe), имеют более низкие выбросы углерода и более короткий срок окупаемости. Обычные элементы из кристаллического кремния также могут сократить время окупаемости энергии за счет использования систем слежения за солнечной энергией.
Были рассмотрены угол установки, система слежения, механические свойства, экранирующие эффекты, внутренние эффекты и жизненный цикл фотоэлектрических модулей, включая процесс их разработки, преимущества и недостатки. Безусловно, производительность фотоэлектрических модулей, подверженных воздействию внешней среды при длительной эксплуатации на открытом воздухе, по-прежнему остается серьезной проблемой, в то время как большинство из них приведенные выше результаты исследований основаны на теоретических расчетах и кратковременных лабораторных экспериментах. Поэтому долгосрочные результаты измерений используемых фотоэлектрических систем особенно важны для получения более точных выборок для оценок. Вторым по значимости фактором, негативно влияющим на эффективность фотоэлектрических панелей, являются высокие температуры. Модули, которые устанавливаются на крышу на кронштейнах, имеют более
2179
низкую температуру элемента благодаря наличию воздушного зазора, что способствует поддержанию эффективности выработки электроэнергии. Однако недавнее исследование показало, что наличие этого воздушного зазора между обратной стороной фотоэлектрических модулей и поверхностью крыши здания может сильно повлиять на динамику пожара в случае его возникновения. Использование модулей, которые являются частью крыши, демонстрирует растущая тенденция в связи с их эффективной установкой. Таким образом, ожидается, что в будущем будут разработаны безопасные и эффективные встраиваемые модули, которые могут быть адаптированы к различным типам крыш. Третьим наиболее важным фактором является затенение, включая взаимное перекрытие зданий. Наконец, влияние снежной погоды на выработку электроэнергии и меры по ее устранению в холодных районах также вызывает озабоченность. В дополнение к применению новой фотоэлектрической технологии на крышах новых зданий, эта технология также может быть применена при реконструкции зданий. Это особенно важно, учитывая углеродный след от сноса и строительства, а не от модернизации. Хотя многие исследования доказали, что использование фотоэлектрических систем на крышах зданий может обеспечить экологически чистую энергию и сократить выбросы углекислого газа, срок службы большинства зданий превышает 50 лет, в то время как срок службы фотоэлектрических панелей обычно составляет всего 25 лет. Поэтому в будущих исследованиях следует обсудить способы решения проблем, связанных с ремонтом зданий и выходом из строя фотоэлектрических модулей.
Выводы.
Солнечные модули возможно размещать на крышах из-за высокой интенсивности солнечного излучения. В этом исследовании рассматривается текущее состояние исследований по данной теме, с акцентом на тенденции в области фотоэлектрических систем на крышах.
2180
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Кузнецов, А. В. Фотоэлектрические системы: учебное пособие. - М.: Издательство Юрайт, 2018;
2. Лебедев, А. А. Фотоэлектрические системы: принципы работы и применение. - СПб.: БХВ-Петербург, 2017;
3. Горбунов, В. А. Фотоэлектрические системы: технологии и применение. -М.: Техносфера, 2019;
4. Шевченко, И. П. Фотоэлектрические системы в современном мире: исследования и тенденции развития. - М.: Наука, 2020;
5. Иванов, П. С. Применение фотоэлектрических систем на крышах зданий: опыт и перспективы. - М.: Энергоатомиздат, 2018
2181
Shostak I. V., Mitsura D.I., Yavnov I.D.
Shostak I.V.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
Mitsura D.I.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
Yavnov I.D.
Orenburg State University (Orenburg, Russia)
RESEARCH AND APPLICATION PHOTOVOLTAIC SYSTEMS GENERATION ON THE ROOFS
Abstract: this article discusses the latest trends in thermal energy storage using phase transition materials and characterization of their thermal properties and other properties.
Keywords: photovoltaic modules, roof, cooling, alternative energy.
2182
